Una mappa dell’universo non solo per lillipuziani

New map of Universe may reconcile conflicting cosmological observations

(Crediti: Fleury, et al. ©2013 American Physical Society).

Brobdingnag è una terra immaginaria, presente nel romanzo I viaggi di Gulliver di Jonathan Swift, i cui abitanti sono alti circa 22 m; la loro esperienza del mondo è certamente diversa da quella dei Lillipuziani, veri e propri uomini in miniatura. Un gruppo di ricercatori dell’Institut d’Astrophysique de Paris (CNRS) e dell’Institut de Physique Théorique (CEA), ha utilizzato questa contrapposizione per spiegare il disaccordi odierno in merito alle teorie cosmologiche. Dal momento che l’Universo esiste in differenti scale, è possibile mapparlo a differenti risoluzioni. E queste differenti risoluzioni sono governate dai risultati dei nostri esperimenti. 

Solo per averne un’idea si può osservare il grafico in apertura. Esso mostra le aree di confidenza per la costante di Hubble (h) ed il parametro di densità di materia (Ωm) ottenuto dall’esperimento Planck da un lato (i contorni neri) e, dall’altro, dal diagramma di Hubble (aree colorate). L’area verde, ottenuta interpretando il diagramma di Hubble usando un modello molto disomogeneo, è chiaramente in accordo con Planck rispetto alla zona blu, ottenuta con l’interpretazione standard governata dalla geometria di Friedmann-Lemaître. Vediamo di capire meglio di cosa si sta parlando.

Su queste basi, un team di fisici coordinati da Pierre Fleury, ha proposto l’utilizzo di una mappa o modello alternativo per interpretare il diagramma di Hubble, che si basa sulle osservazioni di supernova e produce risultati più vicini a quelli ottenuti a bassa risoluzione, basati sulla radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB). L’articolo si intitola Can All Cosmological Observations Be Accurately Interpreted with a Unique Geometry? ed è stato pubblicato sulla rivista  Physical Review Letters:  DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.09130.

Questo lavoro evidenzia un modello costruito in dipendenza dall’interpretazione di alcune osservazioni cosmologiche, mostrando esplicitamente l’impatto sulla disomogeneità su piccola scala del nostro Universo. “Così, potremmo aver bisogno di affinare il nostro modello cosmologico standard al fine di interpretare in modo coerente tutte le attuali osservazioni ad alta precisione insieme”, ha precisato Pierre Fleury. Gli scienziati stavano affrontando un problema generato da una recente analisi dei risultati dell’esperimento di Planck. Due aree che l’esperimento di Planck sta indagando sono la densità media della materia nell’Universo e la velocità con cui le galassie si allontanano a causa dell’espansione dell’Universo. Queste aree vengono misurate, rispettivamente, dal parametro della densità di materia e dal parametro di Hubble. Conoscendo i valori precisi di questi parametri sarà possibile comprendere meglio la composizione e il destino dell’Universo.

Ma c’è un problema. Il diagramma di Hubble e la CMB producono risultati leggermente differenti. Questo significa che i valori del parametro di densità della materia e del parametro di Hubble non possono essere entrambi corretti. Attualmente, entrambi gli esperimenti sulla supernova utilizzati per costruire il diagramma di Hubble e i dati della CMB vengono interpretati utilizzando la stessa “mappa”, la geometria di Friedmann-Lemaître (FL) che descrive l’Universo come omogeneo e isotropo, in stretta conformità con il principio cosmologico. Ma il gruppo di ricercatori si è chiesto se la geometria FL è uno strumento troppo semplice per interpretare con precisione le osservazioni sulle supernovae.

Notando che lo studio delle supernovae coinvolgono fasci di luce con una dimensione angolare molto più piccola del fascio luminoso coinvolti dagli esperimenti sulla CMB, i fisici hanno indagato che cosa accadrebbe se si interpretassero le osservazioni sulle supernovae utilizzando un modello che descrive l’Universo come un clumpier. Così i fisici si sono rivolti a un modello proposto da Einstein e Straus nel 1945 chiamato Swiss-cheese model. In questo modello, raggruppamenti di materia (come le galassie, ad esempio), ciascuna situata al centro di un vuoto sferico, sono incorporati in uno spazio-tempo omogeneo, la geometria di Friedmann-Lemaître. Rispetto ad un Universo strettamente omogeneo, il modello Swiss-cheese è caratterizzato da regioni di “vuoto” nella FL che, di per sé, è priva di spazi vuoti. Dall’altra estremità dello spettro si dà il caso in cui la materia si manifesta esclusivamente sotto forma di grumi all’interno dei “vuoti”. Interpretare le supernovae con questo modello genera risultati differenti a causa della disomogeneità della distribuzione della materia che provoca l’effetto della lente gravitazionale. Poiché la luce viaggia dalle supernovae alla Terra e raramente attraversa gruppi di materia, sperimenta un universo “differente”, un universo underdense: la luce a noi appare sfocata e le supernovae più deboli rispetto al caso in cui la luce viaggiasse attraverso un Universo strettamente omogeneo.

I calcoli dei fisici hanno mostrato la compatibilità con il parametro della densità della materia e con la CMB, ma non con il parametro di Hubble.  “Alla fine un unico parametro non può essere sufficiente per descrivere tutte le osservazioni cosmologiche, come i Lillipuziani e gli abitanti di Brobdingnag non possono utilizzare una mappa con la stessa risoluzione per viaggiare. Un modello cosmologico migliore probabilmente necessita di un atlante con mappe contenenti le varie scale determinate dalle osservazioni effettuate. Altre osservazioni, come l’effetto lensing, possono contribuire a caratterizzare la distribuzione e la geometria dei vuoti al fine di costruire un modello geometrico migliore. per la prima volta, la geometria FL, lo sfondo standard, può mostrare un suo limite per interpretare i dati cosmologici con la precisione di cui ci sarebbe bisogno”, commenta Pierre Fleury.

Lo studioso conclude in questi termini: “i nostri piani futuri in questo settore sono duplici. Da un lato, cerchiamo di costruire modelli per la geometria dello spazio-tempo dell’Universo che sarebbero più realistici rispetto al semplice modello Swiss-cheese con cui abbiamo iniziato. Dall’altro, noi siamo interessati a utilizzare altri tipi di osservazioni, per esempio la lente gravitazionale debole, che sarebbe in grado di distinguere tra il modello standard della cosmologia e quelli alternativi”. (Fonte: http://phys.org/news/2013-09-universe-conflicting-cosmological.html. Pubblicato originariamente su cyberscienza.it il 12/09/2013).

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