L’universo potrebbe essere una gigantesca ciambella tridimensionale

Immaginiamo un universo dove puntare un’astronave che da una direzione torni al punto di partenza. Se il nostro universo fosse una ciambella finita, allora tali movimenti sarebbero possibili e i fisici potrebbero potenzialmente misurarne le dimensioni.

“Potremmo dire: ora conosciamo le dimensioni dell’universo”

L’astrofisico Paul Sutter ha rilevato che Il nostro universo

L’astrofisico Thomas Buchert, esaminando la luce dell’universo primordiale, ha dedotto che il nostro cosmo può essere multiplo connesso, il che significa che lo spazio è chiuso su se stesso in tutte e tre le dimensioni come una ciambella tridimensionale.

Un tale universo sarebbe finito e, secondo i risultati, il nostro intero cosmo potrebbe essere solo circa tre o quattro volte più grande dei limiti dell’universo osservabile, a circa 45 miliardi di anni luce di distanza.

I fisici usano il linguaggio della relatività generale di Einstein per spiegare l’universo

Tale linguaggio collega i contenuti dello spaziotempo alla flessione e alla deformazione dello spaziotempo, che poi dice a quei contenuti come interagire.

È così che sperimentiamo la forza di gravità. In un contesto cosmologico, quel linguaggio collega i contenuti dell’intero universo – materia oscura, energia oscura, materia regolare, radiazione e tutto il resto – alla sua forma geometrica complessiva.

Per decenni, gli astronomi hanno discusso sulla natura di quella forma: se il nostro universo è “piatto”, nel senso che le linee parallele immaginarie rimarrebbero parallele per sempre, “chiuso” (le linee parallele alla fine si intersecherebbero) o “aperto” (quelle linee divergerebbero).

La geometria dell’universo detta il suo destino

La geometria dell’universo detta il suo destino. Gli universi piatti e aperti continuerebbero ad espandersi per sempre, mentre un universo chiuso finirebbe per collassare su se stesso.

Molteplici osservazioni, in particolare dal fondo cosmico a microonde, il lampo di luce rilasciato quando il nostro universo aveva solo 380.000 anni, hanno stabilito fermamente che viviamo in un universo piatto. Le linee parallele rimangono parallele e il nostro universo continuerà ad espandersi.

Ma c’è di più da modellare oltre alla geometria. C’è anche la topologia, che è il modo in cui le forme possono cambiare mantenendo le stesse regole geometriche.

Gli esempi spiegano più delle teorie

Ad esempio, prendiamo un pezzo di carta piatto. È ovviamente piatto: le linee parallele rimangono parallele. Ora prendiamo due lembi di quella carta e arrotoliamola in un cilindro.

Quelle linee parallele sono ancora parallele: i cilindri sono geometricamente piatti. Ora, prendi le estremità opposte della carta cilindrica e collegale. Ciò rende la forma di una ciambella, che è anche geometricamente piatta.

Mentre le nostre misurazioni del contenuto e della forma dell’universo ci dicono la sua geometria – piatta – non ci parlano della topologia. Non ci dicono se il nostro universo è multiconnesso, il che significa che una o più dimensioni del nostro cosmo si riconnettono tra loro.

Mentre un universo perfettamente piatto si estenderebbe all’infinito, un universo piatto con una topologia multi-connessa avrebbe dimensioni finite. Se potessimo in qualche modo determinare se una o più dimensioni sono avvolte in se stesse, allora sapremmo che l’universo è finito in quella dimensione. Potremmo quindi usare quelle osservazioni per misurare il volume totale dell’universo.

Ma come si rivelerebbe un universo multiconnesso?

Un team di astrofisici dell’Università di Ulm in Germania e dell’Università di Lione in Francia ha esaminato il fondo cosmico a microonde (CMB). Quando è stato rilasciato il CMB, il nostro universo era un milione di volte più piccolo di quello che è oggi, e quindi se il nostro universo è davvero multiconnesso, allora era molto più probabile che si avvolgesse su se stesso entro i limiti osservabili del cosmo di allora.

Oggi, a causa dell’espansione dell’universo, è molto più probabile che l’avvolgimento avvenga su una scala oltre i limiti osservabili, e quindi l’avvolgimento sarebbe molto più difficile da rilevare. Le osservazioni della CMB ci danno la nostra migliore possibilità di vedere le impronte di un universo multiformemente connesso.

Il team ha esaminato specificamente le perturbazioni – il termine fisico fantasioso per dossi e oscillazioni – nella temperatura del CMB. Se una o più dimensioni nel nostro universo dovessero riconnettersi con se stesse, le perturbazioni non potrebbero essere più grandi della distanza attorno a quei circuiti. Semplicemente non si adatterebbero.

Come ha spiegato Buchert a Live Science in una e-mail, “In uno spazio infinito, le perturbazioni nella temperatura della radiazione CMB esistono su tutte le scale. Se, tuttavia, lo spazio è finito, allora mancano quelle lunghezze d’onda che sono più grandi della dimensione dello spazio”.

Semplicemente, ci sarebbe una dimensione massima alle perturbazioni, che potrebbe rivelare la topologia dell’universo.

Le mappe della CMB realizzate con satelliti come il WMAP della NASA e Planck dell’ESA hanno già visto un’interessante quantità di perturbazioni mancanti su larga scala. Buchert e i suoi collaboratori hanno esaminato se quelle perturbazioni mancanti potessero essere dovute a un universo multiconnesso.

Per fare ciò, il team ha eseguito molte simulazioni al computer di come sarebbe la CMB se l’universo fosse un toro, che è il nome matematico di una gigantesca ciambella tridimensionale, dove il nostro cosmo è connesso a se stesso in tutte e tre le dimensioni.

Simulazioni in una data topologia

“Dobbiamo quindi eseguire simulazioni in una data topologia e confrontarle con ciò che si osserva“, ha spiegato Buchert. “Le proprietà delle fluttuazioni osservate del CMB mostrano quindi un ‘potere mancante’ su scale oltre le dimensioni dell’universo“.

Una potenza mancante significa che le fluttuazioni nel CMB non sono presenti a quelle scale. Ciò implicherebbe che il nostro universo è multi-connesso e finito su quella scala di dimensioni.

“Troviamo una corrispondenza molto migliore con le fluttuazioni osservate, rispetto al modello cosmologico standard che si pensa sia infinito“, ha aggiunto.

“Possiamo variare le dimensioni dello spazio e ripetere questa analisi. Il risultato è una dimensione ottimale dell’universo che corrisponde al meglio alle osservazioni della CMB. La risposta del nostro articolo è chiaramente che l’universo finito corrisponde alle osservazioni meglio del modello infinito. Potremmo dire: ora conosciamo le dimensioni dell’universo“.

Il team ha scoperto che un universo multiconnesso circa tre o quattro volte più grande della nostra bolla osservabile corrisponde meglio ai dati CMB. Sebbene questo risultato tecnicamente significhi che potremmo viaggiare in una direzione e tornare al punto di partenza, in realtà non saremmo in grado di realizzarlo.

Viviamo in un universo in espansione e su larga scala l’universo si sta espandendo a una velocità superiore a quella della luce, quindi non potresti mai raggiungere e completare il giro.

Viviamo in una ciambella gigante

Buchert ha sottolineato che i risultati sono ancora preliminari. Gli effetti strumentali potrebbero anche spiegare le fluttuazioni mancanti su larga scala.

Tuttavia, è divertente immaginare di vivere sulla superficie di una ciambella gigante.