La struttura a larga scala dell'universo
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La struttura a larga scala dell'universo

Una enorme spugna fatta di filamenti che fanno da perimetro a giganteschi vuoti. L'universo a grande scala ci si presenta davvero omogeneo, una schiuma di bolle, una rete cosmica all'interno della quale materia oscura e materia barionica si uniscono. La teoria dell'universo come un frattale sempre uguale a sé stesso a diverse scale.

La forma dell'universo a larga scala

Una spugna fatta di bolle di dimensioni enormi circondate da filamenti di galassie. Si presenta così l'universo a grande scala,omogeneo e isotropo nonostante qualche struttura rappresenti ancora un mistero da risolvere.

Attraverso lo studio della luce possiamo leggere la storia del nostro universo e più riusciamo a guardare lontano più riusciamo a guardare indietro nel tempo.

Grazie ad Edwin Hubble sappiamo che le galassie partecipano al perpetuo moto di espansione del cosmo governate da una legge ben precisa: la loro velocità e la loro distanza, strette da un fermo legame fisico e matematico, raccontano una storia che, se percorsa a ritroso nel tempo e nello spazio, ci porta ad un unico punto infinito: l'inizio della nostra storia lunga quasi 14 miliardi di anni. Da quel punto infinito si è generata una struttura gerarchica complessa ed organizzata che ci racconta un'altra storia.

Ultra Deep Field di Hubble Space Telescope. Crediti HST/ESA/NASA
Ultra Deep Field di Hubble Space Telescope. Crediti HST/ESA/NASA

Il campo ultra-profondo di Hubble Space Telescope

Gli astronomi dello Space Telescope Science Institute hanno guardato lontano 13 miliardi di anni realizzando il ritratto più sorprendente dell'universo visibile: un piccolissimo pezzetto di cielo nella costellazione della Fornace dove brilla la luce di oltre 10.000 galassie. Tra queste le più piccole, ossia quelle più rosse, sono tra le più lontane a noi note e mostrano come era l'universo nelle primissime fasi della sua formazione: la più lontana mai osservata è ad una distanza di 13 miliardi di anni luce, segno evidente di come la forza di gravità abbia iniziato a far sentire i suoi effetti appena 700 milioni di anni dopo il Big Bang .

Nemmeno un miliardo di anni dopo la sua nascita, l'Universo primordiale conteneva infatti già un numero sufficiente di stelle e galassie, che con il loro calore hanno “acceso” la luce permettendole di emergere dal gas opaco. Ma come sono distribuite le galassie nello spazio infinito del cosmo ed esiste un modello che possa spiegare la formazione dell'attuale struttura a partire dal plasma primordiale?

La complessità della struttura gerarchica su piccola scala era nota già negli anni trenta ma solo a partire dalla fine degli anni '80 gli sviluppi nei metodi per la determinazione delle distanze cosmiche e gli sviluppi della strumentazione tecnologica a disposizione di astronomi e cosmologi hanno permesso di avere delle mappe dettagliatissime della distribuzione delle galassie permettendo la ricostruzione della struttura del cosmo in tre dimensioni. 

Le galassie risultano essere organizzate in ammassi che a loro volta sono raggruppati in superammassi: su scale relativamente piccole, mediamente inferiori o uguali a circa 100 Mpc, l'universo appare piuttosto complesso e strutturato. Osservando su scale maggiori, ammassi e superammassi risultano essere distribuiti sulla superficie di enormi spazi vuoti estesi decine di milioni di anni luce. La struttura appare di forma cellulare e filamentosa con la tendenza delle galassie a distribuirsi sulle pareti di enormi bolle vuote.

Gli ammassi più densi di galassie si trovano nei punti in cui si incontrano le superfici di due bolle adiacenti e sono collegati tra loro da strutture note come filamenti. I “vuoti” sono le strutture più grandi mai osservate nell'universo e la loro estensione misura milioni di anni luce. La configurazione a bolle sembra avere un aspetto piuttosto regolare, e mostrerebbe le galassie cadere in addensamenti distanti mediamente tra loro 700 milioni di anni luce. 

Possiamo avere una evidenza di questa struttura tridimensionale “a spugna” nella Redshift Survey rilasciata dall'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (Cfa), la quale mostra una campionatura di circa 14.000 galassie tutte ricomprese in una fascia dell'emisfero boreale larga 20'.

Redshift survey. Crediti CfA
Redshift survey. Crediti CfA

L'ascensione retta da zero a 24 ore comprende l'intera volta celeste, la velocità di espansione è misurata dal raggio del cerchio con distanze limite sino a 963 milioni di anni luce data H=55. La nostra galassia si trova al centro della mappa. 

