7 minuti di letturaUn universo in crisi alla prima curva

7 minuti di letturaUn universo in crisi alla prima curva

Valentino Rossi è uno dei motociclisti più forti in curva che io abbia mai visto: riesce a recuperare terreno nei confronti dei suoi avversari proprio grazie alla sua incredibile capacità di staccare all’ultimissimo secondo prima di virare.

Lo studio dell’universo è proprio come un gran premio di motociclismo: tutti sperano ci sia un’ultima curva e poi il rettilineo finale, invece le curve non finiscono mai. Non solo: le curve arrivano anche a seminare discrepanze in un mondo già pieno di discrepanze di suo. Che poi il problema non è mica avere le discrepanze, anzi. Il problema è proprio capire perché queste discrepanze non si riescono a capire.

I like the smell of curvature in the morning

Il 5 novembre 2019 è uscito un articolo di Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri e Joseph Silk in cui si sono analizzati (di nuovo) i dati della radiazione cosmica di fondo raccolti dal satellite ESA Planck. Il titolo dice già molto: “Planck evidence for a closed universe and a possible crisis for cosmology“. Ahia.

ArXiv:1911.02087

Ma come, l’universo non era piatto? Questo è ciò che ci racconta il modello standard della cosmogia, il modello LCDM (Lambda Cold Dark Matter, cioè quello con energia e materia oscura). Questo modello è fatto di parametri che vanno incrociati con i dati per ottenere le migliori stime possibili dei parametri stessi.

E poi, perché è così importante che l’universo sia piatto? La storia è un po’ lunga e, verosimilmente, iniziata 13,7 miliardi di anni fa: all’epoca l’universo dovrebbe aver avuto una fase di espansione accelerata chiamata inflazione. Il condizionale è d’obbligo, visto che non abbiamo al momento avuto modo di verificare ciò. Tuttavia l’inflazione è una teoria fenomenologica, cioè spiega qualcosa che effettivamente osserviamo nei dati della radiazione di fondo (per esempio, la piattezza dell’universo).

Capite subito quindi che se l’universo non fosse piatto ma curvo, allora anche l’inflazione sarebbe un po’ da rivedere, non solo il modello standard LCDM. Insomma, un vero e proprio casino. Ma è davvero così brutta la situazione descritta dall’articolo di Di Valentino, Melchiorri, Silk? La risposta è nì. Vediamo perché.

L’analisi di Di Valentino et al. ha messo a confronto un modello simulato piatto di universo (quindi un modello vincolato) con un modello in cui i parametri LCDM sono stati invece lasciati liberi di variare rispetto ai dati della radiazione cosmica di fondo. Il risultato è stato questo qua.

In orizzontale c’è il parametro che indica quanto l’universo è curvo; in verticale c’è la probabilità (rispetto alla probabilità massima) che un dato valore di curvatura (letto in orizzontale) sia misurato. La curva blu si riferisce al modello piatto simulato (e infatti si ha un valore in verticale uguale a 1 in corrispondenza di curvatura uguale a 0); le altre curve si riferiscono alla nuova analisi di Di Valentino et al. dei dati di Planck 2018 con parametri liberi. La curva verde si riferisce all’analisi con parametri liberi dei dati di Planck 2015: come vedete i dati di Planck hanno sempre preferito un modello di universo curvo. (Crediti: ArXiv:1911.02087)

Nella didascalia ho spiegato tutto, in particolare il punto finale: i dati di Planck preferiscono modelli di universo con curvatura non nulla. Certo, stiamo parlando di una curvatura pari a -0,04 anziché 0; ma ciò che più importa non è il picco dei singoli grafici, bensì quanto siano larghi e, come vedete, sono abbastanza distanti (qualunque cosa voglia dire statisticamente, per ora non ce ne preoccupiamo) da dire che forse un problema esiste.

Meglio curvo che piatto?

Ma allora perché non prendiamo semplicemente atto che l’universo è curvo secondo la radiazione di fondo? Innanzitutto, gli stessi autori Di Valentino et al. fanno notare che potrebbe esserci qualcosa di errato nei dati, non si sa mai, e questa cosa va investigata più in dettaglio.

Inoltre, c’è un’altra grossa discrepanza in cosmologia e che preoccupa parecchio gli astrofisici: la stima del valore della costante di Hubble. Se prendiamo diverse osservazioni indipendenti (quindi non soltanto la radiazione di fondo, ma anche per esempio le supernovae di tipo Ia) saltano fuori diverse stime della costante di Hubble. Tenendo però per buono che valga il modello LCDM. Dato il lavoro di Di Valentino et al. si potrebbe pensare che magari bisogna usare un modello di universo curvo e non piatto come invece è il LCDM. Proprio gli stessi Di Valentino et al. hanno provato a battere questa strada e il risultato è stato questo.

