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L’universo è fatto di frattali?

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Per decenni, i cosmologi si sono chiesti se la struttura su larga scala dell’universo sia un frattale, cioè se abbia ovunque lo stesso aspetto, non importa quanto sia grande la scala. Dopo aver completato massicce indagini sulle galassie, gli scienziati hanno finalmente una risposta: no, ma in un certo senso si.

All’inizio del XX secolo, gli astronomi – a cominciare da Edwin Hubble e dalla sua scoperta dell’enorme distanza da Andromeda, la galassia più vicina alla nostra Via Lattea – hanno iniziato a rendersi conto che l’universo è quasi inimmaginabilmente vasto. Hanno anche imparato che possiamo vedere galassie sia vicine che lontane. E così, naturalmente, è sorta una domanda: c’è qualche tipo di schema nella disposizione di quelle galassie, o è totalmente casuale?

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All’inizio sembrava casuale. Gli astronomi hanno visto enormi ammassi di galassie, ciascuno contenente un migliaio o più galassie. E c’erano anche gruppi molto più piccoli di galassie e galassie solitarie. Prese insieme, le osservazioni fanno sembrare che non ci fosse uno schema generale per il cosmo.

E agli astronomi andava bene. Avevano a lungo assunto un’idea chiamata principio cosmologico, cioè che l’universo è per lo più omogeneo (più o meno lo stesso da un luogo all’altro) e isotropo (più o meno lo stesso indipendentemente dalla direzione in cui guardi). Un mucchio di galassie e ammassi casuali si adattano perfettamente a quel principio.

Ma alla fine degli anni ’70, le indagini sulle galassie divennero abbastanza sofisticate da rivelare l’inizio di un modello nella disposizione delle galassie. Oltre agli ammassi, c’erano anche lunghi e sottili filamenti di galassie. C’erano muri larghi. E poi c’erano i vuoti: vaste distese di nulla. Gli astronomi l’hanno chiamata la rete cosmica. Questo modello violerebbe il principio cosmologico, perché significherebbe che grandi regioni dell’universo non assomigliano ad altre grandi regioni dell’universo.

Quindi forse c’era dell’altro da capire.

Un universo di frattali nell’universo

Una proposta è arrivata dal matematico Benoit Mandelbrot, il padre dei frattali. I frattali sono frustrantemente difficili da definire, ma possono essere abbastanza semplici da intuire: sono schemi che si ripetono indipendentemente da quanto ingrandisci o rimpicciolisci. Mandelbrot non ha inventato il concetto di frattali – i matematici studiavano modelli simili da secoli – ma ha coniato la parola “frattale” e ha inaugurato il nostro studio moderno del concetto.

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I frattali sono ovunque. Se ingrandisci la punta di un fiocco di neve, vedrai fiocchi di neve in miniatura. Se ingrandisci i rami di un albero, vedrai rami in miniatura. Se ingrandisci una linea costiera, vengono visualizzate linee costiere in miniatura. I frattali ci circondano nella natura e la matematica dei frattali ci ha permesso di comprendere un’ampia varietà di strutture auto-simili nell’universo.

Se i frattali sono ovunque, pensò Mandelbrot, forse l’intero universo è un frattale. Forse quello che abbiamo visto come il modello nella disposizione delle galassie era l’inizio del più grande frattale possibile. Forse se avessimo strumenti abbastanza sofisticati, troveremmo strutture di nidificazione: reti cosmiche all’interno di reti cosmiche, che riempiono l’intero universo all’infinito.

Man mano che gli astronomi hanno scoperto di più sulla rete cosmica, hanno imparato di più sulla storia del Big Bang e hanno escogitato modi per spiegare l’esistenza dei modelli su larga scala nell’universo. Quelle teorie predicevano che l’universo era ancora omogeneo, solo su scale molto, molto più grandi di quelle che gli astronomi avevano osservato in precedenza.

Il test definitivo di un universo frattale non sarebbe arrivato fino a questo secolo, quando studi ampissimi, come lo Sloan Digital Sky Survey, sono stati in grado di mappare le posizioni di milioni di galassie, dipingendo un ritratto della rete cosmica su scale mai osservate prima.

Se l’idea dell’universo frattale è vera, allora dovremmo vedere la nostra rete cosmica locale incorporata in una rete cosmica molto più grande. Se è sbagliata, a un certo punto, la rete cosmica dovrebbe smettere di essere una rete cosmica e un pezzo casuale abbastanza grande dell’universo dovrebbe apparire (statisticamente) come qualsiasi altro pezzo casuale.

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Il risultato è l’omogeneità, ma su una scala strabiliante. Devi salire fino a circa 300 milioni di anni luce prima che l’universo appaia omogeneo.

L’universo non è sicuramente un frattale, ma parti della rete cosmica hanno ancora interessanti proprietà di tipo frattale. Ad esempio, ammassi di materia oscura chiamati “aloni”, che ospitano galassie e i loro ammassi, formano strutture e sottostrutture annidate, con aloni che contengono aloni secondari e aloni secondari.

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Al contrario, i vuoti del nostro universo non sono del tutto vuoti. Contengono alcune deboli galassie nane e quelle poche galassie sono disposte in una versione sottile e debole della rete cosmica. Nelle simulazioni al computer, anche i sottovuoti all’interno di quella struttura contengono le proprie ragnatele cosmiche.

Quindi, mentre l’universo nel suo insieme non è un frattale – e l’idea di Mandelbrot non ha retto – possiamo ancora trovare frattali quasi ovunque guardiamo.

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