Grazie a questa cartografia Margaret Geller e J.P. Huchra hanno scoperto una struttura di galassie con una estensione di oltre 500 milioni di anni luce, larga 20 e spessa “solo” 15 milioni chiamata la “Grande Muraglia” (Great Wall of Galaxies). 

La mappatura tridimensionale mostra anche una anomalia gravitazionale nota come il “Grande Attrattore” che si ipotizza essere responsabile di un moto imprevisto, ossia non attribuibile al moto di espansione dell'Universo o al moto dovuto all'attrazione gravitazionale, che opera all'interno dell'ammasso del nostro Gruppo Locale .  Il "Grande Attrattore" ci fa "correre" in direzione della Croce del Sud circa 600km/s più veloci del previsto e, sebbene sia posto a circa la metà della distanza rispetto alla quale si trova la Grande Muraglia, rimane ancora oggi un fenomeno misterioso ben nascosto dietro le polveri presenti sul piano galattico. 

Nonostante la disomogeneità riscontrata osservando su brevi distanze, l'universo non è un semplice modello di ammassi distribuiti a caso ma possiede delle caratteristiche sistematiche sulle quali è possibile costruire ed ipotizzare dei modelli utili per comprendere l'origine della struttura dell'Universo. A Giugno 2018 è stata scoperta una regione dell'universo sei volte più densa rispetto alla media: la regione si trova intorno all'ammasso galattico PSZ2 G099.86+58.45 e si trova a 6 miliardi di anni luce dalla Terra. La scoperta è stata effettuata grazie a una lente gravitazionale (Nature Astronomy - "Gravitational lensing detection of an extremely dense environment around a galaxy cluster" di Mauro Sereno et al.).

La struttura a larga scala e il Principio Cosmologico

 

Sappiamo che il Principio Cosmologico è alla base del Modello Cosmologico Standard e presuppone che l'Universo sia omogeneo ed isotropo. Fino a che livello l'attuale struttura dell'Universo è compatibile con il Principio Cosmologico? I raggruppamenti osservati si estendono su una scala così grande da mettere in discussione tutte le teorie alla base della Cosmologia, incluse le equazioni di Einstein che partono dal principio che tutto è regolare su grandi scale? 

Se provassimo ad osservare le galassie in ottico, proiettando sulla volta celeste la loro posizione, noteremmo (eccetto le note sovradensità dovute alla presenza della Chioma di Berenice e dell'ammasso della Vergine) un cielo con una massima distribuzione delle galassie in prossimità dei poli ed una tendenza alla rarefazione in prossimità del piano galattico dovuta al fenomeno dell'estinzione da parte delle polveri galattiche. Osservando lo stessa porzione di cielo sfruttando lunghezze d'onda maggiori (in infrarosso ) vediamo come la situazione cambi, ed escludendo le sovradensità sopra menzionate, riscontriamo un buon grado di isotropia e omogeneità nella distribuzione delle galassie, Una ulteriore conferma è evidenziata dalle esplorazioni del cielo in radio (survey radio del telescopio Very Large Array). 

Inoltre, sebbene alcuni scienziati sostengano che l'Universo non diventi mai omogeneo su grandi scale, evidenziando una tendenza ad assumere l'aspetto di un frattale. I dati scientifici raccolti, dal Survey WiggleZ dimostrano come l'omogeneità della distribuzione delle galassie aumenti con l'aumentare della distanza e che quindi la materia è distribuita in modo estremamente uniforme su grandi scale in perfetto accordo con il Principio Cosmologico.

Il "censimento" (survey) denominato WiggleZ è nato con lo scopo di cercare nuove evidenze sulla natura dell'energia oscura e ci ha fornito una mappa in 3D di oltre 150.000 galassie. La mappa dimostra come su una scala estesa  930 milioni di anni luce il clustering osservato su piccole scale tenda a dissolversi in una omogenea distribuzione di materia.

La Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ha creato le mappe tridimensionali più dettagliate dell'Universo mai realizzate mappando gli spettri di oltre di tre milioni di oggetti astronomici. In particolare grazie al progetto BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) è stata mappata la distribuzione spaziale dei quasar per rilevare la scala caratteristica impressa dalle oscillazioni acustiche dei barioni nell'universo primordiale. Sino all'epoca della ricombinazione materia e radiazione sono in equilibrio (termico) tra di loro ed oscillano insieme; questo effetto di "oscillazione" crea delle onde sonore che si propagano nell'universo primordiale e consente di determinare una distanza alla quale questa oscillazione avviene. Le BAO diventano una unità di misura standard (scala) per misurare l'universo e ci forniscono un indicazione di come sia più probabile trovare due galassie distanti tra loro una certa distanza specifica piuttosto che un'altra. Infatti, le differenze di pressione generate dalle oscillazioni hanno dato luogo a differenze di densità della materia che sono evidenti oggi sotto forma di variazioni della temperatura uniforme della radiazione .

