L’Universo si espande oscillando

L’analisi dei dati delle supernovae distanti ha portato due fisici dell’Università del Mississippi a concludere che l’Universo non solo si sta espandendo ma allo stesso tempo oscilla. I risultati, pubblicati su Astronomical Journal, suggeriscono che lo spazio sia passato da una fase di espansione rallentata ad una fase di espansione accelerata non una volta bensì 7 volte nel corso di 13,8 miliardi di anni di vita.

Secondo due fisici dell’University of Southern Mississippi, Lawrence Mead e Harry Ringermacher  il nostro Universo non solo si sta espandendo ma allo stesso tempo starebbe oscillando. I risultati di questo studio, pubblicati su Astronomical Journal, suggeriscono che l’Universo sia passato da una fase di espansione rallentata ad una fase di espansione accelerata non una volta bensì 7 volte nel corso di 13,8 miliardi di anni. Naturalmente si tratta di una conclusione che secondo gli stessi autori dovrà essere provata o smentita raccogliendo ulteriori dati osservativi in particolare dalle supernovae distanti.

Tutti abbiamo sentito parlare della “teoria del Big Bang”. Esiste persino un’importante serie televisiva che ha come titolo questa teoria. Secondo questa “teoria”, la storia dell’Universo inizia circa 13-14 miliardi di anni fa quando un evento singolare, il Big Bang, generò lo spazio, il tempo, la materia e l’energia nella forma di tutto ciò che osserviamo oggi come particelle, pianeti, stelle e galassie, inclusa la vita stessa. Il Big Bang indica quel particolare istante che i cosmologi identificano per descrivere l’evento iniziale da cui ha avuto origine l’Universo, una sorta di gigantesca “esplosione dello spazio”, e non nello spazio, un evento singolare che rimane ancora un mistero e dove le leggi della fisica vengono meno. Anche se il Big Bang viene accettato oggi come il quadro teorico più adeguato per descrivere con buona approssimazione l’evoluzione dell’Universo, tuttavia questo modello non permette di spiegare in maniera definitiva né l’origine dell’Universo né cosa c’era eventualmente prima. Infatti, le leggi della fisica, così come noi le conosciamo, non sono in grado di descrivere esattamente la storia dell’Universo ma ci permettono di avvicinarci al momento iniziale e di comprendere la realtà fisica solo attraverso una serie di eleganti approssimazioni.

Una volta originatosi, l’Universo si espanse fino a raggiungere le dimensioni attuali, nonostante la gravità dovuta a tutta la materia (materia visibile e materia oscura) tenderebbe a rallentare l’espansione, almeno così si pensava qualche tempo fa. Intanto, nel 1978, Arno Allan Penzias e Robert Woodrow Wilson ricevettero il Premio Nobel per la Fisica per la loro importante scoperta della radiazione cosmica di fondo, cioè la radiazione primordiale o la “eco” della grande esplosione iniziale, che essi rivelarono per caso nel 1964 e che rappresenta una chiara evidenza a favore del modello del Big Bang. Nel frattempo, l’acquisizione di una quantità enorme di dati astronomici, grazie soprattutto al progresso tecnologico che ha fornito strumenti sempre più sofisticati, ha permesso di verificare il modello cosmologico con una straordinaria accuratezza. «Poi nel 1998, un’altra fondamentale scoperta dell’espansione accelerata dell’Universo divenne un risultato scioccante quando venne confermata indipendentemente da due gruppi di ricercatori», spiega Mead. «Una nuova forma di energia, detta energia oscura, di natura repulsiva, si ritiene sia responsabile dell’espansione accelerata. Nel 2011, i due gruppi, guidati da Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt vinsero il Premio Nobel per la Fisica». Si ritiene che il passaggio dalla fase di espansione rallentata alla fase di espansione accelerata, cioè il periodo in cui è avvenuta la transizione, risalga approssimativamente a 6 o 7 miliardi di anni fa.

