Planck e l’Universo: nuove conferme e vecchie teorie

Se chiedessimo a qualcuno, di medio-buona cultura, cosa sa dell’universo, sicuramente tra le prime affermazioni ci sarebbe la nozione dell’espansione con affianco l’esempio “classico” del palloncino che viene gonfiato.

questa immagine raffigura il classico esempio addotto per spiegare l'espansione dell'universo e la totale assenza di punti e direzioni privilegiati.
questa immagine raffigura il classico esempio addotto per spiegare l’espansione dell’universo e la totale assenza di punti e direzioni privilegiati.

Questa teoria veniva inserita solitamente già nei libri di scienza delle scuole medie, anche se difficilmente si arrivava a trattarla, ed è comunque utilizzata nelle pagine introduttive di ogni atlante, sia geografico che astronomico, ergo è davvero alla portata di chiunque; c’è però da dire che, per quanto sia consolidata e largamente accettata, questa rimane pur sempre una teoria e necessita, conseguentemente, di essere verificata di volta in volta; o per lo meno era così fino a poco tempo fa; infatti alcuni studi in merito sembrano poter addurre prove solide a favore di questa, rendendola quindi un dato di fatto.

Per capire la rilevanza dell’ avvenimento, inoltriamoci nella storia che questa teoria si porta appresso e scopriamo quali passi sono stati fatti e come, per tentare di giungere a qualcosa di più fondato.

UN INIZIO “IMMOBILE”

Schema esemplificativo del sistema Tolemaico e dei suoi moti.
Schema esemplificativo del sistema Tolemaico e dei suoi moti.

Tutto ebbe inizio agli albori della scienza che oggi chiamiamo astronomia; era di fatti l’anno 1543 quando Niccolò Copernico affermò che la Terra non si trova al centro dell’Universo e mise in evidenza il fatto che il nostro pianeta orbita attorno al Sole e non viceversa. Ciò causò la nascita del principio Copernicano secondo cui non esiste una posizione speciale nel nostro Universo (Conclusione a cui stranamente giunge poco più tardi, per altre vie, anche il filosofo Giordano Bruno). Ma all’epoca era vigente, “ben consolidata” e sicuramente affermata, un’altra “dottrina”: quella Tolemaica (qui non la chiameremo “Tolemaico-Aristotelica” perché Aristotele era ben consapevole e persuaso che tutto doveva muoversi intorno all’oggetto più grosso, che per lui era sicuramente il Sole!) che vedeva la Terra fissa al centro dell’universo con tutto il resto che le ruotava attorno (teoria ancora in voga tra i terrapiattisti, e questo la dice lunga sulle capacità di certi individui!)

Iniziò così, con tutto quello che ne conseguì in quei periodi, nel bene e nel male, il percorso di “vita” del concetto moderno di Cosmo, e agli albori del XX secolo, con l’avvento della relatività generale e la scoperta dell’espansione dell’Universo in tutte le direzioni, quell’idea si sviluppò in quello che oggi chiamiamo principio cosmologico secondo cui l’Universo appare uguale in tutte le direzioni, definito dagli studiosi come “omogeneo ed isotropo”.
Si tratta di una ipotesi solida che ben si presta alle descrizioni fornite da ulteriori teorie formulate nello stesso ambito, e da allora ogni modello cosmologico, che tenta di spiegare l’origine e l’espansione dell’Universo, è stato basato assumendo che questo fosse davvero isotropo.

qui viene mostrata un'anomalia nella radiazione di fondo che nostra, su scala via via più vasta, uno schema di distribuzione non omogeneo ed un momento di quadripolo, distribuiti su un asse, detto "asse del male" o "asse del diavolo". Questa dissimmetria comunque non è indice di una qualche rotazione o direzione privilegiata del segnale.
qui viene mostrata un’anomalia nella radiazione di fondo che nostra, su scala via via più vasta, uno schema di distribuzione non omogeneo ed un momento di quadripolo, distribuiti su un asse, detto “asse del male” o “asse del diavolo”.
Questa dissimmetria comunque non è indice di una qualche rotazione o direzione privilegiata del segnale.

