Una nuova anomalia sta interessando l’intero Universo?
La missione EUCLID dell'Agenzia spaziale europea, prevista per il lancio nel 2023, sarà uno dei tre principali sforzi di questo decennio, insieme all'osservatorio Vera Rubin della NSF e alla missione Nancy Roman della NASA, per mappare l'Universo su larga scala con ampiezza e precisione straordinarie
La missione EUCLID dell’Agenzia spaziale europea, prevista per il lancio nel 2023, sarà uno dei tre principali sforzi di questo decennio, insieme all’osservatorio Vera Rubin della NSF e alla missione Nancy Roman della NASA, per mappare l’Universo su larga scala con ampiezza e precisione straordinarie.
Questo è necessario perché ormai è chiaro che qualcosa non torna nelle nostre osservazioni relative all’espansione dell’universo.
Le galassie mostrate in questa immagine si trovano tutte al di là del Gruppo Locale, e come tali sono tutte gravitazionalmente svincolate da noi. Di conseguenza, man mano che l’Universo si espande, la luce proveniente da esse viene spostata verso lunghezze d’onda più lunghe e più rosse, e questi oggetti finiscono più lontano, in anni luce, del numero di anni effettivamente impiegato dalla luce per viaggiare da loro ai nostri occhi. Man mano che l’espansione continua inesorabilmente, finiranno progressivamente sempre più lontano. ( Credit : ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Riconoscimento: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute)
I 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), entrambe direttamente osservabili. Se riusciamo a comprendere le proprietà fisiche intrinseche di questi oggetti, possiamo usarli come candele standard (L) o come righelli standard (R) per determinare come l’Universo si è espanso nel corso della sua storia cosmica. La geometria di quanto luminoso o quanto grande appaia un oggetto non è banale nell’Universo in espansione. ( Credito : NASA/JPL-Caltech)
I due metodi di misurazione del tasso di espansione producono risultati incompatibili.
I punti freddi (mostrati in blu) nella CMB non sono intrinsecamente più freddi, ma rappresentano piuttosto regioni in cui c’è una maggiore attrazione gravitazionale a causa di una maggiore densità di materia, mentre i punti caldi (in rosso) sono solo più caldi perché la radiazione in quella regione vive in un pozzo gravitazionale meno profondo. Nel tempo, è molto più probabile che le regioni overdense crescano in stelle, galassie e ammassi, mentre le regioni underdense 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. ( Credito : EM Huff, SDSS-III/South Pole Telescope, Zosia Rostomian)
Il metodo delle candele standard, tramite 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, ma solo a un livello <10%! ( Credito : D. Brout et al./Pantheon+, presentato da ApJ, 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 “today”) può informare 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.
Usare la scala della distanza cosmica significa cucire insieme diverse scale cosmiche, dove ci si preoccupa sempre delle incertezze in cui si collegano i diversi “gradini” della scala. Come mostrato qui, ora siamo scesi a un minimo di tre “gradini” 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): la radiazione residua del Big Bang.
Secondo le osservazioni originali di Penzias e Wilson, il piano galattico emetteva alcune sorgenti di radiazione astrofisiche (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 del microonde con i nostri occhi, l’intero cielo notturno assomiglierebbe all’ovale verde mostrato. ( Credito : NASA/WMAP Science Team)
Sebbene per lo più uniforme, una direzione è di circa 3,3 millikelvin più calda mentre l’opposto è similmente più freddo.
Sebbene il fondo cosmico a microonde abbia la stessa temperatura approssimativa in tutte le direzioni, ci sono 1 parte su 800 deviazioni in una direzione particolare: coerentemente con questo è il nostro movimento attraverso l’Universo. A 1 parte su 800 della magnitudine complessiva dell’ampiezza della CMB stessa, ciò corrisponde a un movimento di circa 1 parte su 800 della velocità della luce, o ~368 km/s dalla prospettiva del Sole. ( Credito : J. Delabrouille et al., A&A, 2013)
Questo “dipolo CMB” riflette il moto relativo del nostro Sole rispetto al CMB: di ~370 km/s.
