Un universo soltanto

Studiare l’universo non è una cosa facile. Non perché richiede un enorme sforzo intellettuale (che pure ci vuole) ma, forse soprattutto, perché di universo ce n’è uno solo.

Infatti se volessimo testare la legge di gravità ci basterebbe prendere un sasso e farlo cadere cento volte e potremmo osservare la validità di tale legge
(Non sarebbe una conferma perché poi magari potrebbe accadere che la centounesima volta il sasso non cade! – il metodo scientifico docet).

Dunque la vera frustazione è come ottimizzare al meglio l’universo come laboratorio. Infatti se per le singole galassie stiamo a posto perché di galassie siamo pieni, come dicevo, di universo, inteso come tutto quanto, ne abbiamo uno soltanto e non possiamo riprodurne in nessun modo uno uguale per i nostri esperimenti scientifici!

Quello che si può fare è, però, prendere vari pezzi di universo, dicendo che quei vari pezzi sono delle parti rappresentative dell’universo come intero; perciò studiando parecchi pezzi di universo possiamo studiare come è fatto l’universo. Questo è un tipo di approccio statistico ed è quello che si fa con l’universo attualmente.

Studiare le proprietà statistiche dell’universo è esattamente ciò che fanno i cosmologi.
Perché questa roba è importante? Provo a spiegarvelo.


Sono solo a casa e in mano ho un sacco di fagioli secchi. Non resisto alla tentazione e, come un bimbo capriccioso, li butto tutti a terra sul pavimento.
La mamma potrebbe essere molto arrabbiata quando tornerà a casa e vedrà la mia opera d’arte ma io potrei sempre rispondere che l’ho fatto per l’alta causa della divulgazione scientifica.
Tuttavia siccome non vivo a casa con i miei genitori il problema non si pone affatto!
E quindi via: fagioli a terra. Ora ogni fagiolo occuperà un posto sul pavimento – una ben precisa posizione.
Il primo pensiero potrebbe essere quello di aver combinato un disastro e che toccherà pulire in fretta – vivo pur sempre con la mia ragazza! – ma poi la scienza prende il sopravvento e le pulizie vengono inevitabilmente procastinate (ovvio!).

Infatti potrei chiedermi se il mio lancio di fagioli abbia creato una particolare distribuzione sul pavimento. Mi spiego meglio.

Prendiamo due fagioli che giacciono a terra. Essi saranno separati da una certa distanza. Ora potrei chiedermi: quante coppie di fagioli ci sono a terra che sono distanti “tot” centimetri?

D’altro canto voi potreste dire: ma perché mai dovresti chiederti una cosa del genere? Provo a spiegare anche questo.

Qua bisogna fermarsi un attimo a ragionare: infatti è chiaro che il numero di coppie sarà più grande quando considero distanze più grandi per il semplice fatto che ho un numero maggiore di fagioli coinvolti. Quindi se voglio capire se la mia “buttata” (d’ora in avanti la chiamerò così, perdonatemi) di fagioli è particolare, quello che dovrei fare sarebbe confrontare la distribuzione di fagioli che ho creato sul mio pavimento con un’altra distribuzione di fagioli, per esempio una in cui assegno la posizione a terra di ogni fagiolo in maniera casuale (magari facendolo fare ad un computer). A questo punto prendo una distanza, per esempio 5 centimetri e confronto il numero di coppie di fagioli nella mia “buttata” rispetto al numero di coppie della distribuzione casuale. Se questo rapporto è moooolto vicino al valore uno, allora vuol dire che la mia “buttata” ha effettivamente generato una distribuzione casuale.

Che ne dite? E’ chiaro? Se avete capito questo allora già avete compreso tre quarti di cosmologia! Possibile?

Facciamo “finta” che invece dei fagioli abbiamo le galassie e invece del pavimento abbiamo l’universo.
Diciamo che vogliamo contare quante coppie di galassie sono separate da una certa distanza, proprio come per i fagioli, e che vogliamo confrontare questo numero con quello di una ipotetica distribuzione casuale di galassie nell’universo. Ovviamente questo vogliamo farlo per diverse distanze.
Se, come risultato, otteniamo sempre un numero circa uguale ad uno allora abbiamo fatto una scoperta enorme: le galassie sono sono prevalentemente distribuite casualmente nell’universo!

Ma se il risultato è ben diverso da uno, allora la scopertà è gigantesca: le galassie non sono disposte a caso ma preferiscono mettersi a certe distanze le une dalle altre. Come avrete ben capito, questa è una cosa che non si può vedere ad occhio, semplicemente guardando una mappa delle galassie. Questo perché, infatti, diverse distribuzioni di galassie possono portare a proprietà statistiche simili, ovvero ad una qualche distanza preferenziale per un qualche diavolo di motivo fisico.

Non si tratterebbe di una cosa sorprendente, tuttavia. Per esempio, infatti,  nell’universo agisce la forza di gravità. Quindi le cose che hanno massa si attraggono tra loro. E le galassie hanno massa.
Già da questo uno si aspetta di trovare molte più coppie a piccole distanze nel nostro universo rispetto alle coppie che potremmo contare in una distribuzione casuale (in cui la gravità non c’è).
Mentre, andando via via a contare coppie a distanze più grandi, uno si aspetta che la situazione sia più o meno simile a quella di una distribuzione casuale, visto che la gravità è una forza che diminuisce all’aumentare della distanza.

E i cosmologi misurano proprio questo: l’eccesso (rispetto ad una distribuzione casuale) del numero di coppie di galassie ad una data distanza. Non è una cosa meravigliosa?

Questo grafico è preso da un vero articolo scientifico del 2012 di T.Hong e altri collaboratori .

Guardate il grafico qua sopra. Sull’asse orizzontale abbiamo le varie distanze; sull’asse verticale la lettera greca “xi” indica numero di galassie osservate diviso numero di galassie in una distribuzione casuale, il tutto meno uno (in modo tale che poi, a grandi distanze, invece di avere uno come detto sopra avremo zero).
La legenda si riferisce a diversi campioni di galassie: i quadratini bianchi rappresentano tutte le galassie studiate mentre i pallini neri solo le galassie più brillanti, diciamo così. E lasciate perdere il grafico in miniatura: si tratta di uno zoom che mostra che la piccola gobba che si può osservare nel grafico grande tra 100 e 120 è qualcosa di serio, ma di cui non parleremo oggi (si tratta di un segnale molto importante in cosmologia chiamato BAO – Baryonic Acoustic Oscillations o, in italiano, Oscillazioni acustiche dei barioni). Prometto che ne parleremo in un post successivo visto che si tratta di una cosa davvero importante e di un argomento molto interessante.

Ricapitolando, il grafico ci dice proprio che c’è un eccesso di coppie di galassie su piccola scala. E tutto ciò dipende da come è fatto l’universo, da quanta e da quale roba c’è (barioni, materia oscura, energia oscura addirittura!).

Dunque, cosa abbiamo imparato in questo post?
Abbiamo visto che siccome di universo ne abbiamo uno solo, non possiamo pretendere di studiarne le sue proprietà come fosse il solito sistema fisico che possiamo riprodurre quante volte vogliamo. L’unica strada è studiarne le proprietà statistiche, le quali possono essere uguali anche se abbiamo più universi che, a prima vista, sembrano differenti. Questo perché le proprietà statistiche non dipendono da l’esatta posizione delle galassie in universi diversi ma piuttosto da come esse sono “ammassate”; da questo possiamo capire se il modello di universo che abbiamo in mente funzioni o meno.

Questa è la cosmologia.
Questo è come possiamo capire come funziona l’universo in cui viviamo.

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