Combinando diverse osservazioni indipendenti e assumendo un universo curvo non si risolve la discrepanza della stima dell costante di Hubble (H0). Anzi, quasi peggiora la situazione. (Crediti: ArXiv:1911.02087)

Come vedete, la discrepanza resta: non sappiamo se l’universo sia davvero curvo, ma anche se fosse, non è questa la soluzione al problema generale della combinazione di tutte le osservazioni cosmologiche attualmente a disposizione. Il mistero non solo resta, ma si infittisce pure.

Curvo all’improvviso o mai stato piatto?

Io lo so però che cosa vi state chiedendo: ma se già dal 2015 e poi nel 2018 i dati di Planck indicavano un universo (leggermente) curvo, perché continuiamo a parlare di universo piatto da anni? Vediamo che cosa c’era scritto nell’articolo del 2018 della Planck Collaboration:

Fonte: ArXiv:1806209

I numeretti ai lati indicano le barre di errore minime associate alla stima (che in questo caso è di una curvatura di -0,056). Ma allora è vero, sapevamo già tutto anni fa! Piano, andiamo avanti.

Fonte: ArXiv:1806209

Ci sono molte informazioni in questo spicchio di articolo, ma il succo è questo: la colpa è del lensing gravitazionale della radiazione cosmica di fondo. Cioè, la luce della radiazione cosmica, per arrivare sino a noi, attraversa tutto l’universo. E, nel farlo, incontra la materia, la quale curva lo spaziotempo. Quindi la luce della radiazione di fondo non viaggia diritta ma curva. Risultato: le strutture che vediamo nella radiazione di fondo sono deformate e/o ingrandite.

Non ci sono bicchieri nell’universo (oltre che sulla Terra), ma più o meno questo è l’effetto (esagerato, chiaro!).

Guardate la foto qui sopra: man mano che ci allontaniamo dal centro del bicchiere l’effetto di distorsione diminuisce. Infatti, il lensing gravitazionale della radiazione di fondo è particolarmente importante su piccole scale. Proprio qui, su piccole scale, è importante confrontare il modello teorico con i dati. Le analisi di Planck 2015 e 2018 trovano valori negativi per il parametro di curvatura quando si cerca più è alto l’effetto del lensing sulla radiazione di fondo.

I problemi però qui sono due: primo, i modelli devono funzionare bene anche su grandi scale; secondo, tutto deve essere confortato anche da altri tipi di osservazioni cosmologiche.

Infatti, proprio nell’articolo di analisi di Planck 2018 c’è questo grafico che mostra come, nonostante qualche pagina prima si fosse trovata una stima negativa per la curvatura, l’unione dei dati della radiazione di fondo con altre osservazioni spinge per una stima del parametro di curvatura che corrisponde a un universo piatto.

Diversi parametri a confronto (tra cui la curvatura, sull’asse orizzontale) combinando diverse osservazioni: radiazione di fondo, lensing, BAO (oscillazioni acustiche dei barioni). Come vedete, l’apporto dei dati BAO spinge fortemente per una curvatura uguale a zero.
Fonte: ArXiv:1806209

Quindi, alla fine, se non ci sono troppe discrepanze, allora possiamo dirci tutti d’accordo su un universo piatto, malgrado le preferenze dei dati di Planck? Diciamo che questa è la cosa più semplice da fare. Invece, direi giustamente, Di Valentino, Melchiorri, Silk hanno provato a scavare più a fondo e la loro ri-analisi dei dati ha infatti portato ad affermare con maggiore forza questo aspetto peculiare dei dati di Planck. Aspetto che magari nasconde qualcosa di nuovo da capire e che non deve essere messo sotto al tappeto, a quanto pare.

Sogno o ho bisogno di nuovi dati?

Ultima cosa da dire: è se tutta questa storia della curvatura fosse solo una fluttuazione statistica? Leggiamo direttamente la risposta data da Melchiorri a Marco Malaspina di Media INAF.

Insomma, meglio tenere gli occhi aperti su questa storia, come dice anche l’astrofisico Peter Coles nel suo blog.

E quali sono le future missioni che potrebbero aiutare a capire meglio? Sicuramente il telescopio spaziale Euclid, la missione ESA che ha come obiettivo proprio misurare la curvatura dell’universo, e poi anche da terra il Simons Observatory, il radio telescopio fatto appositamente per studiare la radiazione di fondo e situato nel deserto di Atacama in Cile.

Insomma, la crisi c’è e lo sapevamo già. È chiaro che risultati come questo gettino un po’ di panico nella comunità astrofisica. L’astrofisica vive continuamente fasi di questo tipo: l’importante è tenere la mente aperta a qualsiasi evoluzione. Non sempre è facile, gli astrofisici sono persone, discutono a volte anche intensamente su posizioni in bilico. Spesso gli attriti nascono anche dalla lotta verso fondi economici e posizioni di prestigio. Tuttavia, confido che il dibattito scientifico su questo tema della curvatura (e della costante di Hubble) porterà a un nuovo eccitante modo di vedere l’universo.


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