Una nuova anomalia sta interessando l’intero Universo?

Le prime reliquie e gli oggetti dei tempi recenti danno risultati incompatibili per l'Universo in espansione. Questa anomalia indipendente intensifica il problema della tensione di hubble

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Una nuova anomalia sta interessando l'intero Universo?
Una nuova anomalia sta interessando l'intero Universo?

Scusate, astronomi: l’Universo in espansione non torna.

Le galassie mostrate in questa immagine si trovano tutte oltre il Gruppo Locale, e come tali sono tutte gravitazionalmente separate da noi. Di conseguenza, man mano che l’Universo si espande, la loro luce viene spostata verso lunghezze d’onda più lunghe e più rosse, e questi oggetti si spostano più lontano, in anni luce, rispetto al numero di anni effettivamente necessari alla luce per viaggiare da loro al nostro occhi. Man mano che l’espansione continua inesorabilmente, finiranno progressivamente sempre più lontano. Crediti : ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Riconoscimenti: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute)

La più grande anomalia è la tensione di Hubble.

Due dei metodi di maggior successo per misurare le grandi distanze cosmiche si basano sulla loro luminosità apparente (L) o sulla loro dimensione angolare apparente (R), entrambi direttamente osservabili. Se riusciamo a comprendere le proprietà fisiche intrinseche di questi oggetti, possiamo usarli come candele standard (L) o righelli standard (R) per determinare come l’Universo si è espanso, e quindi di cosa è fatto, nel corso della sua storia cosmica. La geometria di quanto luminoso o quanto grande appare un oggetto non è banale nell’Universo in espansione. Credito : NASA/JPL-Caltech)

Due metodi di misurazione del tasso di espansione producono valori incompatibili.

I punti freddi (mostrati in blu) nella CMB non sono intrinsecamente più freddi, ma rappresentano piuttosto regioni dove c’è una maggiore attrazione gravitazionale a causa di una maggiore densità di materia, mentre i punti caldi (in rosso) sono più caldi perché la radiazione in quella regione vive in un pozzo gravitazionale meno profondo. Nel corso del tempo, le regioni sovradense avranno molte più probabilità di crescere in stelle, galassie e ammassi, mentre le regioni sottodense avranno meno probabilità di farlo. L’evidenza delle imperfezioni nella CMB e nella struttura su larga scala dell’Universo fornisce un modo per ricostruire il tasso di espansione. Crediti : EM Huff, SDSS-III/South Pole Telescope, Zosia Rostomian)

Il metodo delle prime reliquie, attraverso le imperfezioni cosmiche, produce 67 km/s/Mpc.

Sebbene ci siano molti aspetti del nostro cosmo su cui tutti i set di dati concordano, la velocità con cui l’Universo si sta espandendo non è uno di questi. Basandoci solo sui dati delle supernove, possiamo dedurre un tasso di espansione di ~73 km/s/Mpc, ma le supernove non sondano i primi ~3 miliardi di anni della nostra storia cosmica. Se includiamo i dati del fondo cosmico a microonde, esso stesso emesso molto vicino al Big Bang, ci sono differenze inconciliabili in questo momento nel tempo, ma solo al livello <10%! Credito : D. Brout et al./Pantheon+, ApJ presentato, 2022)

Il metodo della scala della distanza, da oggetti misurati individualmente, produce 73 km/s/Mpc.

Misurare indietro nel tempo e nella distanza (a sinistra di “oggi”) può fornire informazioni su come l’Universo si evolverà e accelererà/decelererà nel futuro. Collegando il tasso di espansione al contenuto di materia ed energia dell’Universo e misurando il tasso di espansione, possiamo trovare un valore per un tempo di Hubble nell’Universo, ma quel valore non è una costante; si evolve man mano che l’Universo si espande e il tempo scorre . ( Credito : Saul Perlmutter/UC Berkeley)

Ma un’altra anomalia dell’imperfezione cosmica è altrettanto sconcertante.

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Usare la scala della distanza cosmica significa ricucire insieme diverse scale cosmiche, dove ci si preoccupa sempre delle incertezze su dove si collegano i diversi “pioli” della scala. Come mostrato qui, ora siamo scesi a soli tre “pioli” su quella scala e l’intera serie di misurazioni concorda tra loro in modo spettacolare. Credito : AG Riess et al., ApJ, 2022)

Considera il fondo cosmico a microonde (CMB): radiazione residua dal Big Bang.

