Dopo decenni di studio delle fluttuazioni di temperatura della Radiazione Cosmica di fondo un team di scienziati ha recentemente confermato l’esistenza del Supervuoto di Eridano, una possibile spiegazione della “macchia fredda”.
Secondo i nostri attuali modelli cosmologici, l’Universo è iniziato con il Big Bang circa 13,8 miliardi di anni fa. Durante i primi periodi, l’Universo era permeato da una nuvola opaca di plasma caldo che impediva la formazione di atomi. Circa 380.000 anni dopo, l’Universo si è raffreddato a una temperatura di circa -270 °C che ha convertito gran parte dell’energia generata dal Big Bang in luce. Questo bagliore residuo è ancora visibile e prende il nome di Radiazione Cosmica di Fondo o anche Fondo cosmico a microonde (CMB), e venne osservato per la prima volta negli anni ’60. Una caratteristica peculiare della CMB, che ha attirato molta attenzione tra gli astrofisici, sono state le minuscole fluttuazioni di temperatura rilevate che potrebbero fornire informazioni sull’Universo primordiale. In particolare, c’è un punto piuttosto grande nella mappa della CMB che risulta più freddo del bagliore residuo circostante, e prende il nome di “macchia fredda”.
E dopo decenni di studio un team di scienziati ha recentemente confermato l’esistenza del Supervuoto di Eridano, una delle principali teorie a spiegazione di questo fenomeno.
La ricerca è stata condotta dal Dark Energy Survey (DES), un team internazionale di ricercatori composto da 300 scienziati provenienti da 25 istituzioni in sette paesi. I risultati del loro studio, intitolato “The DES view of the Eridanus supervoid and the CMB cold spot ” sono stati pubblicati negli avvisi mensili della Royal Astronomical Society lo scorso 17 dicembre 2021.
Perché quel punto è così freddo?
Dalla scoperta del CMB, sono state organizzate diverse missioni per studiare la “macchia fredda” in modo più dettagliato come la missione sovietica RELIKT-1 a bordo del satellite Prognoz 9 (lanciato nel luglio 1983) e la missione NASA Cosmic Background Explorer (COBE). I risultati di questi studi vennero pubblicati nel 1992 e rivelarono dei picchi di “oscillazioni acustiche barioniche”, o BAO, che corrispondono a variazioni di densità del plasma su larga scala nell’Universo primordiale create dalle instabilità gravitazionali.
Non vennero rivelati altri picchi fino a quando la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) non decollò nel 2001 rivelandone un secondo seguito da un terzo prima che la missione si concludesse nel 2010. Da allora, molte altre missioni hanno monitorato il CMB per verificare sempre con maggiore dettaglio le differenze di temperatura e piccole variazioni di densità come la sonda Plank dell’ESA (2009-2013) che ha fornito le mappe della temperatura CMB più dettagliate fino ad oggi.
Sfortunatamente, queste mappe non hanno avevano risolto il mistero della “macchia fredda”, una vasta regione leggermente più fredda (70 µK o 0,00007 Kelvin) rispetto allo sfondo cosmico che è all’incirca 2,7 K (-270 °C). Enigma che negli anni ha generato ogni sorta di spiegazioni, dagli errori nei dati sino alla possibile esistenza di un Universo parallelo!
Il Supervuoto di Eridano
I vuoti cosmici sono vaste regioni dello spazio che si trovano tra le galassie e gli ammassi di galassie che (insieme alla Materia Oscura) costituiscono la struttura su larga scala dell’Universo. Questi vuoti sono causati dalla loro relativa mancanza di “materia barionica” come galassie o polvere e gas, di mezzo intergalattico e una minor presenza di materia oscura rispetto a quella osservata negli ammassi di galassie. E mentre queste strutture sono comunque tenute insieme dalla forza di gravità, si stanno anche espandendo a causa di una forza teorizzata ma non ancora rilevata (l’Energia Oscura).