Figura 1. Grafico che illustra l’evoluzione del cosmo secondo il modello del Big Bang. Credit: NASA
Figura 1. Grafico che illustra l’evoluzione del cosmo secondo il modello del Big Bang. Credit: NASA

Nella figura 1 è mostrato un diagramma realizzato dalla NASA che rappresenta l’evoluzione dell’Universo. Sono illustrati gli eventi principali dall’inizio del tempo fino ad oggi, così come viene descritto dall’attuale modello cosmologico “standard” o “ΛCDM” (Lambda Cold Dark Matter) dove la lettera greca Λ sta ad indicare la famosa costante cosmologica di Einstein, responsabile dell’espansione accelerata dello spazio. La forma a “campana” visualizza l’espansione dello spazio. Il momento della transizione è dato dal punto in cui la forma a campana si apre, dall’interno verso l’esterno, proseguendo da sinistra a destra. «Ciò che abbiamo trovato suggerisce che l’Universo sia passato da una fase di espansione rallentata ad una fase di espansione accelerata non una volta bensì 7 volte nel corso di 13,8 miliardi di anni», dice Mead. «Queste oscillazioni sono equivalenti a un ‘suono’ che si sta ormai esaurendo e ora è molto debole, un po’ come quando viene emesso un suono smorzato di un cristallo di vetro quando viene colpito».

Figura 2. L’Universo ‘oscilla’ mentre si espande. I risultati di questo studio sono sovrapposti al modello ΛCDM della figura 1. Credit: H. I. Ringermacher e L. R. Mead 2015
Figura 2. L’Universo ‘oscilla’ mentre si espande. I risultati di questo studio sono sovrapposti al modello ΛCDM della figura 1. Credit: H. I. Ringermacher e L. R. Mead 2015

La figura 2 mostra i risultati di questo studio sovrapposti al modello ΛCDM della figura 1. L’ampiezza dell’oscillazione è stata esagerata ma la sua frequenza è indicativamente corretta. Ringermacher e Mead hanno trovato che tale oscillazione non è esattamente un’onda che si propaga attraverso l’Universo, come ad esempio può essere un’onda gravitazionale, piuttosto è essa stessa “l’onda dell’Universo”.

«La scoperta è stata fatta per caso quando, grazie ad una collaborazione con altri colleghi che studiano i modelli di materia oscura relativi alla formazione galattica, essi trovarono un nuovo modo di disegnare un grafico, così come viene riportato nei libri di testo, che descrive la variazione delle dimensioni dell’Universo in funzione della sua età e che non dipende dalla scelta a priori dei modelli dell’Universo, come era stato fatto in maniera tradizionale», aggiunge Ringermacher. «Il grafico espresso in termini della variazione delle dimensioni dello spazio in funzione del tempo, cioè il diagramma di Hubble, è stato costruito determinando la distanza delle supernovae di tipo Ia che servono come ‘candele standard’ per misurare le distanze cosmologiche e quindi l’espansione dell’Universo», dice Ringermacher. «Se analizziamo più attentamente la nostra simulazione per localizzare il periodo della transizione, si vede che ce ne è stato più di uno, cioè si notano almeno tre massimi e tre minimi, con una frequenza di quasi 7 cicli nel corso della vita dell’Universo. In altre parole, è lo spazio stesso che ha accelerato la sua espansione seguita da una fase di espansione rallentata per ben 7 volte da quando si è originato».

Mead e Ringermacher concludono affermando che questi risultati dovranno certamente essere verificati da ulteriori studi indipendenti, meglio se provengono da nuove osservazioni di supernovae distanti, per confermare o meno la loro veridicità.

Il grafico illustra il diagramma di Hubble che descrive l’andamento del fattore scala a(t) in funzione del tempo per le supernovae distanti. In basso sono mostrate le derivate del fattore scala e il best-fit (linea blu) che evidenzia le oscillazioni. Si notano tre massimi (a t= 0.87, 0.71 e 0.56) e tre minimi (a t=0.78, 0.63 e 0.47). Credit: H. I. Ringermacher e L. R. Mead, 2015
Il grafico illustra il diagramma di Hubble che descrive l’andamento del fattore scala a(t) in funzione del tempo per le supernovae distanti. In basso sono mostrate le derivate del fattore scala e il best-fit (linea blu) che evidenzia le oscillazioni. Si notano tre massimi (a t= 0.87, 0.71 e 0.56) e tre minimi (a t=0.78, 0.63 e 0.47). Credit: H. I. Ringermacher e L. R. Mead, 2015

 

L’articolo originale è stato redatto da Corrado Ruscica, ed è reperibile QUI sul sito MEDIA INAF.

Per capire meglio cosa è il modello cosmologico standard e il fattore scala a(t) visionate QUESTO articolo sul portale.

