Misurando gli spazi più vuoti dell’universo, gli scienziati possono studiare come la materia si aggreghi e quanto velocemente si separi.
Di Lyndie Chiou (Quanta Magazine, 25 luglio 2023)
Come una città luminosa nel mezzo di un deserto arido, il nostro quartiere galattico è avvolto dal vuoto cosmico, un’enorme sacca di spazio quasi insondabilmente vuota. Recentemente, i rilevamenti del cielo hanno individuato altre migliaia di queste bolle vuote. Ora i ricercatori hanno trovato un modo per estrarre informazioni da questi vuoti cosmici: contando quanti ne esistono in un volume di spazio, gli scienziati hanno ideato un nuovo modo per cercare di rispondere a due delle domande più spinose della cosmologia.
“È la prima volta che usiamo il numero dei vuoti per estrarre informazioni cosmologiche”, ha dichiarato Alice Pisani, cosmologa dell’Università di Princeton e del Flatiron Institute e autrice di un nuovo preprint che descrive il lavoro. “Se vogliamo spingere i confini della scienza, dobbiamo andare oltre ciò che è già stato fatto”.
I ricercatori sono alla ricerca di nuovi strumenti anche perché hanno alcuni grandi misteri da risolvere. Il primo, e il più sconcertante, è la velocità di espansione dell’universo, un valore noto come costante di Hubble. Per oltre un decennio, gli scienziati hanno lottato per conciliare misurazioni contrastanti di questa velocità, tanto che alcuni hanno definito il problema la più grande crisi della cosmologia.
Inoltre, i ricercatori dispongono di misure contrastanti dell’aggregazione della materia cosmica – la densità media delle strutture su larga scala, della materia oscura, delle galassie, del gas e dei vuoti distribuiti nell’universo in funzione del tempo.
In genere, gli astronomi misurano questi valori in due modi complementari. Curiosamente, questi due metodi producono valori diversi sia per la costante di Hubble sia per la cosiddetta forza di aggrgazione della materia.
Nel loro nuovo approccio, Pisani e i suoi colleghi utilizzano i vuoti cosmici per stimare entrambi i valori. I loro primi risultati, che sembrano concordare molto di più con uno dei due metodi tradizionali che con l’altro, stanno ora contribuendo ad accrescere un disaccordo già molto forte.
“La tensione di Hubble è durata finora un decennio perché è un problema difficile”, ha detto Adam Riess, un astronomo della Johns Hopkins University che utilizza le supernove per stimare la costante di Hubble. “I problemi più ovvi sono stati controllati e i dati sono migliorati, quindi il dilemma si infittisce”.
Ora la speranza è che lo studio del quasi nulla possa portare a qualcosa di importante.
Costruire bolle
I vuoti sono regioni dello spazio meno dense dell’universo, in media. I loro confini sono definiti dagli immensi fogli e filamenti di galassie che si intrecciano nel cosmo. Alcuni vuoti si estendono per centinaia di milioni di anni luce e, insieme, queste bolle costituiscono almeno l’80% del volume dell’universo. Per molto tempo, però, nessuno ha prestato loro molta attenzione. “Ho iniziato la mia ricerca nel 2011 con circa 200 vuoti”, ha detto Pisani. “Ma ora ne abbiamo circa 6.000”.
Le bolle tendono a espandersi perché al loro interno non c’è molta materia che eserciti un’attrazione gravitazionale verso l’interno. La materia al di fuori di esse tende a rimanere lontana. Le galassie che nascono all’interno di un vuoto vengono trascinate verso l’esterno dall’attrazione gravitazionale delle strutture che definiscono il bordo del vuoto. Per questo motivo, in un vuoto “succede ben poco”, ha detto Pisani. “Non ci sono fusioni, né astrofisica complicata. Questo li rende molto facili da gestire”.
Ma la forma di ogni vuoto è diversa, il che può rendere difficile l’identificazione da parte degli scienziati. “Vogliamo assicurarci che i nostri vuoti siano robusti”, ha detto Pisani. “Quanto deve essere vuoto e come lo misuro?”.
È emerso che la definizione di “nulla” dipende dal tipo di informazione che gli astronomi vogliono estrarre. Pisani e colleghi hanno iniziato con uno strumento matematico chiamato diagramma di Voronoi, che identifica le forme che compongono un mosaico 3D. Questi diagrammi sono tipicamente usati per studiare cose come le bolle nelle schiume e le cellule nei tessuti biologici.
Nel lavoro attuale, Pisani e i suoi colleghi hanno adattato le loro tassellazioni di Voronoi per identificare circa 6.000 vuoti nei dati di un enorme progetto di mappatura galattica chiamato Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS).