Situato a 1,8 miliardi di anni luce di distanza nella costellazione dell’Eridano, il Supervuoto di Eridano era una regione teorica a bassissima densità di materia in cui le sue concentrazioni erano inferiori del 30% rispetto alla regione galattica circostante. Il centro di questo vuoto si trova a 2 miliardi di anni luce dalla Terra, il che lo rende la principale regione a bassa densità (detta anche “sottodensità”) nel nostro vicinato galattico. Utilizzando quindi i dati raccolti dal Dark Energy Survey (DES), il team ha creato una mappa della materia oscura nella direzione della macchia fredda della CMB, utilizzandola anche come lente gravitazionale, e realizzandone la più grande mai elaborata.
In combinazione con le precedenti osservazioni sulle sottodensità delle galassie presenti in qella regione, le nuove mappe hanno anche confermato una sottodensità in termini di materia oscura nella stessa area. Ciò conferma effettivamente un Supervuoto nella costellazione dell’Eridano che corrisponde a quanto era stato teorizzato. Questo vuoto potrebbe essere il motivo della presenza della macchia fredda della CMB, una potenziale risoluzione per ciò che questi vuoti ci dicono sull’evoluzione del cosmo e un’indicazione di come stanno ancora influenzando l’evoluzione cosmica attuale.
Le implicazioni per l’Energia Oscura
Quest’ultima ricerca è significativa per un altro mistero ancora irrisolto: l’esistenza e la natura dell’Energia Oscura. Conducendo infatti indagini su larga scala dell’Universo, le collaborazioni scientifiche come il DES sperano di osservare direttamente l’influenza dell’energia oscura e quindi di poterne misurarne le proprietà.
La presenza di vuoti cosmici tra gli ammassi galattici indica che questo il continuo braccio di ferro tra le forze gravitazionali e la forza di espansione dell’Universo fa sì che alcuni vuoti diventino più profondi. I fotoni, o le particelle di luce, entrano in un vuoto un momento prima che il vuoto inizi a diventare più profondo, e se ne vanno successivamente a questo evento. Questo processo è chiamato l’Effetto Sachs-Wolfe: quando i fotoni cadono in un “pozzo” gravitazionale, guadagnano energia e quando ne escono la perdono creando di fatto il redshift gravitazionale.
Il Lambda CDM
Tuttavia, questo studio non risolve la discrepanza complessiva tra il modello cosmologico standard e le variazioni di temperatura osservate nella macchia fredda. Questo modello è noto come modello Lambda Cold Dark Matter (LCDM), che prevede che la materia oscura sia composta da particelle grandi e lente (“fredde”) che sono separate da una forza di espansione rappresentata dal parametro “lambda” (la L).
I risultati confermano effettivamente l’esistenza del Supervuoto di Eridano, ma non possono attribuirlo in modo definitivo come causa della macchia fredda nella radiazione cosmica di fondo.
La coincidenza di queste due strutture nella ragnatela cosmica e nella CMB non è sufficiente per dimostrare che si tratti di uno standard scientifico e non una casualità.
La sicurezza che ci sia un Supervuoto consente almeno di fare un passo avanti nello studio del fenomeno: i modelli alternativi non riescono a spiegare questa discrepanza, quindi se questa spiegazione fosse vera potrebbe significare che non stiamo capendo qualcosa di molto profondo sull’energia oscura.
In tutti i modi questa ricerca potrà essere di grande aiuto per i futuri studi.
Se il modello Lambda-CDM è corretto, allora la macchia fredda potrebbe essere un’anomalia estrema che casualmente ha davanti a sé un enorme supervuoto. Se invece fosse errato, allora la misura in cui i fotoni CMB vengono spostati verso il rosso dall’intervento dei supervuoti (l’Effetto Sachs Wolfe) è più forte del previsto.
Affinché quest’ultimo scenario sia vero, la densità di energia dell’Universo deve essere dominata da qualcosa di diverso dalla materia “normale”.
Questo è uno dei pilastri centrali dell’LCDM e delle teorie predominanti sulla materia e l’energia oscura che affermano che la Materia Oscura rappresenta l’85% della materia nell’Universo mentre l’Energia Oscura rappresenta il 72% della densità totale di massa-energia.
Ma ci vorranno ancora anni di studi e ricerche per risolvere questo intricato puzzle.
Riferimenti:
