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L’Universo imperfetto e asimmetrico

Astronomia e Astrofisica

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L’Universo imperfetto e asimmetrico
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Fausto Bersani Greggio - 24/09/2016

Il concetto di simmetria è legato al concetto d’invarianza rispetto ad un insieme di trasformazioni. La scienza moderna ha scoperto che la simmetria speculare, ad esempio, è spesso assente in natura. Quasi tutti gli oggetti che si trovano nell’Universo non coincidono con la propria immagine speculare, si dice pertanto che posseggono chiralità. In generale la natura è chirale, ossia mostra preferenza per la destra (chiralità destrorsa) o per la sinistra (chiralità sinistrorsa).

Elementi di asimmetria chirale sono stati individuati non solo nel mondo dei costituenti elementari, ma anche a scale che spaziano nell’infinitamente grande, come nel caso delle galassie a spirale studiate dal professor Michael Longo dell’Università del Michigan [1].

Per verificare l’esistenza di una tale asimmetria, il professor Longo ha studiato la rotazione di decine di migliaia di galassie a spirale catalogate all’interno della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un’estesa cartografia digitale del cielo, nata alla fine degli anni ’90, che copre circa un quarto della volta celeste, principalmente nell’emisfero nord. Il progetto ha utilizzato un telescopio da 2,5 metri di diametro situato presso l’osservatorio di Apache Point nel Nuovo Messico.

Iniziamo il nostro percorso considerando il fatto che l’immagine speculare di una galassia che ruota in maniera destrorsa (D) deve essere quella di una galassia che possiede una rotazione sinistrorsa (S) (v. fig.1)


 

La presenza di un eccesso nel numero di galassie che ruotano in un senso piuttosto che nell’altro dovrebbe rappresentare l’evidenza di una rottura della simmetria per riflessione o, come dicono i fisici, di una violazione della parità su scale cosmiche. I ricercatori hanno trovato che le galassie tendono a ruotare secondo una direzione privilegiata, più specificatamente, dal nostro punto di vista, esiste un eccesso di galassie a spirale sinistrorse osservando una regione del cielo verso il Polo Nord Galattico (v. fig.2, la freccia nera rappresenta l’asse di rotazione orientato verso nord). 

Tale effetto si estende per oltre 600 milioni di anni luce. “Anche se l’eccesso osservato è piccolo, circa il 7%, la probabilità che si tratti di un caso è pari a una parte su un milione” spiega Longo.

La presenza di un senso di rotazione privilegiato nelle galassie potrebbe significare che l’Universo è nato con uno spin primordiale.

Dato, però, che la SDSS ha una preponderanza di dati riguardanti l’emisfero nord, un test importante sarà quello di verificare se esiste un eccesso di galassie a spirale che, sempre dal nostro punto di osservazione, ruotano in senso destrorso nell’emisfero sud (v. fig.2).


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Anomalie nella radiazione cosmica di fondo 

Alcune anomalie riguardanti la “radiazione di fondo” sono state recentemente confermate tramite il telescopio spaziale Planck dell’Agenzia Spaziale Europea (Esa).

Ricordiamo che Planck ha ricostruito una mappa, nella banda delle microonde, del neonato Universo (380.000 anni dopo il Big Bang) alla più alta risoluzione fino ad ora mai raggiunta.

Di queste anomalie già si mormorava timidamente in passato, ma ora Planck pare abbia sciolto ogni dubbio circa la loro reale esistenza. È stata, ad esempio, evidenziata un’asimmetria tra le temperature medie nei due emisferi opposti del cielo (fig.3, le parti blu sono le parti più fredde, le parti rosse quelle più calde), in contrasto con quanto predetto dal modello standard, secondo il quale l’Universo dovrebbe essere grosso modo simile in tutte le direzioni in cui lo osserviamo. Questo fatto era già stato notato anche dal predecessore di Planck, la missione WMAP della NASA, ma era stato ignorato sia per i dubbi che permangono circa la sua origine cosmica, sia per la possibilità che potesse essere attribuito ad errori di misura. Allo stesso modo era stata notata anche la cosiddetta cold spot, una regione fredda (cerchiata in basso a destra nella fig.3) che si estende su una porzione di cielo molto più ampia del previsto, difficilmente spiegabile come semplice fluttuazione statistica.

Il quadro generale, a parte quest’ultimo punto, richiama un po’ alla mente la mappa della Cosmic Microwawe Background (CMB) trasmessa a terra nel 1990 dal satellite COBE (Cosmic Background Explorer). Per prima cosa, dai dati emerse uno spettro planckiano di un corpo nero alla temperatura media di 2,728 K che la comunità scientifica interpretò immediatamente come suggello definitivo alla teoria del big bang caldo.