Gli articoli di riferimento sono:

The Astronomical Journal: H. I. Ringermacher and L. R. Mead, 2015 – OBSERVATION OF DISCRETE OSCILLATIONS IN A MODEL-INDEPENDENT PLOT OF COSMOLOGICAL SCALE FACTOR VERSUS LOOKBACK TIME AND SCALAR FIELD MODEL, reperibile in formato gratuito arXiv QUI.

The Astronomical Journal: H. I. Ringermacher and L. R. Mead, 2015 – MODEL-INDEPENDENT PLOTTING OF THE COSMOLOGICAL SCALE FACTOR AS A FUNCTION OF LOOKBACK TIME, reperibile in formato gratuito arXiv QUI.

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8 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Nel grafico della terza immagine, sembra di intravedere oscillazioni ad una frequenza ben più elevata di quella della curva blu, ma suppongo possano trattarsi di errori sistematici di misurazione, di cui si è comunque tenuto conto (poi, senza barre d'errore, non è facile giudicare la precisione del grafico...).

    Comunque è molto interessante. Se le misure dovessero rivelarsi esatte, potrebbe essere interpretato come un effetto residuo legato al periodo di inflazione? Una sorta di "eco", di "rimbalzo smorzato" della espansione fortemente accelerata iniziale?

  2. Citazione Originariamente Scritto da bertupg Visualizza Messaggio
    Nel grafico della terza immagine, sembra di intravedere oscillazioni ad una frequenza ben più elevata di quella della curva blu, ma suppongo possano trattarsi di errori sistematici di misurazione, di cui si è comunque tenuto conto (poi, senza barre d'errore, non è facile giudicare la precisione del grafico...).

    Comunque è molto interessante. Se le misure dovessero rivelarsi esatte, potrebbe essere interpretato come un effetto residuo legato al periodo di inflazione? Una sorta di "eco", di "rimbalzo smorzato" della espansione fortemente accelerata iniziale?
    Ottimo occhio @bertupg, avevo notato anche io queste oscillazioni. Tuttavia come dici, è difficile valutarlo perchè non vi sono le barre di errore. Con buona probabilità le barre di errore sono abbastanza alte da non permettere di fare una analisi di dettagli così fini.
    L'interpretazione che proponi è possibile ma in effetti è tutto da confermare.

  3. Citazione Originariamente Scritto da Red Hanuman Visualizza Messaggio
    Beh, se l'effetto è quello di uno smorzamento, mi aspetterei onde di ampiezza elevata, che poi si smorzano...
    Esattamente, e questo dello smorzamento è un effetto incluso nel modello che hanno utilizzato. Se vedi infatti il grafico, l'ampiezza del modello in blu si va a smorzare con il passare del tempo. Ci sono anche altri grafici nell'articolo che mostrano questo effetto.

  4. Molto interessante

    @Enrico Corsaro se per assurdo questa intuizione si rivelasse corretta, tutto il discorso sulla geometria dell universo sarebbe da rivedere? Avrebbe ancora senso parlare di geometria piana, sferica e iperbolica?

    Inoltre non ho ben capito: secondo gli studiosi da cosa dovrebbe essere causata questa oscillazione?
    Ricordo questo grafico Allegato 12322
    Significherebbe forse che a periodi alterni hanno dominato prima la densità di materia (e quindi la gravità) e poi la densità di energia oscura? Oppure secondo te l interpretazione corretta è un altra?

    E poi un ultima domanda, forse un po delicata visti i tuoi precedenti moniti.
    Nella seconda immagine l oscillazione viene rappresentata come se l universo aumentasse e diminuisse di volume nel corso del tempo. Ovviamente questa è solo una rappresentazione che banalizza l effetto e che tiene conto più che altro della frequenza con cui queste oscillazioni si sono presentate, però se parliamo di accelerazione e decelerazione della velocità di espansione, la seconda immagine dovrebbe essere diversa. Cioè prima l universo si espande lentamente, poi accelera, poi di nuovo si espande lento, poi di nuovo accelera, e così via...
    Non sarebbe più giusto rappresentarlo come una scalinata a gradoni? Insomma questo Allegato 12323 periodi di forte incremento del volume alternati a periodi di rallentamento e stasi...
    So che si tratta solo di analogie (ormai l ho capito bene ), però in questo modo mi sembra più rappresentativa.. tu che ne pensi?

