Più di dieci anni fa, mentre misuravano la temperatura dell’universo, gli astronomi trovarono qualcosa di strano. Scoprirono che un pezzo di cielo, largo quanto 20 lune, era insolitamente freddo.
Gli astronomi stavano misurando la radiazione a microonde che bagna l’intero universo, un relitto incandescente del big bang. Guardare questo fondo cosmico a microonde, o CMB, è intravedere l’universo primordiale, un tempo in cui aveva meno di 400.000 anni.
Ciò che ora sta emergendo come ipotesi principale è un supervuoto cosmico
Il CMB copre il cielo, e sembra più o meno lo stesso ovunque, fumante a una temperatura debolmente fredda di 2,725 kelvin – solo un paio di gradi più caldo dello zero assoluto. Ma armati del satellite WMAP appena lanciato, gli astronomi si erano prefissati di sondare variazioni di temperatura minime come una parte su 100.000. Nate dalla schiuma quantistica che era l’universo un mezzo momento dopo il big bang, queste fluttuazioni casuali aiutano gli scienziati a capire di cosa è fatto il cosmo e come è nato il tutto.
E in mezzo a queste fluttuazioni spiccava un punto freddo. Nel corso degli anni, gli astronomi hanno proposto ogni sorta di idee per spiegarlo, dall’errore strumentale agli universi paralleli. Ma ora, si sono concentrati su un sospetto principale: un’enorme caverna di vuoto chiamata supervuoto cosmico, così grande che potrebbe essere la più grande struttura dell’universo.
Secondo la teoria, un vuoto così vasto, in cui non esiste una stella o una galassia, può lasciare un’impronta gelida sulla CMB. La risposta al mistero, quindi, potrebbe essere semplicemente un sacco di niente. Eppure gli enigmi rimangono, e il caso è tutt’altro che chiuso.
Come fare un punto freddo
Il punto freddo non è l’unica cosa strana nella CMB. Gli scienziati hanno trovato diverse altre anomalie di questo tipo – per esempio, i segnali di metà del cielo appaiono leggermente più forti dell’altra metà. La teoria standard della cosmologia, che altrimenti è stata profetica nel prevedere i dettagli della CMB, non può spiegare completamente queste stranezze, di cui la macchia fredda è una delle più importanti.
Una macchia davvero grande potrebbe agire come una sorta di lente distorcente
La spiegazione più semplice per le anomalie è che siano dei colpi di fortuna, artefatti del caso tra le fluttuazioni di temperatura casuali della CMB. Quando lanci una moneta cento volte, c’è sempre una possibilità di ottenere 20, 30, o anche 50 teste di fila. La sfida per gli scienziati è capire se quelle anomalie sono dovute alla fortuna o a una moneta pesata. Per quanto riguarda il punto freddo, i dati mostrano che la probabilità che sia un colpo di fortuna è una su 200. Non impossibile, ma nemmeno probabile.
Alcuni scienziati avevano suggerito che la macchia fredda fosse dovuta a un errore strumentale o al modo in cui i dati erano stati analizzati. Ma nel 2013, nuove osservazioni del satellite Planck hanno confermato le precedenti rilevazioni della macchia fredda. E ha richiesto una spiegazione.
Quella che ora sta emergendo come ipotesi principale è un supervuoto cosmico. Tutto il materiale del cosmo – galassie e materia oscura invisibile – si estende nello spazio in una vasta rete di fogli, viticci e filamenti. In mezzo ci sono sacche di vuoto chiamate vuoti, che sono di molte forme e dimensioni. Uno davvero grande potrebbe agire come una sorta di lente distorcente, facendo apparire la CMB più fredda di quanto sia in realtà.
Mentre un fotone si muove all’interno di un vuoto, l’universo continua ad espandersi sempre più velocemente
La ragione è questa: Quando la luce viaggia attraverso un vuoto, perde energia e la sua frequenza diminuisce, spostandosi verso la frequenza più bassa, la parte più rossa dello spettro. Come la maggior parte delle cose, la luce è soggetta all’influenza della gravità, che può agire sui fotoni lungo il loro viaggio. All’interno di un vuoto, tuttavia, la scarsità di materia significa che non c’è quasi nessuna gravità che possa influenzare la luce. Per un fotone, volare nel vuoto è come scalare una collina. E la scalata richiede energia.