In realtà la distribuzione della radiazione risultò quasi isotropa, infatti furono trovate due deviazioni sistematiche su grande scala. La prima è la cosiddetta anisotropia di dipolo è corrisponde a variazioni di temperatura dell’ordine di 0,001 K rispetto alla temperatura media (v. fig.4a). In pratica la radiazione proveniente da versi opposti lungo una determinata direzione dava luogo a spettri diversi. Il risultato fu interpretato in termini di effetto Doppler a causa del nostro moto lungo una certa direzione.

Quando parliamo di moto è inevitabile chiedersi rispetto a che cosa. Non certo rispetto alla radiazione di fondo, come molti un pò superficialmente ritengono. In realtà si tratta di una velocità del nostro punto d’osservazione rispetto ad un sistema di riferimento che non constaterebbe l’anisotropia.

In questo senso ritengo particolarmente lucida la disamina tratteggiata da Silvio Bergia [2].

Se sacrifichiamo un po’ di rigore a favore di un’immagine facilmente visualizzabile, possiamo supporre l’Universo come una sfera in espansione i cui costituenti elementari, le galassie, sono rappresentate da punti incastonati su di essa. L’espansione dell’Universo, descrivibile attraverso la dilatazione del raggio della sfera, determina un aumento della distanza fra le galassie senza peraltro un effettivo moto di recessione di queste ultime attraverso lo spazio, quanto piuttosto uno “stiramento” dello spazio intergalattico. Secondo questa lettura non si è quindi in presenza di un’espansione della materia in uno spazio prefissato, bensì di un’espansione dello spazio stesso. Tuttavia è noto che le galassie sono dotate anche di moti propri con velocità peculiari.

.....dobbiamo allora immaginare, istante per istante, di tempo cosmico e in corrispondenza di ogni dato punto dello spazio, un ideale sistema di riferimento non animato di velocità propria e dunque incastonato nello spazio che sarebbe proprio quel sistema di riferimento, sulla cui natura ci interrogavamo, dal quale non si verificherebbe l’anisotropia da dipolo. E se riscontriamo l’effetto, è perché siamo animati rispetto ad esso da un’intera gerarchia di moti, da quello della Terra attorno al Sole, a quello dell’ammasso di galassie di cui fa parte la Via Lattea.....[2]

In sostanza gli osservatori isotropi sono quelli di un substrato in espansione tanto che.... vi fu a suo tempo chi parlò, a buon diritto, di una reincarnazione dell’etere...[2] anche se le circostanze e le motivazioni attuali sono alquanto diverse.

L’altra deviazione su grande scala dall’isotropia risultò concentrata lungo la Via Lattea ed è dovuta alla radiazione emessa dall’idrogeno ionizzato (v. fig.4b).

La comunità scientifica era peraltro ben consapevole che la radiazione di fondo avrebbe dovuto mostrare anche altre fluttuazioni del campo delle temperature in epoca primordiale, quando radiazione e materia interagirono per l’ultima volta. Tali fluttuazioni risultano indispensabili per dare poi origine alle aggregazioni da cui sarebbero nate le galassie [3]. Le deviazioni riscontrate da COBE furono dell’ordine di 0,00001 K rispetto alla temperatura media. La fig. 4c rappresenta esattamente queste irregolarità dopo aver sottratto il contributo dell’anisotropia di dipolo e della radiazione della nostra galassia.


Fine prima parte - Leggi la Seconda parte >>>


Bibliografia

[1] Detection of a Dipole in the Handedness of Spiral Galaxies with Redshifts z ~ 0.04, M. J. Longo, Physics Letters B (2011)

[2] Relatività e fisica delle particelle elementari, S. Bergia, Carrocci Editore (2009)

[3] L’Universo frattale, Bersani G. F., Scienza e Conoscenza (2013)


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Fausto Bersani Greggio
Laureato in Fisica presso l’Università degli Studi di Bologna con una tesi sulla quantizzazione del campo gravitazionale.Associato all'I.N.F.N.... Leggi la biografia
Laureato in Fisica presso l’Università degli Studi di Bologna con una tesi sulla quantizzazione del campo gravitazionale.Associato all'I.N.F.N. (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) dal 1995 al 2007 per collaborazioni ai progetti di ricerca degli esperimenti L.V.D. (Large Volume Detector) e O.P.E.R.A. (Oscillation Project with... Leggi la biografia

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