    Grazie

  5. Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    @Enrico Corsaro se per assurdo questa intuizione si rivelasse corretta, tutto il discorso sulla geometria dell universo sarebbe da rivedere? Avrebbe ancora senso parlare di geometria piana, sferica e iperbolica?
    La geometria non ha un ruolo in questo caso, a quanto risulta dai modelli. Inoltre la geometria viene anche misurata osservativamente (senza l'uso di modelli) e sappiamo essere piatta in ogni caso. Non dovrebbe cambiare nulla dunque in base a quanto ho visto nell'articolo, perchè sembra questo effetto possa essere dovuto alla sola inflazione e non è dunque legato alla energia oscura o alla materia, il cui bilancio dunque rimarrebbe come già discusso in precedenza. Uso il condizionale doverosamente perchè stiamo parlando di ipotesi, non è ancora nulla di confermato.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Inoltre non ho ben capito: secondo gli studiosi da cosa dovrebbe essere causata questa oscillazione?
    Ricordo questo grafico Allegato 12322
    Significherebbe forse che a periodi alterni hanno dominato prima la densità di materia (e quindi la gravità) e poi la densità di energia oscura? Oppure secondo te l interpretazione corretta è un altra?
    Gli autori spiegano l'effetto con il cosiddetto campo scalare, un campo che si reputa responsabile dell'inflazione, non entrano dunque in gioco materia ed energia oscura. Combinando l'equazione del campo scalare con le equazioni di campo di Einstein si può trovare una soluzione di inflazione con una oscillazione smorzata, che loro mostrano può rappresentare in modo ragionevole i dati, come in questo grafico:
    Allegato 12324
    dove nella seconda parte, quella più recente diciamo, si vede appunto la misura della derivata temporale del fattore scala misurata dai dati. In realtà quello che sta veramente accadendo non è un alternarsi di espansione più e meno accelerate, ma di contrazioni ed espansioni, cioè l'universo si è contratto e riespanso in modo alternato, con un effetto dominante di espansione accelerata che è subentrato solo di recente.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    E poi un ultima domanda, forse un po delicata visti i tuoi precedenti moniti.
    Nella seconda immagine l oscillazione viene rappresentata come se l universo aumentasse e diminuisse di volume nel corso del tempo. Ovviamente questa è solo una rappresentazione che banalizza l effetto e che tiene conto più che altro della frequenza con cui queste oscillazioni si sono presentate, però se parliamo di accelerazione e decelerazione della velocità di espansione, la seconda immagine dovrebbe essere diversa. Cioè prima l universo si espande lentamente, poi accelera, poi di nuovo si espande lento, poi di nuovo accelera, e così via...
    Non sarebbe più giusto rappresentarlo come una scalinata a gradoni? Insomma questo Allegato 12323 periodi di forte incremento del volume alternati a periodi di rallentamento e stasi...
    So che si tratta solo di analogie (ormai l ho capito bene ), però in questo modo mi sembra più rappresentativa.. tu che ne pensi?
    Certo senz'altro lo schemino va bene per capirci, non preoccuparti! Nel qual caso come dicevo prima, il disegno non va bene, non hai una espansione a gradino, ma hai proprio una modulazione sinusoidale, cioè contrazioni ed espansioni alternate. Ma non sarebbe dovuto a causa del fatto che la materia prende il sopravvento sull'energia oscura e viceversa, ma a causa di questo campo scalare che ha generato l'inflazione, provocando una espansione fortissima iniziale ed una conseguente oscillazione smorzata sull'intero volume dell'Universo, protatta fino a tempi più recenti.

  6. @Enrico Corsaro

    Aspetta, aspetta, aspetta!!! Mi stai dicendo che secondo questo studio, l universo si è espanso e poi contratto di volume, proprio come rappresentato nella seconda immagine dell articolo??
    Ma è incredibile!!!

    Quindi, vediamo se ci sono:
    1) Da quando è nato l universo ci sono state sette oscillazioni ovvero espansioni seguite da contrazioni del volume.

    2) Queste oscillazioni sono dovute al campo scalare, il quale è causa dell inflazione stessa. Quindi energia oscura e gravità non c entrano nulla. Mi pare di capire che sia il fattore di scala a(t) a variare e a causare questo effetto di oscillazione.

