Come (quasi) niente potrebbe risolvere le più grandi domande della cosmologia | Rivista Quanta

Come una città luminosa nel mezzo di un deserto arido, il nostro quartiere galattico è avvolto da un vuoto cosmico: un'enorme sacca di spazio quasi insondabilmente vuota. Recentemente, i sondaggi 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 di essi esistono in un volume di spazio, gli scienziati hanno escogitato un nuovo modo per esplorare due delle questioni più spinose della cosmologia.

"È la prima volta che utilizziamo i numeri vuoti per estrarre informazioni cosmologiche", ha affermato Alice Pisani, cosmologo alla Princeton University e al Flatiron Institute e autore di a nuova prestampa descrivendo l'opera. "Se vogliamo spingere i confini della scienza, dobbiamo andare oltre ciò che è già stato fatto".

I ricercatori hanno cercato nuovi strumenti in parte perché hanno alcuni grandi misteri da risolvere. Il primo, e più sconcertante, è la velocità con cui l'universo si espande, un valore noto come il Costante di Hubble. Per più di un decennio, gli scienziati hanno lottato per conciliare misurazioni contrastanti di questo tasso, con alcuni che hanno persino definito il problema il la più grande crisi della cosmologia.

Inoltre, i ricercatori hanno misure contrastanti della consistenza della materia cosmica: la densità media di strutture su larga scala, materia oscura, galassie, gas e vuoti distribuiti in tutto l'universo in funzione del tempo.

Tipicamente, gli astronomi misurano questi valori in due modi complementari. Curiosamente, questi due metodi producono valori diversi sia per la costante di Hubble che per la cosiddetta forza di raggruppamento della materia.

Nel loro nuovo approccio, Pisani ei suoi colleghi usano i vuoti cosmici per stimare entrambi i valori. E i loro primi risultati, che sembrano concordare molto più strettamente con uno dei metodi tradizionali che con l'altro, stanno ora contribuendo con le loro complessità a un disaccordo già teso.

"La tensione di Hubble è durata un decennio finora perché è un problema difficile", ha detto Adam Riess, un astronomo della Johns Hopkins University che usa le supernove per stimare la costante di Hubble. "I problemi ovvi sono stati verificati e i dati sono migliorati, quindi il dilemma si approfondisce".

Ora, la speranza è che studiare quasi nulla possa portare a qualcosa di grande.

Costruire Bolle

I vuoti sono regioni dello spazio che sono in media meno dense dell'universo. I loro confini sono definiti dagli immensi fogli e filamenti di galassie che sono intessuti in tutto il 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 hanno la tendenza ad espandersi perché al loro interno non c'è molta materia per esercitare un'attrazione gravitazionale verso l'interno. Le cose fuori di loro tendono a stare alla larga. E tutte le galassie che iniziano all'interno di un vuoto vengono trascinate verso l'esterno dall'attrazione gravitazionale delle strutture che definiscono il bordo di un vuoto. Per questo nel vuoto «accade ben poco», ha detto Pisani. “Non ci sono fusioni, nessuna astrofisica complicata. Questo li rende molto facili da gestire”.

Ma la forma di ogni vuoto è diversa, il che può rendere difficile per gli scienziati identificarli. "Vogliamo assicurarci che i nostri vuoti siano robusti", ha detto Pisani. "Quanto vuoto deve essere, e come lo misuro?"

Si scopre che la definizione di "niente" dipende dal tipo di informazioni 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 Voronoi per identificare circa 6,000 vuoti nei dati di un enorme progetto di mappatura galattica chiamato Indagine spettroscopica sull'oscillazione barionica (CAPO).

"I vuoti sono complementari al catalogo delle galassie", ha detto Benjamin Wandelt, un astrofisico dell'Università Sorbona di Parigi che non è stato coinvolto nello studio. "Sono un nuovo modo per sondare la struttura cosmica".