Queste differenze di temperatura si sono evolute nei muri e nei vuoti che vediamo nelle galassie odierne a conferma che la struttura così complessa osservata ha la sua origine nell'Universo primordiale.

A aprile 2018 vengono decodificate le debolissime distorsioni nelle prime luci dell'universo rivelando strutture tubolari invisibili ai nostri occhi, i filamenti che vengono utilizzati dal cosmo per far giungere materia agli ammassi di galassie. I dati sono quelli provenienti da passate survey - come la Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) - e si basano sul riconoscimento degli effetti gravitazionali che riescono a forgiare i filamenti. Lo studio di questi oggetti è fondamentale anche per la comprensione dell'universo a grande scala e della materia oscura presente sia nei filamenti sia alla base, sotto forma di alone, degli ammassi galattici. Queste strutture non sono visibili direttamente quindi è stato usato un algoritmo simile a quello che utilizza Google per decodificare le immagini e riconoscere volti o gatti all'interno di un frame. I dati di BOSS hanno consentito di ottenere un catalogo di possibili filamenti cosmici da confrontare con i patterns presenti, come fluttuazioni, sulla radiazione cosmica di fondo : algoritmi sofisticati hanno cercato l'impronta gravitazionale dei filamenti nella prima luce dell'universo, gli effetti di lensing debole. Anziché unire i puntini a maggior densità, quindi, lo studio è andato a cercare il segmento attraverso le increspature nella densità tra i puntini, nonostante il fatto che le connessioni tra filamenti possono cambiare forma e cambiare nel tempo su scale di centinaia di milioni di anni. 

Ultimo aggiornamento del: 02/05/2019 22:33:33

L'universo frattale

Un modello di universo a grande scala vede il cosmo sempre uguale a sé stesso a diverse scale, una forma ricorsiva che la natura riserva a tantissime strutture.

Un frattale è un oggetto geometrico caratterizzato dal fatto di ripetersi nella sua struttura sempre allo stesso modo ma su scale diverse, non cambiando aspetto in nessuna delle scale studiate.

Una foglia, esempio di struttura frattale
Una foglia, esempio di struttura frattale

Spesso si indica questa caratteristica dicendo che l'oggetto somiglia a sé stesso, in un concetto che va sotto il nome di autosimilarità. Un esempio è dato da un albero, la cui forma è nota a tutti. Ogni ramo, preso di per sé, ha la stessa forma dell'albero. Ed ogni rametto del ramo ha anch'esso la forma dell'albero e del ramo cui appartiene.

Anche un cavolfiore è un classico esempio di natura distribuita secondo regole frattali, e proprio la natura ne fornisce gli esempi più tipici, come evidente già dagli esempi forniti e come ancora più evidente guardando i cristalli di neve, le nuvole, le coste e le catene montuose. La dimensione frattale indica il grado di irregolarità dell'oggetto frattale studiato.

La teoria cosmologica generalmente accettata è quella legata ai modelli di Friedman basati sulla Teoria della Relatività e sui principi di fisica quantistica, tanto che l'orientamento principale dei cosmologi è oggi quello di unificare le due branche scientifiche alla ricerca di una teoria unificata. Alla base di questi modelli, tuttavia, vengono inseriti dei pre-requisiti essenziali al loro funzionamento, come abbiamo visto in questa sezione del sito. 

Nello scenario di universo a grande scala fatto di vuoti e filamenti si cala una tesi, in gran parte italiana, che cerca di studiare l'universo alla luce della geometria frattale. Nella seconda metà degli anni Ottanta, il fisico italiano Luciano Pietronero iniziò a pensare all'alternanza di pieni e vuoti come ad una dimostrazione di universo di tipo frattale. A lui si aggiunse, dopo pochi anni, il fisico Francesco Sylos Labini. La geometria frattale serve a caratterizzare forme irregolari che la geometria euclidea non riesce a descrivere. Si pensi ad un albero: limitandoci alla geometria lineare non si potrebbe arrivare a definirne una funzione dal momento che la sua distribuzione sembra caotica. Analizzandolo con la geometria frattale, invece, si riesce ad arrivare ad una descrizione dell'oggetto. I due fisici hanno applicato questa geometria al cosmo.