Ma negli ultimi dieci anni, alcuni fatti hanno messo in dubbio questa idea. Il più immediato è legato all’esistenza stessa della materia: la sua distribuzione nello spazio. Quando cioè si considerano scale molto piccole, si trova che la materia non è distribuita in modo uniforme. Ad esempio, i sistemi stellari, le galassie e gli ammassi di galassie sono sparsi nello spazio cosmico formando agglomerati di materia che, secondo alcuni scienziati, potrebbero essere indice della presenza di qualche tipo di forza la cui azione abbia obbligato queste strutture in determinate posizioni. Si tratterebbe di fluttuazioni quantistiche generate ed alimentate dalla repentina espansione (Inflazione) cosmica che a loro volta avrebbero dato luogo ad immense onde di densità nella materia cosmica che infine generarono i siti atti ad ospitare ammassi galattici, galassie, ammassi stellari e stelle.

Ora, il modello standard della cosmologia si basa sull’assunzione che queste variazioni di densità sono significative su scale molto piccole, mentre si possono considerare trascurabili su scale più grandi. Ma che succede se l’Universo ha la struttura di un cristallo di diamante e presenti una direzione privilegiata, intrinseca alla sua intera struttura, sfuggita ai nostri rilevamenti? Questo dubbio sorse quando il satellite della NASA WMAP rivelò strane anomalie nella radiazione cosmica di fondo che poi nessuno è stato in grado di spiegare. Infatti, esiste una regione nel nostro Universo che sta creando qualche problema agli scienziati al punto che è stata letteralmente definita “asse del diavolo”, anche se molti la considerano una pura fluttuazione statistica. Si parla inoltre di una regione del cosmo che appare molto più fredda rispetto alle zone limitrofe, sita nella costellazione dell’Eridano, e questo ha dato adito alla formulazione di diverse teorie per spiegarla, tra cui quella del Grande Vuoto oppure quella dell’entanglement quantistico con un universo parallelo.

L'immagine mostra una distribuzione asimmetrica delle temperature fra l'emisfero nord e sud della nostra galassia; e nel cerchio bianco è evidenziato il "supervuoto" termico.
L’immagine mostra una distribuzione asimmetrica delle temperature fra l’emisfero nord e sud della nostra galassia; e nel cerchio bianco è evidenziato il “supervuoto” termico.

Perciò, per scoprire una volta per tutte quale scenario descriva meglio la realtà, un gruppo di cosmologi della University College di Londra ha deciso di analizzare la luce più antica che siamo in grado di osservare: stiamo parlando della radiazione cosmica di fondo, la “eco” del Big Bang. Ma anziché cercare delle anomalie nella radiazione cosmica, i ricercatori hanno tentato di trovare eventuali tracce indicanti la presenza di una direzione privilegiata dell’espansione cosmica.

IL LAVORO DI PLANCK

Gli autori di questo studio hanno utilizzato i dati della radiazione cosmica ricavati dal satellite Planck dell’ESA tra il 2009 e il 2013. Inoltre, grazie alla recente pubblicazione dei dati relativi alla polarizzazione della radiazione cosmica, è stato possibile ottenere, per la prima volta, una visione complementare dello stato fisico dell’Universo primordiale elaborato dagli stessi autori del presente studio.

Il telescopio Planck dell' ESA -immagine dell'ESA
Il telescopio Planck dell’ ESA
-immagine dell’ESA

Da Wikipedia sappiamo che Planck Surveyor (questo è il suo nome completo) è la terza missione di medie dimensioni del programma dell’Agenzia Spaziale Europea Horizon 2000 Scientific Programme. È progettato per acquisire un’immagine delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo (CMB, acronimo inglese per cosmic microwave background radiation). Questa radiazione avvolge l’intero cielo e la missione ne ha realizzato una immagine con la massima precisione angolare e sensibilità mai ottenuta, fornendo un accurato ritratto dell’Universo a 380.000 anni dal Big Bang. Planck diventerà la fonte primaria di informazioni astronomiche per testare le teorie sulla formazione dell’Universo e sulla formazione della sua attuale struttura.

Alcune riprese del cielo, con al centro la Via Lattea, fatte da Planck su varie frequenze.
Alcune riprese del cielo, con al centro la Via Lattea, fatte da Planck su varie frequenze.