Secondo le osservazioni originali di Penzias e Wilson, il piano galattico emetteva alcune sorgenti astrofisiche di radiazione (al centro), ma sopra e sotto tutto ciò che restava era uno sfondo di radiazione quasi perfetto e uniforme. La temperatura e lo spettro di questa radiazione sono stati ora misurati e l’accordo con le previsioni del Big Bang è straordinario. Se potessimo vedere la luce delle microonde con i nostri occhi, l’intero cielo notturno assomiglierebbe all’ovale verde mostrato. Credito : NASA/WMAP Science Team)

Anche se per lo più uniforme, una direzione è di circa 3,3 millikelvin più calda mentre la direzione opposta è similmente più fredda.

Sebbene il fondo cosmico a microonde abbia la stessa temperatura approssimativa in tutte le direzioni, ci sono deviazioni di 1 parte su 800 in una direzione particolare: coerente con il nostro movimento attraverso l’Universo. A 1 parte su 800 della grandezza complessiva dell’ampiezza stessa della CMB, ciò corrisponde a un movimento di circa 1 parte su 800 della velocità della luce, o ~ 368 km/s dalla prospettiva del Sole. Crediti : J. Delabrouille et al., A&A, 2013)

Questo ” dipolo CMB ” riflette il moto relativo del nostro Sole rispetto alla CMB: di ~370 km/s.

Un modello accurato di come i pianeti orbitano attorno al Sole, che poi si muove attraverso la galassia in una diversa direzione di movimento. La distanza di ogni pianeta dal Sole determina la quantità complessiva di radiazione ed energia che riceve, ma questo non è l’unico fattore in gioco nel determinare la temperatura di un pianeta. Inoltre, il Sole si muove attraverso la Via Lattea, che si muove attraverso il Gruppo Locale, che si muove attraverso l’Universo più grande. Credito : Rhys Taylor)

Il nostro gruppo locale si muove molto più velocemente : ~620 km/s.

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Questa mappa illustrata del nostro superammasso locale, il superammasso della Vergine, si estende per oltre 100 milioni di anni luce e contiene il nostro gruppo locale, che comprende la Via Lattea, Andromeda, il Triangolo e circa 60 galassie più piccole. Le regioni di densità eccessiva ci attraggono gravitazionalmente, mentre le regioni di densità inferiore alla media ci respingono efficacemente rispetto all’attrazione cosmica media. Crediti : Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons)

Ciò dovrebbe essere dovuto a imperfezioni cosmiche e gravitazionali.

Poiché la materia è distribuita in modo più o meno uniforme in tutto l’Universo, non sono solo le regioni sovradense che influenzano gravitazionalmente i nostri movimenti, ma anche le regioni sottodense. Una caratteristica nota come repeller di dipolo, qui illustrata, è stata scoperta solo di recente e potrebbe spiegare il movimento peculiare del nostro Gruppo Locale rispetto agli altri oggetti nell’Universo. Credito : Y. Hoffman et al., Nature Astronomy, 2017)

I movimenti delle galassie nelle vicinanze supportano costantemente questa immagine.

I movimenti delle galassie e degli ammassi di galassie vicini (come mostrato dalle “linee” lungo le quali scorrono le loro velocità) sono mappati con il campo di massa nelle vicinanze. Le maggiori sovradensità (in rosso/giallo) e sottodensità (in nero/blu) derivarono da piccolissime differenze gravitazionali nell’Universo primordiale. Nelle vicinanze delle regioni più dense, le singole galassie possono muoversi con velocità peculiari di molte migliaia di chilometri al secondo, ma ciò che si vede è coerente, nel complesso, con il nostro movimento locale osservato attraverso l’Universo. Credito : HM Courtois et al., Astronomical Journal, 2013)

Tuttavia, i traccianti di movimento più distanti sono in conflitto con esso.