Non si tratta di una teoria ma di una diversa interpretazione dei dati, libera da qualsiasi ipotesi di fondo ma mirante esclusivamente a verificare se i dati possono essere inquadrati alla luce della geometria frattale. Quindi, nessuna ipotesi di omogeneità e nessuna densità media stimata: per qualsiasi campione preso a riferimento non è prevista alcuna densità media dalla quale partire e con la quale comparare i dati. Nel limite di un volume infinito, infatti, la densità tende asintoticamente a zero quindi un frattale è asintoticamente vuoto.

I dati utilizzati sono stati messi a disposizione dallo studio della posizione in tre dimensioni delle galassie, abbinando alla posizione angolare (che ne definisce declinazione ed ascensione retta) anche la distanza tramite il calcolo del redshift . Attraverso la collocazione delle galassie nello spazio, è stato ovviamente possibile vederne la distribuzione all'interno dello stesso. Era proprio la metà degli anni Ottanta e grazie a questo lavoro ci si è resi conto di aver a che fare con strutture che tendono ad ammassarsi, con immensi vuoti e con filamenti giganteschi. In poche parole, grande irregolarità e grandi strutture. Con queste tecniche è stato scoperto The Great Wall, 500 milioni di anni luce di galassie, oppure lo Sloan Great Wall, un filamento di quasi 300 Megaparsec (due volte più grande del primo). Alla luce delle scoperte, risultava un quadro composto da grandi strutture e quindi da grandi correlazioni. Studiare le strutture, quindi, equivale a studiarne le correlazioni, che misurano quanto la presenza di un determinato punto in una determinata posizione possa influenzare la posizione di altri determinati punti a determinate distanze. I vuoti, inoltre, mostrarono la presenza di ampie fluttuazioni. Matematicamente, le grandi distribuzioni e le grandi fluttuazioni si studiano con la geometria frattale.

La cosmologia attuale stabilisce entro i 5 Megaparsec la distanza oltre la quale le correlazioni vengono a decadere in funzione della distanza e quindi la distanza oltre la quale la distribuzione diviene non correlata e quindi priva di strutture. In pratica: 

  • sotto i 5 Megaparsec il collasso gravitazionale riesce a dar vita a strutture non lineari come galassie ed ammassi di galassie; 
  • tra i 5 ed i 100 Megaparsec c'è una correlazione debole e piccole fluttuazioni, quindi distribuzione omogenea con piccolissime perturbazioni correlate rispetto ad una densità media;
  • oltre i 100 Megaparsec la correlazione viene a mancare e l'universo diviene totalmente uniforme.

Questa distanza sembra contrastare con la scoperta delle strutture di cui è stato detto prima. Per la geometria frattale, in qualsiasi punto le fluttuazioni sono enormi dal momento che la densità media non è affatto definita. 

Il problema non sembra affatto dovuto ad un errore nel calcolo: applicando un modello diverso si arriva a risultati diversi e sembra strano non studiare le strutture irregolari con l'unica branca geometrica adatta a studiarle. Mentre il modello cosmologico ipotizza una distribuzione omogenea, la geometria frattale applica le sue leggi per verificare se lo sia davvero.

Un'altra differenza netta è data dalla materia oscura : il modello cosmologico attuale assegna a qualcosa di non provato il 95% della materia di cui l'universo si compone, senza averne la prova diretta dell'esistenza. La scienza frattale, invece, non la considera proprio e basa i suoi calcoli esclusivamente sulla materia visibile, quella luminosa. Gli studi ordinari sostengono che materia luminosa e materia oscura (calcolata a partire dall'effetto di lente gravitazionale debole) sono distribuite secondo le stesse strutture, ma è anche lecito domandarsi se sia corretto spiegare il 5% di materia luminosa ricorrendo ad una non sperimentata materia oscura pari al 95%. Le teorie attuali non riescono a spiegare le correlazioni a grande scala che le osservazioni, invece, ci mettono davanti agli occhi. 

Una struttura frattale è definita tra due lunghezze di scala: una minima ed una massima. Nell'esempio di un albero, la grandezza massima è l'albero stesso mentre quella minima è data dal ramoscello più piccolo. Tra queste due scale, si verifica il principio basilare dell'invarianza di scala. La struttura piccola possiede tutta la complessità della struttura più grande e quindi studiare una delle due equivale a studiare anche l'altra.

Qualora i dati che si otterranno quando l'occhio delle sonde riuscirà ad espandere ancora di più l'universo portassero ad una conferma di una distribuzione frattale dell'universo stesso, il modello cosmologico attuale passerebbe un brutto momento. Come un brutto momento verrebbe attraversato qualora si confermasse la natura delle strutture gigantesche che sono state scoperte, come un vuoto nell'Eridano di 150 Megaparsec. La teoria non riuscirebbe a spiegarlo, e tutto verrebbe rimesso di nuovo in discussione.

Ultimo aggiornamento del: 02/05/2019 22:50:33