Un modello accurato di come i pianeti orbitano attorno al Sole, che si muove attraverso la galassia in una diversa direzione di movimento. La distanza di ciascun pianeta dal Sole determina la quantità di radiazione ed energia complessiva 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)
Questa mappa illustrata del nostro superammasso locale, il superammasso della Vergine, copre più di 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 overdense ci attraggono gravitazionalmente, mentre le regioni di densità inferiore alla media ci respingono effettivamente rispetto all’attrazione cosmica media. ( Credito : Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons)
Ciò dovrebbe essere dovuto alle 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 repellente del dipolo, illustrata qui, è stata scoperta solo di recente e potrebbe spiegare il moto peculiare del nostro Gruppo Locale rispetto agli altri oggetti dell’Universo. ( Credito : Y. Hoffman et al., Nature Astronomy, 2017)
I movimenti delle galassie vicine supportano costantemente questa immagine.
I movimenti delle galassie vicine e degli ammassi di galassie (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) derivano da differenze gravitazionali molto piccole nell’Universo primordiale. Nelle vicinanze delle regioni più overdense, 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, traccianti di movimento più distanti sono in conflitto con esso.
Su scale più grandi del nostro superammasso locale, o più grandi di poche centinaia di milioni di anni luce, non vediamo più differenze in varie direzioni che corrispondono al nostro movimento atteso e misurato attraverso l’Universo. Invece, gli effetti osservati sono incoerenti, sia con le misurazioni dell’Universo locale che tra loro in molti casi. ( Credito : Andrew Z. Colvin e Zeryphex/Astronom5109; Wikimedia Commons)
Le misurazioni della temperatura CMB del satellite Planck su piccole scale angolari possono rivelare miglioramenti o soppressione della temperatura di decine di microkelvin indotti dai movimenti degli oggetti: l’effetto cinetico di Sunyaev-Zel’dovich. Dagli ammassi di galassie, vedono un effetto coerente con 0, ed è sostanzialmente più debole di quanto ci si aspetterebbe dal nostro movimento dedotto attraverso l’Universo. ( Credito : Simulazioni Websky)
Il gigantesco ammasso di galassie, Abell 2029, ospita la galassia IC 1101 al suo interno. 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 in assoluto. Un’indagine della galassia più luminosa all’interno di tutti gli ammassi di Abell rivela un movimento cosmico incoerente con il dipolo CMB. ( Credito : Digitalized Sky Survey 2; NASA)
La differenza dedotta nei movimenti da una varietà di proprietà degli ammassi di galassie in diverse direzioni nel cielo, inclusi i raggi X, la galassia a grappolo più luminosa e gli effetti di Sunyaev-Zel’dovich. ( Credito : K. Migkas et al., A&A, 2021)
Le mappe di tutto il cielo delle galassie rivelano che ci sono più galassie trovate alle stesse soglie di luminosità/distanza in una direzione rispetto all’altra. Questo cosiddetto effetto razzo ha un’ampiezza prevista dal dipolo visto nel CMB, ma ciò che viene osservato è più del doppio dell’effetto previsto. ( Credito : T. Jarrett (IPAC/Caltech))
Quando l’intero cielo è visto in una varietà di lunghezze d’onda, vengono rivelate alcune sorgenti 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. ( Credito : consorzi ESA, HFI e LFI; mappa CO da T. Dame et al., 2001)
Con il suo rilevamento a infrarossi per tutto il cielo, il Wide-field Infrared Survey Explorer, o WISE, ha identificato milioni di quasar candidati, 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 elevati (e l’opposto con conteggi inferiori) di quanto ci si aspetta da una quantità molto maggiore di quanto i nostri movimenti osservati ci portino ad aspettarci . ( Credito : NASA/JPL-Caltech/UCLA)
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