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Su scale più grandi del nostro superammasso locale, o più di poche centinaia di milioni di anni luce, non vediamo più differenze nelle varie direzioni che corrispondono al nostro movimento misurato previsto attraverso l’Universo. Invece, in molti casi, gli effetti osservati sono incoerenti, sia con le misurazioni dell’Universo locale che tra loro. Crediti : Andrew Z. Colvin e Zeryphex/Astronom5109; Wikimedia Commons)

I plasmi all’interno degli ammassi indicano moti complessivi più piccoli: inferiori a ~ 260 km/s.

Le misurazioni del satellite Planck della temperatura CMB su piccole scale angolari possono rivelare aumenti o soppressioni di temperatura di decine di microkelvin indotti dai movimenti degli oggetti: l’effetto cinetico Sunyaev-Zel’dovich. Dagli ammassi di galassie, vedono un effetto coerente con 0, e questo è sostanzialmente più debole di quanto ci si aspetterebbe dal nostro movimento dedotto attraverso l’Universo. Credito : simulazioni Websky)

Le galassie a grappolo più luminose, tuttavia, rivelano moti più ampi : ~689 km/s.

Il gigantesco ammasso di galassie, Abell 2029, ospita al suo interno la galassia IC 1101. Con un diametro compreso tra 5,5 e 6,0 milioni di anni luce, oltre 100 trilioni di stelle e la massa di quasi un quadrilione di soli, è la più grande galassia conosciuta secondo molti parametri. Un’indagine sulla galassia più luminosa all’interno di tutti gli ammassi di Abell rivela un movimento cosmico incoerente con il dipolo CMB. Credito : Digitized Sky Survey 2; NASA)

Le relazioni di ridimensionamento dei cluster rivelano movimenti giganti e in direzioni sbagliate di ~ 900 km/s .

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La differenza dedotta nei movimenti da una varietà di proprietà degli ammassi di galassie in diverse direzioni attraverso il cielo, inclusi i raggi X, la galassia a grappolo più luminosa e gli effetti Sunyaev-Zel’dovich. Credito : K. Migkas et al., A&A, 2021)

E le anisotropie nei conteggi delle galassie rivelano più del doppio dell’effetto previsto.

Le mappe delle galassie di tutto il cielo rivelano che ci sono più galassie trovate alle stesse soglie di luminosità/distanza in una direzione piuttosto che in un’altra. Questo cosiddetto effetto razzo ha un’ampiezza prevista dal dipolo visto nel CMB, ma ciò che si osserva è più del doppio dell’effetto previsto. Credito : T. Jarrett (IPAC/Caltech))

I conteggi delle radiogalassie sono anche peggiori: quattro volte l’ampiezza prevista.

Quando l’intero cielo viene visto in una varietà di lunghezze d’onda, vengono rivelate alcune fonti corrispondenti a oggetti distanti oltre la nostra galassia. Nelle lunghezze d’onda radio, le galassie possono essere viste in tutte le direzioni, ma la leggera differenza in un insieme di direzioni rispetto a un altro appare significativamente maggiore della differenza che ci si aspetterebbe dal nostro movimento osservato attraverso l’Universo. Crediti : consorzi ESA, HFI e LFI; mappa CO da T. Dame et al., 2001)

I conteggi Quasar di WISE presentano lo stesso problema.

Con la sua indagine a infrarossi su tutto il cielo, il Wide-field Infrared Survey Explorer della NASA, o WISE, ha identificato milioni di candidati quasar, identificati in tutto il cielo (e mostrati in una piccola regione qui) con cerchi gialli. Il raggruppamento di quasar mostra un segnale anormalmente grande in termini di una direzione con conteggi di quasar più alti (e l’opposto con conteggi più bassi) di quanto previsto da una quantità molto maggiore di quanto i nostri movimenti osservati ci inducano ad aspettarci . ( Credito : NASA/JPL-Caltech/UCLA)

Indagini imminenti su larga scala potrebbero confermare con forza questa seconda “tensione di Hubble”.

La missione EUCLID dell’Agenzia spaziale europea, il cui lancio è previsto per il 2023, sarà uno dei tre principali sforzi di questo decennio, insieme all’osservatorio Vera Rubin dell’NSF e alla missione Nancy Roman della NASA, per mappare l’Universo su larga scala con straordinaria ampiezza e precisione. Credito : Agenzia spaziale europea)