“I vuoti sono complementari al catalogo delle galassie”, ha dichiarato Benjamin Wandelt, astrofisico dell’Università Sorbona di Parigi non coinvolto nello studio. “Sono un nuovo modo per sondare la struttura cosmica”.
Una volta ottenuta la mappa dei vuoti, Pisani e colleghi hanno cercato di capire cosa potesse rivelare sull’universo in espansione.
Qualcosa dal nulla
Ogni vuoto cosmico è una finestra su un grande conflitto cosmico. Da una parte c’è l’energia oscura, la misteriosa forza che fa espandere sempre più rapidamente il nostro universo. L’energia oscura è presente anche nello spazio vuoto, quindi domina la fisica del vuoto. Dall’altra parte del conflitto c’è la gravità, che tenta di riunire il vuoto. E poi l’aggregazione della materia aggiunge rughe ai vuoti.
Pisani e i suoi colleghi, tra cui Sofia Contarini dell’Università di Bologna, hanno modellato come l’espansione dell’universo avrebbe influenzato il numero di vuoti di diverse dimensioni. Nel loro modello, che ha mantenuto costanti una serie di altri parametri cosmologici, un tasso di espansione più lento ha prodotto una maggiore densità di vuoti più piccoli e più accartocciati. D’altra parte, se l’espansione fosse stata più rapida e la materia non si fosse ammassata così facilmente, si sarebbe dovuto trovare un maggior numero di vuoti grandi e lisci.
Il gruppo ha poi confrontato le previsioni del modello con le osservazioni della survey BOSS. In questo modo sono stati in grado di stimare sia la clumpiness che la costante di Hubble.
Hanno quindi confrontato le loro misurazioni con i due metodi tradizionali di misurazione di questi valori. Il primo metodo utilizza un tipo di esplosione cosmica chiamata supernova di tipo Ia. Il secondo si basa sul fondo cosmico a microonde (CMB), la radiazione lasciata dal Big Bang.
I dati del vuoto hanno rivelato una costante di Hubble che varia di meno dell’1% rispetto alla stima della CMB. I risultati relativi alla clumpiness erano più confusi, ma si allineavano anche più strettamente con la CMB che con le supernove di tipo Ia.
Perplessità: i vuoti dell’indagine BOSS sono più vicini nello spazio e nel tempo alle supernove di tipo Ia più recenti, il che rende un po’ sorprendente il fatto che le misurazioni dei vuoti si allineino più strettamente alla CMB primordiale. Wandelt, tuttavia, ha suggerito che i risultati potrebbero rivelare una nuova comprensione dell’universo.
“C’è un’intuizione profonda che mi fa rizzare i capelli”, ha detto. All’interno dei vuoti, le strutture non si sono mai formate ed evolute, quindi i vuoti “sono capsule del tempo dell’universo primordiale”.
In altre parole, se la fisica dell’universo primordiale era diversa da quella attuale, i vuoti potrebbero averla conservata.
Il futuro dell’assenza
Altri ritengono che sia troppo presto per trarre conclusioni dai nuovi risultati.
Anche con migliaia di vuoti, le barre di errore dello studio sono ancora troppo grandi per poter dire qualcosa di conclusivo. “Questa analisi è estremamente ben fatta”, ha dichiarato Ruth Durrer, fisico teorico dell’Università di Ginevra che non ha partecipato alla ricerca. Ma, ha osservato Durrer, i risultati non hanno ancora raggiunto la significatività statistica. “Se Alice vuole entrare nel club delle misurazioni incredibilmente buone della costante di Hubble, deve arrivare al limite dell’1%, il che rappresenta una sfida enorme”, ha detto Durrer.
Pisani ha detto di considerare il lavoro come una prova di concetto. Probabilmente ci vorrà un altro decennio – e l’aiuto di missioni future come il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA e l’osservatorio SPHEREx – per accumulare abbastanza dati sul vuoto da essere alla pari con le misure della CMB e delle supernove di tipo Ia.
Durrer sottolinea anche che forse queste argomentazioni – i tentativi di conciliare le tensioni cosmiche – sono un gran parlare di nulla e che i disaccordi osservativi potrebbero indicare una realtà che gli scienziati non dovrebbero cercare di cancellare.
“I gruppi che si occupano di supernove e di CMB stanno effettuando misurazioni molto, molto diverse”, ha detto. “Quindi potrebbe esserci una nuova fisica che spiega perché non dovremmo vedere la stessa cosa”.
Articolo originale: https://www.quantamagazine.org/how-nearly-nothing-might-solve-cosmologys-biggest-questions-20230725/