Una volta che Pisani e colleghi ebbero la loro mappa dei vuoti, iniziarono a vedere cosa poteva rivelare sull'universo in espansione.

Qualcosa dal nulla

Ogni vuoto cosmico è una finestra su un grande conflitto cosmico. Da un lato c'è l'energia oscura, la forza misteriosa che fa espandere il nostro universo sempre più rapidamente. 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 la grumosità della materia aggiunge rughe ai vuoti.

Pisani e i suoi colleghi, tra cui Sofia Contarini dell'Università di Bologna, ha modellato come l'espansione dell'universo influenzerebbe il numero di vuoti di diverse dimensioni. Nel loro modello, che manteneva costanti una manciata di altri parametri cosmologici, un tasso di espansione più lento produceva una maggiore densità di vuoti più piccoli e accartocciati. D'altra parte, se l'espansione fosse stata più rapida e la materia non si fosse aggregata così facilmente, si aspettavano di trovarne di più vuoti ampi e lisci.

Il gruppo ha quindi confrontato le previsioni del modello con le osservazioni del sondaggio BOSS. Da questo, sono stati in grado di stimare sia l'aggregazione che la costante di Hubble.

Hanno quindi giustapposto le loro misurazioni con i due modi tradizionali per misurare 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 rimasta dal Big Bang.

I dati del vuoto hanno rivelato una costante di Hubble che variava di meno dell'1% rispetto alla stima della CMB. Il risultato per l'aggregazione era più confuso, ma si allineava anche più strettamente con la CMB che con le supernove di tipo Ia.

In modo sconcertante, i vuoti nel sondaggio BOSS si trovano più vicini nello spazio e nel tempo alle più recenti supernove di tipo Ia, il che rende un po' sorprendente che le misurazioni dei vuoti si allineino più strettamente con la CMB primordiale. Wandelt, tuttavia, ha suggerito che i risultati potrebbero rivelare una nuova comprensione dell'universo.

"C'è una profonda intuizione che mi fa rizzare i capelli", ha detto. All'interno di vuoti, strutture mai formate ed evolute, quindi i vuoti "sono capsule temporali dell'universo primordiale".

In altre parole, se la fisica dell'universo primordiale fosse diversa dalla fisica dei giorni nostri, i vuoti potrebbero averla preservata.

Il futuro dell'assenza

Altri pensano 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 dire qualcosa di conclusivo. "Questa analisi è estremamente ben fatta", ha detto Ruth Durrer, un fisico teorico dell'Università di Ginevra che non ha preso parte alla ricerca. Ma, ha osservato Durrer, i risultati non hanno ancora raggiunto la significatività statistica. "Se Alice vuole essere nel club delle misurazioni costanti di Hubble incredibilmente buone, deve raggiungere il limite dell'1%, che è una grande sfida", ha detto Durrer.

Pisani ha affermato di considerare il lavoro come una prova di concetto. Probabilmente ci vorrà un altro decennio - e l'aiuto di future missioni come il Nancy Grace Roman Space Telescope e l'Osservatorio SPHEREx della NASA - per accumulare dati sul vuoto sufficienti per essere alla pari con le misurazioni contrastanti della CMB e della supernova di tipo Ia.

Durrer sottolinea anche che forse questi argomenti - i tentativi di riconciliare le tensioni cosmiche - sono tutti molto rumore per nulla e che i disaccordi osservativi potrebbero indicare una realtà che gli scienziati non dovrebbero cercare di cancellare.

"I gruppi di supernova e CMB stanno effettuando misurazioni molto, molto diverse", ha affermato. "Quindi potrebbe esserci una nuova fisica che spiega perché non dovremmo vedere la stessa cosa."

N.d.R.: Alice Pisani riceve un finanziamento dal Fondazione Simons, che finanzia anche questa rivista editoriale indipendente. Le decisioni di finanziamento della Simons Foundation non hanno alcuna influenza sulla nostra copertura. Maggiori dettagli sono disponibile qui.