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Il telescopio Nicholas U. Mayall da 4 metri presso il Kitt Peak National Observatory in Arizona ospita il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), che sta creando una delle più grandi mappe dell’universo mai realizzate. I dati provenienti dal telescopio rivelano sottili incongruenze nella natura dello spaziotempo. (Crediti immagine: DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/L. Tyas)Condividi questo articolo 1Partecipa alla conversazioneSeguiciAggiungici come fonte preferita su GoogleIscriviti alla nostra newsletter
Gli astronomi hanno sviluppato un nuovo metodo per verificare una delle ipotesi centrali della cosmologia moderna: che l’universo si comporti in modo uniforme alle scale più grandi. Applicando il metodo ai dati osservativi reali, i ricercatori hanno trovato segnali preliminari che questa ipotesi potrebbe non essere del tutto valida, indicando potenzialmente una nuova fisica oltre il modello cosmologico standard.
Il lavoro combina osservazioni di stelle esplose distanti e indagini su larga scala delle galassie per indagare se l’universo segua veramente un quadro matematico noto come cosmologia di Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), vecchio di quasi 100 anni. Le analisi hanno rivelato deviazioni lievi ma intriganti dalle previsioni del modello standard.
“Abbiamo riscontrato una sorprendente violazione di un test di coerenza della curvatura FLRW, che suggerisce una nuova fisica oltre il modello standard”, ha dichiarato ad Live Science via email la coautrice dello studio Asta Heinesen, fisica presso il Niels Bohr Institute di Copenaghen e la Queen Mary University di Londra, riferendosi all’ipotesi che la curvatura dello spazio sia la stessa ovunque. “Ciò potrebbe essere potenzialmente dovuto a vari effetti, ma sono necessarie ulteriori ricerche per affrontare la causa della violazione FLRW che osserviamo empiricamente.”
I risultati sono stati presentati in una serie di tre articoli che introducono nuovi test diagnostici per la cosmologia e li applicano a set di dati osservativi esistenti. Gli articoli, disponibili sul server di preprint arXiv, non sono ancora stati sottoposti a revisione paritaria.
Testare le fondamenta della cosmologia
La cosmologia moderna si basa sull’ipotesi che, se osservato su scale sufficientemente grandi, l’universo sia omogeneo e isotropo, il che significa che la materia è distribuita uniformemente e il cosmo appare approssimativamente uguale in ogni direzione. Questa idea è alla base della cosmologia FLRW, che costituisce il fondamento del modello cosmologico standard, noto come lambda cold dark matter.
Ma l’universo reale contiene una complessa rete cosmica di galassie, ammassi di galassie ed enormi regioni vuote note come vuoti. Secondo Heinesen, questa complessità implica che la descrizione FLRW potrebbe non essere sempre applicabile perfettamente.
“La cosmologia FLRW presuppone uno spaziotempo che ha spazi massimamente simmetrici”, ha detto Heinesen. “È necessario andare oltre gli spaziotempi FLRW quando sono presenti strutture cosmologiche come ammassi di galassie e vuoti di spazio vuoto.”
I ricercatori si sono concentrati su due possibili effetti che potrebbero distorcere la geometria apparente dell’universo. Uno è l’effetto Dyer-Roeder, che si verifica perché la luce degli oggetti distanti viaggia spesso principalmente attraverso regioni di spazio vuoto piuttosto che attraverso ambienti ricchi di materia. Questo potrebbe far sì che i fisici trascurino gran parte della densità di materia dell’universo, “il che farebbe apparire l’universo più vuoto di quanto non sia in realtà”, ha spiegato Heinesen.
La seconda possibilità riguarda un effetto chiamato backreaction cosmologica. In questo scenario, la crescita delle strutture cosmiche su larga scala altera l’espansione media dello spazio stesso.
