12 Apr 2020 Sfidando l’Isotropia dell’Universo
Secondo un nuovo studio, uno dei pilastri fondamentali della cosmologia, l’isotropia dell’universo su larga scala, potrebbe dover essere rivisto. Gli astronomi hanno analizzato dati relativi a oltre 300 remoti ammassi di galassie, scoprendo che la loro velocità di espansione non è uniforme in tutte le direzioni osservate.
“Uno dei pilastri della cosmologia, lo studio della storia e del destino dell’intero Universo, è che il cosmo sia ‘isotropo’, cioè che presenti le stesse caratteristiche ovunque su vasta scala”, spiega Konstantinos Migkas dell’Università di Bonn in Germania. “Il nostro lavoro dimostra che potrebbero esserci delle crepe in quel pilastro”. In linea generale, gli astronomi concordano sul fatto che dopo il Big Bang il cosmo abbia continuato ad espandersi. Un’analogia spesso utilizzata per spiegare questo fenomeno è immaginare un panettone cosparso di uvette che, lievitando, fa sì che le uvette si allontanino tra di loro senza in realtà spostarsi fisicamente. In modo analogo, galassie e ammassi galattici si allontanano gli uni dagli altri man mano che si espande il tessuto spaziotemporale. Si ritiene che l’espansione debba essere uniforme in tutte le direzioni, senza seguire una direzione privilegiata, come avviene in un Universo isotropo. Ma nuovi risultati mettono in dubbio questa certezza.
“Basandoci sulle nostre osservazioni di ammassi galattici potremmo aver scoperto discrepanze nella velocità di espansione del cosmo, a seconda di quale oggetto osserviamo”, spiega Gerrit Schellenberger del Center for Astrophysics/ Harvard & Smithsonian (CfA) a Cambridge, Massachusetts, tra gli autori dello studio. “Questa scoperta potrebbe essere in contraddizione con uno dei presupposti sottintesi più basilari tra quelli utilizzati oggi in cosmologia”. In precedenza gli scienziati hanno condotto molteplici test relativi al modo in cui l’Universo, su distanze sufficientemente vaste, appaia lo stesso in tutte le direzioni. Tali test includono osservazioni di stelle esplose e studi di galassie nell’infrarosso. Nessuno di questi studi ha permesso ad oggi di ottenere conclusioni definitive. Il nuovo studio utilizza una tecnica innovativa e indipendente, basandosi sulla relazione tra la temperatura del gas caldo che pervade un ammasso di galassie e la quantità di radiazione X che produce, o luminosità in banda X dell’ammasso. Più elevata è la temperatura del gas presente in un ammasso, più alta è la luminosità X: pertanto una volta che viene misurata la temperatura del gas nell’ammasso, può essere stimata la luminosità dell’oggetto in banda X. Questo metodo è indipendente da quantità cosmologiche, inclusa la velocità di espansione del cosmo.
Una volta stimata la luminosità X degli ammassi galattici grazie a questa tecnica, il team ha calcolato le luminosità utilizzando un metodo differente, che dipende invece da quantità cosmologiche, come la velocità di espansione dell’Universo. I risultati del confronto hanno permesso agli scienziati di ricavare le velocità di espansione apparente attraverso l’intero cielo, rivelando che in alcune direzioni l’Universo sembra allontanarsi da noi più rapidamente. Per riprendere l’analogia dolciaria, è come se il panettone si gonfiasse un poco di più da alcune parti rispetto ad altre. Il team ha confrontato il lavoro con quanto ottenuto da altri studi, trovando una corrispondenza in relazione alla direzione del tasso di espansione più basso. Gli autori forniscono due possibili spiegazioni per i risultati ottenuti: potrebbe essere che grandi gruppi di ammassi galattici si muovano insieme, ma non a causa dell’espansione cosmica. Ad esempio, è possibile che alcuni ammassi di galassie vicini vengano spinti nella stessa direzione dalla gravità di altri ammassi di galassie. Se il moto è sufficientemente rapido, può causare errori nella stima della luminosità degli ammassi. E in alcune direzioni l’universo parrebbe espandersi a velocità differente rispetto ad altre.
Questa sorta di moti correlati potrebbero far sembrare che i tassi di espansione siano differenti in direzioni differenti. Gli astronomi hanno già osservato effetti analoghi in galassie relativamente vicine, a distanze inferiori a 850 milioni di anni luce, quando avviene che le attrazioni gravitazionali reciproche controllano il moto degli oggetti, sovrastando la spinta espansiva. Tuttavia, gli scienziati si aspettavano che l’espansione del cosmo fosse l’effetto dominante sul moto degli ammassi a larga scala, fino alle distanze di 5 miliardi di anni luce considerate nello studio. Una seconda spiegazione possibile è che l’Universo non si comporti realmente allo stesso modo in tutte le direzioni. Una ragione di questo comportamento insolito potrebbe essere il fatto che l’energia oscura, che guida l’espansione accelerata del cosmo, non sia essa stessa uniforme. In altre parole, i raggi X potrebbero rivelare che l’energia oscura è più forte in alcune parti dell’Universo piuttosto che in altre, provocando tassi di espansione differenti.
Qualsiasi delle possibili spiegazioni ha importanti implicazioni per la cosmologia. È necessario che la comunità astronomica realizzi altri test per ottenere risultati coerenti tra di loro, in modo da rivelare infine se davvero il concetto di un Universo isotropo debba essere rivisto. Il team ha utilizzato un campione di 313 ammassi di galassie per le analisi, compresi 237 ammassi osservati dal telescopio a raggi X Chandra e 76 ammassi osservati dal telescopio XMM-Newton. Lo studio è pubblicato su Astronomy and Astrophysics.
Nell’immagine il massiccio ammasso di galassie MACS J0416.1-2403, situato a 4 miliardi di anni luce da noi, ripreso dal telescopio Hubble
Credits NASA, ESA, and L. Infante (Pontificia Universidad Católica de Chile)
https://chandra.si.edu/press/20_releases/press_040820.html
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