La storia dell’Universo studiata attraverso l’analisi delle anomalie cosmiche

Il satellite Planck dell’ESA non ha trovato nuove prove per le enigmatiche anomalie cosmiche che appaiono nella sua mappa della temperatura dell’Universo. L’ultimo studio non esclude la potenziale rilevanza delle anomalie, ma significa che gli astronomi devono lavorare ancora per capire l’origine di queste caratteristiche sconcertanti.

Gli ultimi risultati di Planck derivano da un’analisi della polarizzazione delle radiazioni Cosmic Microwave Background (CMB) – la luce più antica della storia cosmica, rilasciata quando l’universo aveva appena 380.000 anni.

L’origine e l’evoluzione del cosmo

L’analisi iniziale del satellite, che è stata resa pubblica nel 2013, si è concentrata sulla temperatura di questa radiazione nel cielo. Questo permette agli astronomi di investigare l’origine e l’evoluzione del cosmo. Mentre ha per lo più confermato l’immagine standard di come si evolve il nostro Universo, la prima mappa di Planck ha rivelato anche una serie di anomalie che sono difficili da spiegare all’interno del modello standard della cosmologia.

Le anomalie sono caratteristiche tenui sul cielo che appaiono a grandi scale angolari. Sicuramente non sono artefatti prodotti dal comportamento del satellite o dall’elaborazione dei dati, ma sono abbastanza deboli da poter essere dei fluidi statistici – fluttuazioni che sono estremamente rare ma non del tutto escluse dal modello standard.

In alternativa, le anomalie potrebbero essere un segno di “new physics“, il termine usato per processi naturali non ancora riconosciuti che estenderebbero le leggi conosciute della fisica.

This illustration summarises the almost 14-billion-year long history of our Universe. It shows the main events that occurred between the initial phase of the cosmos, where its properties were almost uniform and punctuated only by tiny fluctuations, to the rich variety of cosmic structure that we observe today, from stars and planets to galaxies and galaxy clusters. Copyright ESA – C. Carreau

La polarizzazione del CMB

Per sondare ulteriormente la natura delle anomalie, il team di Planck ha esaminato la polarizzazione del CMB, che è stata rivelata dopo un’attenta analisi dei dati multifrequenza progettati per eliminare le sorgenti in primo piano delle emissioni di microonde, inclusi gas e polvere nella nostra stessa galassia, la Via Lattea.

Questo segnale è la migliore misura fino ad oggi delle cosiddette modalità E di polarizzazione CMB e risale al momento in cui i primi atomi formati nell’universo e nel CMB sono stati rilasciati. È prodotto dal modo in cui la luce si è diffusa dalle particelle di elettroni appena prima che gli elettroni fossero riuniti in atomi di idrogeno.

La polarizzazione fornisce una visione quasi indipendente della CMB, quindi se dovessero presentarsi anche le anomalie, ciò darebbe vigore alla teoria degli astronomi che potrebbero essere causate da una nuova fisica piuttosto che da un problema statistico.

Le mappe di polarizzazione

Mentre Planck non era originariamente progettato per focalizzarsi sulla polarizzazione, le sue osservazioni sono state utilizzate per creare le mappe all-sky più accurate della polarizzazione CMB fino ad oggi. Questi sono stati pubblicati nel 2018, migliorando notevolmente la qualità delle prime mappe di polarizzazione di Planck, rilasciate nel 2015.

Quando il team di Planck ha esaminato questi dati, non hanno visto alcun segno evidente delle anomalie. Nel migliore dei casi, l’analisi, recentemente pubblicata su Astronomy and Astrophysics, ha rivelato alcuni indizi deboli che alcune delle anomalie potrebbero essere presenti.

“Le misure di polarizzazione di Planck sono fantastiche”, afferma Jan Tauber, scienziato del progetto ESA Planck. “Nonostante i grandi dati che abbiamo, non vediamo tracce significative di anomalie”.

A prima vista, questo sembrerebbe rendere le anomalie più probabilmente un’influenza positiva, ma in realtà non esclude la new physics perché la natura potrebbe essere più complicata di quanto immaginiamo.

Al momento, non esiste alcuna ipotesi convincente per quale tipo di nuova fisica potrebbe causare le anomalie. Quindi, potrebbe essere che il fenomeno responsabile influenzi solo la temperatura del CMB, ma non la polarizzazione. Da questo punto di vista, mentre la nuova analisi non conferma che la nuova fisica sia in atto, pone vincoli importanti su di essa.

L’anomalia più grave

L’anomalia più grave che si è verificata nella mappa della temperatura del CMB è un deficit nel segnale osservato a grandi scale angolari sul cielo, intorno ai cinque gradi – come confronto, la Luna piena si estende di circa mezzo grado. A queste grandi scale, le misure di Planck sono circa il dieci per cento più deboli di quanto il modello standard della cosmologia avrebbe previsto.

Planck ha anche confermato, con elevata confidenza statistica, altri tratti anomali che erano stati suggeriti in precedenti osservazioni della temperatura del CMB, come una significativa discrepanza del segnale osservata nei due emisferi opposti del cielo, e un cosiddetto ‘punto freddo ‘- un punto grande, a bassa temperatura con un profilo di temperatura insolitamente ripido.

I dati di polarizzazione

“Abbiamo detto al momento della prima versione che Planck avrebbe testato le anomalie usando i suoi dati di polarizzazione. La prima serie di mappe di polarizzazione sufficientemente pulite per questo scopo è stata rilasciata nel 2018, ora abbiamo i risultati “, afferma Krzysztof M. Górski, uno degli autori del nuovo documento, dal Jet Propulsion Laboratory (JPL).

Sfortunatamente, i nuovi dati non hanno portato il dibattito oltre, poiché gli ultimi risultati non confermano né negano la natura delle anomalie.

“Abbiamo alcuni indizi che, nelle mappe di polarizzazione, potrebbe esserci un’asimmetria di potenza simile a quella osservata d nelle mappe della temperatura, anche se rimane statisticamente poco convincente “, aggiunge Enrique Martínez González, anche coautore del giornale, dall’Instituto de Física de Cantabria a Santander, in Spagna.

 

 

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