La direzione è qualcosa a cui noi umani siamo abbastanza abituati. Vivendo nel nostro amichevole ambiente terrestre, siamo abituati a vedere le cose in termini di su e giù, sinistra e destra, avanti o indietro. E per noi, il nostro quadro di riferimento è fisso e non cambia, a meno che non ci muoviamo o ci stiamo muovendo. Ma quando si tratta di cosmologia, le cose si fanno un po' più complicate.
Per molto tempo i cosmologi hanno creduto che l'universo fosse omogeneo e isotropo, cioè fondamentalmente lo stesso in tutte le direzioni. In questo senso, non esistono cose come 'su' o 'giù' quando si tratta di spazio, solo punti di riferimento che sono del tutto relativi. E grazie a un nuovo studio condotto da ricercatori dell'University College di Londra, questa visione si è dimostrata corretta.
Per il bene del loro studio, intitolato “ Quanto è isotropo l'Universo? “, il team di ricerca ha utilizzato i dati del sondaggio del Sfondo cosmico a microonde (CMB) – la radiazione termica lasciata dal Big Bang. Questi dati sono stati ottenuti dalla navicella spaziale Planck dell'ESA tra il 2009 e il 2013.
La radiazione cosmica di fondo a microonde, potenziata per mostrare le anomalie. Credito: ESA e la collaborazione Planck
Il team lo ha quindi analizzato utilizzando un supercomputer per determinare se esistessero schemi di polarizzazione che indicherebbero se lo spazio ha una 'direzione preferita' di espansione. Lo scopo di questo test era vedere se uno dei presupposti di base che sta alla base del modello cosmologico più ampiamente accettato è effettivamente corretto.
La prima di queste ipotesi è che l'Universo sia stato creato dal Big Bang, che si basa sulla scoperta che l'Universo è in uno stato di espansione e sulla scoperta del Fondo Cosmico a Microonde. La seconda ipotesi è che lo spazio sia omogeneo e istropico, il che significa che non ci sono grandi differenze nella distribuzione della materia su grandi scale.
Questa credenza, nota anche come Principio Cosmologico , si basa in parte sul Principio Copernicano (che afferma che la Terra non ha un posto speciale nell'Universo) e sul principio di Einstein Teoria della relatività – che ha dimostrato che la misura dell'inerzia in qualsiasi sistema è relativa all'osservatore.
Questa teoria ha sempre avuto i suoi limiti, poiché la materia non è chiaramente distribuita uniformemente su scale più piccole (cioè sistemi stellari, galassie, ammassi di galassie, ecc.). Tuttavia, i cosmologi hanno discusso su questo affermando che le fluttuazioni su piccola scala sono dovute alle fluttuazioni quantistiche che si sono verificate nell'Universo primordiale e che la struttura su larga scala è di omogeneità.
Cronologia del Big Bang e dell'espansione dell'Universo. Credito: NASA
Cercando le fluttuazioni nella luce più antica dell'Universo, gli scienziati hanno cercato di determinare se questo è effettivamente corretto. Negli ultimi trent'anni, questo tipo di misurazioni sono state eseguite da più missioni, come la Esploratore di sfondi cosmici (COBE) missione, il Sonda per anisotropia a microonde Wilkinson (WMAP), e il Astronave Planck .
Per il bene del loro studio, il team di ricerca dell'UCL, guidato da Daniela Saadeh e Stephen Feeney, ha guardato le cose in modo leggermente diverso. Invece di cercare squilibri nel fondo delle microonde, hanno cercato segni che lo spazio potesse avere una direzione di espansione preferita e come questi potrebbero imprimersi sul CMB.
Come Daniela Saadeh, una studentessa di dottorato presso l'UCL e autrice principale del documento, ha detto a Universe Today via e-mail:
“Abbiamo analizzato la temperatura e la polarizzazione del fondo cosmico a microonde (CMB), una radiazione residua del Big Bang, utilizzando i dati della missione Planck. Abbiamo confrontato la CMB reale con le nostre previsioni per come sarebbe in un universo anisotropo. Dopo questa ricerca, abbiamo concluso che non ci sono prove per questi modelli e che l'ipotesi che l'Universo sia isotropo su larga scala è buona».
Fondamentalmente, i loro risultati hanno mostrato che c'è solo una possibilità su 121.000 che l'Universo sia anisotropo. In altre parole, l'evidenza indica che l'Universo si è espanso in tutte le direzioni in modo uniforme, rimuovendo così ogni dubbio sul loro essere un effettivo senso di orientamento su larga scala.
Un'immagine 'di tanto in tanto' di tutto il cielo catturata dalla navicella spaziale Planck, che mostra contemporaneamente la nostra galassia e le sue strutture viste come nella storia recente; e 'poi' - il bagliore rosso del Big Bang visto com'era appena 380.000 anni dopo. Credito: ESA
E in un certo senso, questo è un po' deludente, dal momento che un Universo non omogeneo e uguale in tutte le direzioni porterebbe a un insieme di soluzioni delle equazioni di campo di Einstein. Di per sé, queste equazioni non impongono alcuna simmetria allo spazio-tempo, ma il Modello Standard (di cui fanno parte) accetta l'omogeneità come una sorta di dato.
Queste soluzioni sono note come modelli Bianchi, proposti dal matematico italiano Luigi Bianchi alla fine del XIX secolo. Queste teorie algebriche, che possono essere applicate allo spaziotempo tridimensionale, sono ottenute essendo meno restrittive, e quindi consentono un Universo anisotropo.
D'altra parte, lo studio condotto da Saadeh, Feeney e dai loro colleghi ha dimostrato che uno dei presupposti principali su cui si basano i nostri attuali modelli cosmologici è effettivamente corretto. In tal modo, hanno anche fornito un senso tanto necessario di avvicinamento a un dibattito a lungo termine.
'Negli ultimi dieci anni c'è stata una notevole discussione sul fatto che ci fossero segni di anisotropia su larga scala in agguato nel CMB', ha detto Saadeh. “Se l'Universo fosse anisotropo, avremmo bisogno di rivedere molti dei nostri calcoli sulla sua storia e sui suoi contenuti. I dati di alta qualità di Planck sono stati un'occasione d'oro per eseguire questo controllo sanitario sul modello standard della cosmologia e la buona notizia è che è sicuro».
Quindi la prossima volta che ti ritrovi a guardare il cielo notturno, ricorda... questo è un lusso che hai solo mentre sei sulla Terra. Là fuori, è tutto un 'altro gioco della palla! Quindi goditi questa cosa che chiamiamo 'direzione' quando e dove puoi.
E assicurati di dare un'occhiata a questa animazione prodotta dal team UCL, che illustra i dati CMB della missione Planck:
https://zenodo.org/record/48654/files/SVTT_movie.mp4