E se uno dei più grandi presupposti della cosmologia fosse sbagliato?
Una nuova ricerca suggerisce che l’universo potrebbe non essere perfettamente uniforme in ogni direzione, come gli scienziati hanno a lungo creduto. Una sconcertante discrepanza, nota come anomalia del dipolo cosmico, mostra che la distribuzione delle galassie e dei quasar distanti non si allinea con i modelli osservati nella luce residua del Big Bang. Se confermata, questa discrepanza potrebbe minare le fondamenta del modello cosmologico standard e costringere i ricercatori a ripensare completamente la struttura dell’universo.
La forma dell’universo non è un argomento a cui pensiamo spesso. Tuttavia, io e i miei colleghi abbiamo pubblicato un nuovo studio che suggerisce che potrebbe essere asimmetrica o irregolare, ovvero non uguale in ogni direzione.
Dovremmo preoccuparci di questo? Ebbene, l’attuale “modello cosmologico standard”, che descrive la dinamica e la struttura dell’intero cosmo , si basa interamente sul presupposto che esso sia isotropo (appaia uguale in tutte le direzioni) e omogeneo se considerato come una media su larga scala.
Tuttavia, diverse cosiddette “tensioni” – ovvero discrepanze nei dati – mettono in discussione questa idea di un universo uniforme.
Abbiamo appena pubblicato un articolo che analizza una delle tensioni più significative, nota come anomalia del dipolo cosmico. Concludiamo che l’anomalia del dipolo cosmico rappresenta una seria sfida alla descrizione dell’universo più ampiamente accettata, il modello cosmologico standard (anche chiamato modello Lambda-CDM ).
Che cos’è dunque l’anomalia del dipolo cosmico e perché rappresenta un problema così grande per i tentativi di fornire una descrizione dettagliata del cosmo?
Cominciamo con la radiazione cosmica di fondo (CMB) , ovvero la radiazione residua del Big Bang. La CMB è uniforme su tutto il cielo con una precisione di una parte su centomila.
Pertanto, i cosmologi si sentono sicuri nel modellare l’universo utilizzando la descrizione dello spaziotempo “massimamente simmetrica” della teoria della relatività generale di Einstein. Questa visione simmetrica dell’universo, in cui esso appare uguale ovunque e in tutte le direzioni, è nota come “descrizione FLRW”.
Questo semplifica enormemente la soluzione delle equazioni di Einstein e costituisce la base del modello Lambda-CDM.
Esistono però diverse anomalie importanti, tra cui una ampiamente dibattuta chiamata tensione di Hubble. Prende il nome da Edwin Hubble, a cui si attribuisce la scoperta, avvenuta nel 1929, dell’espansione dell’universo.
La discrepanza ha iniziato a emergere da diversi set di dati negli anni 2000, principalmente provenienti dal telescopio spaziale Hubble, ma anche da dati recenti del satellite Gaia. Questa discrepanza è dovuta a un disaccordo cosmologico, in cui le misurazioni del tasso di espansione dell’universo nei suoi primi istanti non coincidono con le misurazioni dell’universo più vicino (più recente).
L’anomalia del dipolo cosmico ha ricevuto molta meno attenzione rispetto alla tensione di Hubble, ma è ancora più fondamentale per la nostra comprensione del cosmo. Di cosa si tratta, quindi?
Dopo aver appurato che la radiazione cosmica di fondo (CMB) è simmetrica su larga scala, sono state individuate delle variazioni in questa radiazione relitta del Big Bang. Una delle più significative è l’anisotropia dipolare della CMB. Si tratta della maggiore differenza di temperatura nella CMB, dove un lato del cielo è più caldo e il lato opposto più freddo – circa una parte su mille. Si ritiene che ciò sia dovuto al moto locale del sistema solare.
Pertanto, non mette in discussione il modello Lambda-CDM dell’universo. Tuttavia, dovremmo riscontrare variazioni corrispondenti in altri dati astronomici.
Nel 1984, George Ellis e John Baldwin si chiesero se una variazione simile, o “anisotropia dipolare”, esistesse nella distribuzione celeste di sorgenti astronomiche distanti come radiogalassie e quasar. Le sorgenti devono essere molto distanti perché sorgenti vicine potrebbero creare un “dipolo di clustering” spurio.