    3) nell ultimo periodo è subentrata un ulteriore componente di espansione accelerata (questa mi pare di capire sia quella dovuta all energia oscura e quindi spiegabile con il grafico delle densità).

    4) Ho visto che Red ha parlato di smorzamento di queste oscillazioni. In effetti non ci avevo fatto caso all inizio.
    Ma questo cosa significa?
    È forse interpretabile nel seguente modo?: inizialmente le oscillazioni erano molto forti e accentuate, forse l universo si stava stabilizzando. Poi dopo un graduale smorzamento di queste oscillazioni è subentrata l espansione accelerata a cui oggi si assiste.

    Cosa sbaglio?


    Ultima domanda: come ti poni nei confronti di questo studio? Lo consideri ragionevole e capace di darci nuove prospettive, oppure sei un po scettico?

    Grazie di nuovo

  7. Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Aspetta, aspetta, aspetta!!! Mi stai dicendo che secondo questo studio, l universo si è espanso e poi contratto di volume, proprio come rappresentato nella seconda immagine dell articolo??
    Ma è incredibile!!!
    Si esatto.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Quindi, vediamo se ci sono:
    1) Da quando è nato l universo ci sono state sette oscillazioni ovvero espansioni seguite da contrazioni del volume.
    Si.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    2) Queste oscillazioni sono dovute al campo scalare, il quale è causa dell inflazione stessa. Quindi energia oscura e gravità non c entrano nulla. Mi pare di capire che sia il fattore di scala a(t) a variare e a causare questo effetto di oscillazione.
    Sarebbe la presenza di questo campo scalare ad aver creato una modulazione sinusoidale aggiuntiva sulla derivata prima del fattore scala, facendo dunque si che l'Universo si contraesse ed espandesse periodicamente.
    L'effetto è osservato sulla derivata prima di a(t), che ricordo essere legata alla velocità di espansione. Quando la derivata prima di a(t) è negativa, come si osserva da queste misure, significa che la velocità è negativa, cioè c'è una contrazione.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    3) nell ultimo periodo è subentrata un ulteriore componente di espansione accelerata (questa mi pare di capire sia quella dovuta all energia oscura e quindi spiegabile con il grafico delle densità).
    Si, devi vedere l'espansione accelerata come un effetto aggiuntivo, sovrapposto a quello della modulazione sinusoidale.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    4) Ho visto che Red ha parlato di smorzamento di queste oscillazioni. In effetti non ci avevo fatto caso all inizio.
    Ma questo cosa significa?
    È forse interpretabile nel seguente modo?: inizialmente le oscillazioni erano molto forti e accentuate, forse l universo si stava stabilizzando. Poi dopo un graduale smorzamento di queste oscillazioni è subentrata l espansione accelerata a cui oggi si assiste.
    Lo smorzamento è qualcosa presente in molte cose in natura, soprattutto quando parliamo di oscillatori. Quando hai una causa iniziale, che provoca l'oscillazione, a meno che questa causa non continui a sussistere, l'oscillazione è naturalmente destinata a disperdersi con il passare del tempo per effetti dissipativi del sistema.
    Nel qual caso, la causa iniziale di questa oscillazione sarebbe stata l'inflazione, che si è verificata solo una volta per l'appunto. Finita l'inflazione, il sistema tende all'equilibrio, cioè a stabilizzarsi, facendo così che l'oscillazione prodotta si smorzi.
    Si tratta in ogni caso di una soluzione matematica dell'equazione del campo scalare.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Ultima domanda: come ti poni nei confronti di questo studio? Lo consideri ragionevole e capace di darci nuove prospettive, oppure sei un po scettico?
    Francamente sono un pò perplesso dal fatto che gli autori non riportino le barre di errore sulle misure. E' molto importante capire che incertezza ci sia sui dati e con quale livello di confidenza (statisticamente parlando) si possa arrivare a vincolare un modello simile. Ci vorrebbero più dati ma sicuramente nei prossimi anni ne arriveranno altri e si potrà capire meglio. Sarei inoltre curioso di capire come risponderebbero gli autori alla domanda sull'impatto delle barre di errore. Loro comunque rimangono cauti dicendo che lo studio necessita di conferme.

    Citazione Originariamente Scritto da DarknessLight Visualizza Messaggio
    Grazie di nuovo
    Di niente