Gli strumenti di bordo, un array per basse frequenze denominato LFI (Low Frequency Instrument) ed un altro perle frequenze alte detto HFI (High Frequency Instrument) saranno raffreddati in parte a una temperatura di 20 K (circa 252 °C sotto zero). La radiazione da misurare è equivalente a quella di un Corpo nero (un emettitore ideale di radiazione elettromagnetica) a una temperatura di 2,7 K (circa 270 °C sotto zero) ma si è deciso di non raffreddare il telescopio a tale temperature per problemi tecnologici. La necessità di raffreddare lo strumento nasce dal fatto che tutti i corpi emettono radiazione elettromagnetica, in misura e con caratteristiche dipendenti dalla loro temperatura. A temperature troppo alte perciò la radiazione elettromagnetica emessa dallo strumento abbaglierebbe lo strumento stesso.

 

Nella figura, i grafici mostrano il paragone tra le distribuzioni di materia ordinaria, materia oscura ed energia oscura, rilevate prima e dopo le misurazioni di Planck.
Nella figura, i grafici mostrano il paragone tra le distribuzioni di materia ordinaria, materia oscura ed energia oscura, rilevate prima e dopo le misurazioni di Planck.

Il lavoro degli astronomi si è incentrato sul costruire modelli cosmologici che riproducessero diversi scenari di espansione e rotazione dello spazio, includendo anche l’informazione relativa alla polarizzazione. Successivamente, questi modelli sono stati messi a confronto con i dati reali della mappa del cielo ottenuta da Planck, in modo da riscontrare in essa segnali peculiari riconducibili a scenari cosmologici diversi da quello standard.

 

Alla fine gli studiosi hanno concluso che non esiste alcuna evidenza di particolari segnali riconducibili a questa ipotesi di anisotropia e quindi ritengono alquanto buona assunzione secondo cui l’Universo risulta isotropo su larga scala. «Quindi, il nostro lavoro rappresenta, finora, la migliore evidenza a favore dell’ipotesi che l’Universo sia uniforme in tutte le direzioni» dice l’autrice dello studio, citata nell’articolo apparso su MediaINAF.

L’immagine mostra un confronto tra la distribuzione della radiazione di fondo osservata da Planck, e la stessa distribuzione ipotizzata in presenza di direzioni privilegiate e possibili rotazioni del cosmo stesso.
L’immagine mostra un confronto tra la distribuzione della radiazione di fondo osservata da Planck, e la stessa distribuzione ipotizzata in presenza di direzioni privilegiate e possibili rotazioni del cosmo stesso.

Un universo così formato permette l’applicazione di modelli fisici generali indipendentemente da dove lo si osservi, e quindi agevola la formulazione di nuove teorie atte a spiegarne i meccanismi intrinseci, tenendo conto ovviamente delle particolarità locali.
Possiamo vedere dunque questa notizia come un invito del nostro universo a studiarlo, dato che da parte sua ci fornisce tali agevolazioni. E anche se non siamo studiosi, vale la pena approfondire la nostra conoscenza intorno ad esso perché al momento è l’unico che conosciamo e possiamo osservare direttamente, e soprattutto è l’unico in cui sia nata la vita come la conosciamo oggi, quindi l’unico in cui possiamo indagare sulla nascita e lo sviluppo di questa.

 

 

Fonti:
MediaINAF: fonte della notizia;
Wikipedia: fonte dei dati tecnici;
ESA: fonte di alcune immagini.


Giovanni

Sono alto nella media; sono robusto nella media; sono bello nella media; sono intelligente spropositatamente. Detto questo devo rendere noto solo che adoro la fantascienza in tutte le sue forme; gioco frequentemente on line al vecchio (immortale) Jedi Knight: Jedi Academy e mi diletto leggendo manga che considero 'di un certo livello'. Ho studiato fisica, perché mi hanno sempre incuriosito i meccanismi che regolano la realtà intorno a noi, ma l'oggetto vero della mia passione sta milioni di chilometri sopra di noi, e si mostra appena solo di notte, il cosmo, coi suoi oggetti affascinanti e fenomeni terribilmente meravigliosi. Il resto è vita comune, poco accattivante.
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