Se l’ipotesi FLRW di un “universo simmetrico” è corretta, allora questa variazione nelle sorgenti astronomiche distanti dovrebbe essere determinata direttamente dalla variazione osservata nella radiazione cosmica di fondo (CMB). Questo è noto come test di Ellis-Baldwin , dal nome degli astronomi.
La coerenza tra le variazioni nella radiazione cosmica di fondo e nella materia supporterebbe il modello Lambda-CDM standard. La discordanza lo metterebbe direttamente in discussione, così come la descrizione FLRW. Poiché si tratta di un test molto preciso, il catalogo di dati necessario per eseguirlo è diventato disponibile solo di recente.
Il risultato è che l’universo non supera il test di Ellis-Baldwin.
La variazione della materia non corrisponde a quella della radiazione cosmica di fondo. Poiché le possibili fonti di errore sono piuttosto diverse per telescopi e satelliti, e per diverse lunghezze d’onda dello spettro, è rassicurante che lo stesso risultato si ottenga con radiotelescopi terrestri e satelliti che osservano a lunghezze d’onda del medio infrarosso.
L’anomalia del dipolo cosmico si è dunque affermata come una sfida importante al modello cosmologico standard, anche se la comunità astronomica ha scelto di ignorarla in larga misura.
Questo potrebbe dipendere dal fatto che non esiste un modo semplice per risolvere questo problema. Richiede di abbandonare non solo il modello Lambda-CDM, ma anche la descrizione FLRW stessa, e di ricominciare da capo.
Tuttavia, ci si aspetta una valanga di dati da nuovi satelliti come Euclid e SPHEREx, e da telescopi come l’Osservatorio Vera Rubin e lo Square Kilometre Array. È plausibile che presto potremmo ricevere nuove e importanti intuizioni su come costruire un nuovo modello cosmologico, sfruttando i recenti progressi in un sottocampo dell’intelligenza artificiale (IA) chiamato apprendimento automatico.
L’impatto sarebbe davvero enorme sulla fisica fondamentale e sulla nostra comprensione dell’universo.
Abstract
Il principio cosmologico, che afferma che l’Universo è omogeneo e isotropo (se mediato su grandi scale), è l’assunto fondamentale delle cosmologie di Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) come l’attuale standard Λ
-materia oscura fredda ( ΛCDM
modello. Questa semplificazione fornisce una soluzione esatta alle equazioni di campo di Einstein che mette in relazione spazio e tempo attraverso un singolo fattore di scala dipendente dal tempo, che definisce osservabili cosmologiche come il parametro di Hubble e il redshift cosmologico. La validità del principio cosmologico, che è alla base della cosmologia moderna, può ora essere rigorosamente testata con l’avvento di grandi cataloghi di radiogalassie e quasar che coprono quasi tutto il cielo. Sorprendentemente, si scopre che l’anisotropia dipolare nella distribuzione su larga scala della materia è incoerente con le aspettative derivanti dall’aberrazione cinematica e dagli effetti di amplificazione Doppler in un universo FLRW perturbato, che è l’interpretazione standard del dipolo osservato nella radiazione cosmica di fondo (CMB). Sebbene il dipolo della materia concordi in direzione con quello del dipolo della CMB, è anomalamente maggiore, dimostrando o che i sistemi di riferimento in cui materia e radiazione appaiono isotropi non sono gli stessi o che esiste un’inaspettata anisotropia intrinseca in almeno uno di essi. Questa discrepanza ora supera 5
in significato. Vengono esaminati i risultati recenti, così come i potenziali pregiudizi, i problemi sistematici e le interpretazioni alternative che sono state suggerite per contribuire ad alleviare la tensione. La conclusione del Colloquio è che l’anomalia del dipolo cosmico pone una seria sfida alla cosmologia FLRW e allo standard ΛCDM
modello in particolare, come descrizione adeguata del nostro Universo.
Materiale fornito da The Conversation . Articolo originale di Subir Sarkar, professore emerito dell’Università di Oxford. Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Nathan Secrest, Sebastian von Hausegger, Mohamed Rameez, Roya Mohayaee, Subir Sarkar. Colloquium: The cosmic dipole anomaly. Reviews of Modern Physics, 2025; 97 (4) DOI: 10.1103/9ygx-z2yq
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