La mappa dell’universo di DESI della durata di 3 anni mostra la distribuzione della materia nello spaziotempo. Nuovi studi basati sui dati DESI e su altri rilievi suggeriscono che il nostro modello cosmologico standard potrebbe aver bisogno di un aggiornamento. (Crediti immagine: DESI Collaboration/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor)
Un nuovo modo di sondare la geometria cosmica
Per indagare queste possibilità, i ricercatori hanno eseguito test di coerenza matematica progettati per verificare se i dati osservativi obbediscano alle regole attese in un universo FLRW. In particolare, hanno utilizzato varianti del test di Clarkson-Bassett-Lu, un metodo che confronta le misurazioni delle distanze cosmiche e dei tassi di espansione.
Il team ha sviluppato un quadro più generale che funziona anche quando l’universo non segue perfettamente le ipotesi FLRW.
Hanno inoltre introdotto tecniche di machine learning note come regressione simbolica per ricostruire le storie di espansione cosmica direttamente dai dati osservativi. Anziché ipotizzare un modello cosmologico predefinito, il metodo cerca espressioni matematiche che meglio si adattino ai dati.
Utilizzando osservazioni dal catalogo Pantheon+ di supernovae, insieme a misurazioni dal Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) – un importante progetto internazionale che mappa milioni di galassie attraverso l’universo – i ricercatori hanno ricostruito la velocità con cui il cosmo si è espanso nel tempo. Hanno anche utilizzato dati dalle indagini sulle oscillazioni acustiche barioniche, che tracciano antichi schemi nella distribuzione delle galassie lasciati dalle onde sonore che hanno viaggiato attraverso il plasma caldo dell’universo primordiale.
Le analisi hanno rivelato piccole ma potenzialmente importanti deviazioni dalle previsioni della cosmologia FLRW standard. A seconda del set di dati e del metodo di analisi, la discrepanza ha raggiunto una significatività statistica di circa 2-4 sigma. In fisica, sigma misura la probabilità che un risultato derivi puramente dal caso; un risultato di 5 sigma è tipicamente richiesto prima che gli scienziati dichiarino una scoperta, quindi le nuove scoperte rimangono preliminari. Tuttavia, i risultati suggeriscono che qualcosa di inaspettato potrebbe influenzare la geometria o l’espansione dell’universo.
“Il risultato principale è che è possibile misurare direttamente gli effetti Dyer-Roeder e di backreaction dai dati cosmologici disponibili, e distinguerli chiaramente da altre alterazioni del modello cosmologico standard, come l’evoluzione dell’energia oscura e le teorie di gravità modificata”, ha detto Heinesen. “Questo non era possibile in modo così diretto in precedenza, ed è questo che penso sia la svolta nel nostro lavoro.”
Sfide e direzioni future
I ricercatori hanno avvertito che le prove rimangono preliminari. I dati cosmologici attuali sono ancora relativamente scarsi, specialmente per le misurazioni del tasso di espansione dell’universo in diverse epoche. Anche i metodi di regressione simbolica introducono incertezze che richiedono ulteriori studi.
Nei documenti, gli autori hanno sottolineato che osservazioni migliorate da future indagini saranno essenziali per determinare se le apparenti violazioni FLRW siano reali.
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“Se queste deviazioni indicate dalla geometria FLRW fossero reali, ciò significherebbe che la maggior parte delle soluzioni cosmologiche considerate per risolvere le tensioni cosmologiche – energia oscura in evoluzione o interagente, nuovi tipi di materia o energia, gravità modificata e idee correlate all’interno del quadro FLRW – sarebbero escluse”, hanno scritto i ricercatori.
Il prossimo passo comporterà l’applicazione del nuovo quadro teorico a set di dati più ampi e precisi. “Si tratta di applicare i nostri risultati teorici ai dati per testare il modello standard e produrre vincoli sugli effetti Dyer-Roeder e di backreaction”, ha detto Heinesen.
Poiché il metodo può già essere utilizzato con le osservazioni astronomiche esistenti, i ricercatori potrebbero presto ottenere risposte più precise sul fatto che l’universo segua veramente il semplice quadro su larga scala ipotizzato dalla cosmologia standard o se complessità nascoste stiano rimodellando la nostra comprensione dell’evoluzione cosmica.
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