Ma il fotone può recuperare quell’energia. Una volta uscito dal vuoto, si ritrova di nuovo circondato dalla materia, e l’influenza gravitazionale è sufficiente a tirarlo, iniettandogli l’energia che aveva perso.
Perché un fotone perda energia, è necessaria l’espansione accelerata dell’universo. Mentre un fotone si muove nel vuoto, l’universo continua ad espandersi sempre più velocemente. Quando il fotone lascia il vuoto, scopre che – grazie a questo allungamento cosmico – tutta la materia si è diffusa. Poiché la materia è ora più ampiamente distribuita, il suo effetto gravitazionale non è così forte. Non può attrarre il fotone con la stessa forza di prima, e il fotone non può recuperare l’energia che aveva una volta.
Ci potrebbe essere un vuoto a meno di 3 miliardi di anni luce
I fisici hanno studiato questo fenomeno alla fine degli anni ’60, ma nessuno lo aveva mai osservato. Ma dopo la scoperta del punto freddo, astronomi come Istvan Szapudi dell’Università delle Hawaii hanno iniziato a cercare prove di questo comportamento, chiamato effetto integrato Sachs-Wolfe, o ISW. Nel 2008, l’ha trovato.
Il sorprendente supervuoto
Szapudi non poteva identificare i singoli vuoti che lasciano impronte sulla CMB – non aveva i dati per farlo. Invece, lui e il suo team hanno cercato un effetto ISW complessivo in un’analisi statistica di 100 vuoti e ammassi di galassie, il cui peso gravitazionale crea un effetto di riscaldamento e lascia punti caldi nella CMB. I ricercatori hanno trovato un vero effetto ISW, cambiando la temperatura della CMB di una media di circa 10 milionesimi di kelvin, o 10 microkelvin.
Rispetto al punto freddo, che è circa 70 microkelvin più freddo della media della CMB, l’effetto è piccolo. Ma il punto era mostrare che i vuoti possono creare punti freddi. Se un vuoto fosse abbastanza grande, potrebbe plausibilmente creare il punto freddo. “Se questo punto freddo è la più grande anomalia nella CMB, potrebbe benissimo essere un segno di un enorme vuoto – un vuoto molto raro nell’universo”, dice Szapudi. “Così ho pensato che ora dovremmo cercarlo.”
Il vuoto è enorme. Ha un raggio di 220 megaparsecs
Il suo primo tentativo, nel 2010, si è rivelato vuoto. Ma i dati erano limitati, coprendo solo alcuni punti all’interno del punto. In modo intrigante, i risultati hanno anche mostrato che potrebbe esserci un vuoto a meno di 3 miliardi di anni luce di distanza.
L’anno scorso, lui e il suo team hanno provato di nuovo, questa volta con molti più dati, coprendo oltre 200 volte più cielo e comprendendo l’intero punto freddo. Con una copertura molto più ampia – composta da migliaia di galassie – quei precedenti accenni si sono coalizzati in un vero e proprio vuoto. I dati erano inequivocabili. “Siamo assolutamente sicuri che ci sia un vuoto”, dice Szapudi. “Ci scommetterei la mia casa”.
E il vuoto è enorme. Ha un raggio di 220 megaparsecs, più di 700 milioni di anni luce, il che lo rende una delle più grandi – se non la più grande – strutture fisiche nell’universo.
Un vuoto così grande non è comune, forse ne esistono solo una manciata, dice Szapudi. Che un vuoto così raro si sovrapponga al punto freddo – esso stesso un’altra rarità – sembra troppo improbabile per essere una semplice coincidenza. Ciò che è più probabile, dice, è che il vuoto stia causando il punto freddo. Infatti, ha calcolato che questo scenario è 20.000 volte più probabile che se i due oggetti si fossero semplicemente allineati.
Altri non sono ancora sicuri. Per gli astronomi come Patricio Vielva dell’Università di Cantabria in Spagna, che ha guidato la scoperta del punto freddo nel 2004, la rarità del vuoto è ancora in discussione. Se si scopre che tali vuoti sono più diffusi, allora questo allineamento non sarebbe così notevole. Forse è solo una coincidenza. Ecco perché i ricercatori hanno bisogno di più dati per valutare quanto siano rari questi supervuoti. “In questo momento, penso che questa sia una delle cose più importanti da stabilire”, dice Vielva.
