L’espansione dell’universo può non essere la stessa in tutte le direzioni


Questo grafico contiene una mappa del cielo e mostra quattro delle centinaia di ammassi di galassie che sono stati analizzati per verificare se l’Universo è lo stesso in tutte le direzioni su larga scala. Gli ammassi di galassie sono gli oggetti più grandi dell’Universo legati dalla gravità e gli astronomi possono usarli per misurare importanti proprietà cosmologiche. Quest’ultimo studio utilizza i dati dell’Osservatorio a raggi X Chandra della NASA e dell’ESA XMM-Newton per indagare se l’Universo è “isotropo” o meno.

“Uno dei pilastri della cosmologia – lo studio della storia e del destino dell’intero universo – è che l’universo è ‘isotropo’, cioè uguale in tutte le direzioni”, ha detto Konstantinos Migkas dell’Università di Bonn in Germania, che ha condotto il nuovo studio. “Il nostro lavoro mostra che ci possono essere delle crepe in quel pilastro”.


Gli astronomi sono generalmente d’accordo sul fatto che dopo il Big Bang il cosmo si è continuamente espanso. Un’analogia comune è che questa espansione è come una pagnotta di pane all’uvetta. Mentre il pane cuoce, l’uvetta (che rappresenta gli oggetti cosmici come le galassie e gli ammassi di galassie) si allontana l’uno dall’altro mentre l’intera pagnotta (che rappresenta lo spazio) si espande. Con un mix omogeneo l’espansione dovrebbe essere uniforme in tutte le direzioni, come dovrebbe essere con un universo isotropo. Ma questi nuovi risultati potrebbero non corrispondere al quadro.

“Sulla base delle nostre osservazioni degli ammassi potremmo aver trovato differenze nella velocità di espansione dell’universo a seconda del nostro aspetto”, ha detto il co-autore Gerrit Schellenberger del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) di Cambridge, Massachusetts. “Questo sarebbe in contraddizione con uno dei più basilari presupposti di fondo che usiamo oggi in cosmologia”.

In precedenza gli scienziati hanno condotto molti test per verificare se l’universo è lo stesso in tutte le direzioni. Queste includevano l’uso di osservazioni ottiche di stelle esplose e studi all’infrarosso delle galassie. Alcuni di questi sforzi precedenti hanno prodotto possibili prove che l’universo non è isotropo e altri invece si.

Quest’ultimo test utilizza una tecnica potente, innovativa e indipendente. Essa sfrutta la relazione tra la temperatura del gas caldo che pervade un ammasso di galassie e la quantità di raggi X che produce, nota come luminosità dei raggi X dell’ammasso. Più alta è la temperatura del gas in un ammasso, maggiore è la luminosità dei raggi X. Una volta misurata la temperatura del gas dell’ammasso, la luminosità dei raggi X può essere stimata. Questo metodo è indipendente dalle quantità cosmologiche, compresa la velocità di espansione dell’universo.

Una volta stimata la luminescenza dei raggi X dei loro ammassi usando questa tecnica, gli scienziati hanno poi calcolato la luminescenza usando un metodo diverso che dipende dalle grandezze cosmologiche, inclusa la velocità di espansione dell’universo. I risultati hanno dato ai ricercatori velocità di espansione apparente in tutto il cielo – rivelando che l’universo sembra allontanarsi da noi più velocemente in alcune direzioni rispetto ad altre.

Il team ha anche confrontato questo lavoro con studi di altri gruppi che hanno trovato indicazioni di una mancanza di isotropia utilizzando tecniche diverse. Hanno trovato un buon accordo sulla direzione del più basso tasso di espansione.

Gli autori di questo nuovo studio hanno fornito due possibili spiegazioni per i loro risultati che coinvolgono la cosmologia. Una di queste spiegazioni è che grandi gruppi di ammassi di galassie potrebbero muoversi insieme, ma non a causa dell’espansione cosmica. Per esempio, è possibile che alcuni ammassi vicini vengano trascinati nella stessa direzione dalla gravità di gruppi di altri ammassi di galassie. Se il moto è abbastanza rapido, potrebbe portare ad errori nella stima delle luminescenze degli ammassi.

Questo tipo di moti correlati darebbe l’apparenza di diversi tassi di espansione in diverse direzioni. Gli astronomi hanno visto effetti simili con galassie relativamente vicine, a distanze tipicamente inferiori a 850 milioni di anni luce, dove l’attrazione gravitazionale reciproca è nota per controllare il moto degli oggetti. Tuttavia, gli scienziati si aspettavano che l’espansione dell’universo dominasse il moto degli ammassi su distanze maggiori, fino ai 5 miliardi di anni luce rilevati in questo nuovo studio.

Una seconda possibile spiegazione è che l’universo non è in realtà lo stesso in tutte le direzioni. Una ragione intrigante potrebbe essere che l’energia oscura – la forza misteriosa che sembra guidare l’accelerazione dell’espansione dell’universo – non è di per sé uniforme. In altre parole, i raggi X possono rivelare che l’energia oscura è più forte in alcune parti dell’universo rispetto ad altre, causando tassi di espansione diversi.

“Questo sarebbe come se il lievito nel pane non fosse uniformemente mescolato, causando un’espansione più veloce in alcuni luoghi che in altri”, ha detto il coautore Thomas Reiprich, anche lui dell’Università di Bonn. “Sarebbe notevole se si scoprisse che l’energia oscura ha forze diverse in diverse parti dell’universo”. Tuttavia, sarebbero necessarie molte più prove per escludere altre spiegazioni e fare un caso convincente”.

Entrambe queste due spiegazioni cosmologiche avrebbero conseguenze significative. Molti studi in cosmologia, compresi gli studi ai raggi X degli ammassi di galassie, presuppongono che l’universo sia isotropo e che i moti correlati siano trascurabili rispetto all’espansione cosmica alle distanze qui sondate.

Il team ha utilizzato un campione di 313 ammassi di galassie per la loro analisi, contenente 237 ammassi osservati da Chandra con un totale di 191 giorni di esposizione, e 76 osservati da XMM-Newton, con un totale di 35 giorni di esposizione. Hanno anche combinato il loro campione di ammassi di galassie con altri due grandi campioni di raggi X, utilizzando i dati di XMMM-Newton e del Japan-US Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics (ASCA), per un totale di 842 ammassi di galassie diverse. Hanno trovato un risultato simile utilizzando la stessa tecnica.

Un articolo che descrive questi risultati apparirà nel numero di aprile 2020 della rivista Astronomy and Astrophysics ed è disponibile online. Oltre a Migkas, Schellenberger e Reiprich, gli autori di questo articolo sono Florian Pacaud e Miriam Elizabeth Ramos-Ceja (Università di Bonn) e Lorenzo Lovisari (CfA).

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