Non abbastanza freddo
Ma c’è un problema più grande.
Il supervuoto non può rendere la CMB abbastanza fredda. Un supervuoto di queste dimensioni può raffreddare la CMB solo di 20 microkelvin. Il punto freddo, tuttavia, è in media più freddo di 70 microkelvin. In alcuni punti, il calo di temperatura è di 140 microkelvin.
Una possibile ragione dietro la discrepanza è che il vuoto sia effettivamente più grande di quanto misurato. Se così fosse, il suo effetto ISW sarebbe più forte. Date le incertezze delle misure di Szapudi, il raggio del vuoto potrebbe estendersi fino a 270 megaparsecs. Eppure, dice Vielva, anche questo non è abbastanza grande per spiegare il punto freddo.
In effetti, secondo le attuali teorie della cosmologia, l’universo potrebbe anche non essere in grado di formare un vuoto abbastanza grande. “Il problema è che il tipo di vuoto necessario per questo effetto è inesistente”, dice Vielva.
Altre osservazioni permetteranno agli astronomi di ottenere misure più accurate delle dimensioni e delle proprietà del supervuoto
Ma se non un vuoto, allora cosa? Forse, dice Vielva, il punto freddo è dovuto a una trama cosmologica, un difetto nell’universo analogo alle crepe o alle macchie che si trovano nel ghiaccio. Quando l’universo primordiale si è evoluto, ha subito una transizione di fase simile a quella che avviene quando l’acqua si congela, passando da liquido a solido. Nel ghiaccio, si ottengono difetti quando le molecole d’acqua non si allineano. Nell’universo, si potrebbero ottenere delle strutture. Nel 2007, Vielva ha contribuito a dimostrare che se esiste una texture, potrebbe creare il punto freddo attraverso l’effetto ISW.
Le texture, però, sono speculative, e nessuno ha visto alcuna prova della loro esistenza. “Le texture sono una bella idea, ma non abbiamo idea se queste cose siano realistiche o meno”, dice Rien van de Weijgaert, un astronomo dell’Università di Groningen in Olanda.
Per la maggior parte degli astronomi, dice van de Weijgaert, un supervuoto sembra ancora la migliore spiegazione. “Ormai è considerata una delle opzioni più credibili”, dice. “È la grandezza dell’effetto su cui si potrebbero avere delle domande, ma non è incredibile.”
Per essere sicuri, l’ipotesi del vuoto è certamente intrigante, dice Vielva. Ma la discrepanza di temperatura deve essere prima risolta.
Non sappiamo solo la fine della storia. Credo che nessuno lo sappia
Maggiori dati aiuterebbero. Per esempio, più osservazioni permetteranno agli astronomi di ottenere misure più accurate delle dimensioni e delle proprietà del supervuoto. Potrebbero anche rivelare se c’è un vuoto più piccolo in primo piano, che potrebbe aiutare a raffreddare la CMB. Forse, il punto freddo è così frigido perché il supervuoto si trova anche di fronte a una regione della CMB che è già un po’ più fredda del normale.
Anche se i conti non tornano ora, non c’è motivo di preoccuparsi. “A questo punto, poiché le incertezze sono così grandi, non si dovrebbe perdere il sonno per questo”, dice Carlos Frenk, un astrofisico dell’Università di Durham nel Regno Unito. La sua sensazione è che con più dati e analisi, il supervuoto emergerà come la risposta corretta. “Se è così, il punto freddo rappresenterà la prima misurazione di un oggetto – un supervuoto – che lascia un’impronta sulla CMB attraverso l’effetto ISW. Questo è significativo in parte perché il supervuoto è semplicemente così enorme. Il supervuoto potrebbe essere importante in un altro modo: “Abbiamo un modo in più per studiare l’energia oscura, che è la cosa più strana dell’universo”, dice Szapudi.
L’effetto ISW funziona solo perché l’universo si espande sempre più velocemente, e la forza misteriosa che spinge il cosmo è l’energia oscura. Misurando l’effetto ISW dal supervuoto, i ricercatori possono sondare l’influenza dell’energia oscura – e capire meglio come si comporta e cos’è.