Intermezzo cosmologico – I

LSS

Immagine della “rete” formata dalle strutture cosmiche.

Siccome sembra che parli sempre di fotografia, lasciate che per un momento vi aggiorni sul lavoro di tesi. Per fare questo, occorre partire da lontano e questo post sarà il primo di una serie al termine dei quali saprete, più o meno, su cosa sto mettendo le mani (più che altro, la testa). Una sorta di introduzione, dunque, a quella che è una relativamente nuova branca della Cosmologia, la potrei definire “cosmologia statistica”.
Innanzitutto, è bene chiarire cosa si intende quando si parla di Cosmologia: essa è, rozzamente, la scienza che studia l’evoluzione dell’Universo. Si capisce già da questa piccola ed imprecisa definizione che la Cosmologia è una materia di studio molto ampia: c’è chi si occupa delle primissime fasi di vita dell’Universo, chi invece analizza i dati solo a partire da una certa epoca in poi, chi studia la formazione delle galassie e chi segue l’evoluzione di strutture ancora più grandi, i superammassi di galassie. Scrivere un solo post sull’intera Cosmologia capite bene che è impossibile, quindi mi limiterò a spiegare i principi fondamentali che permettono di capire il resto degli articoli che verranno. Spero di non annoiarvi e, se fosse il caso, basta che aspettate il prossimo articolo, dedicato sicuramente a qualche esperienza fotografica.
Guardando il cielo in una notte limpida è facile accorgersi di una cosa: ovunque si notano puntini luminosi che coprono l’intera volta celeste. In quel marasma si possono riconoscere alcuni schemi che, nei secoli, hanno assunto i nomi più svariati: Orsa Maggiore, Orsa Minore, Cigno, Cassiopea, Leone, Pesci, Orione, Toro, eccetera. Insomma, le costellazioni. In realtà questo è ciò che si vede da Terra: sullo spazio le costellazioni sono irriconoscibili, rese tali dall’enorme abbondanza di tantissime altre sorgenti luminose. Per un astronauta che guarda fuori dall’oblò della ISS (Stazione Spaziale Internazionale) il cielo gli appare lo stesso in tutte le direzioni.
In realtà i più pignoli obietteranno che non è proprio così. In effetti, c’è una scala limite, una sorta di lunghezza minima, dopo la quale l’intero Universo può considerarsi lo stesso in ogni direzione. Tale scala corrisponde all’ordine delle centinaia di megaparsec (Mpc). Il fatto che l’Universo appaia lo stesso ovunque si guardi è espresso dal famoso Principio Cosmologico. Questo, però, non è solo un principio teorico, ma è anche stato confermato dalle osservazioni: negli anni ’90 e nel decennio scorso, due satelliti famosi, COBE e WMAP (e presto anche PLANCK), hanno misurato la veridicità del Principio Cosmologico con una precisione di una parte su centomila. Senza alcun dubbio, quindi, possiamo affermare che l’Universo è lo stesso dappertutto se osservato su scale maggiori dei cento megaparsec.
Tuttavia non si possono certamente ignorare le piccole disomogeneità osservate (quello 0,000001) e tanto meno soprassedere sul fatto che su scale inferiori ai 100 Mpc l’Universo si presenta altamente irregolare. Diminuendo la lunghezza di scala (che possiamo visualizzare come un regolo: una scala di 100 Mpc significa che stiamo usando un “metro” le cui tacche distanziano l’una dall’altra 100 Mpc; pertanto usando tale regolo le uniche strutture “osservabili” saranno quelle che hanno dimensioni uguali o maggiori di 100 Mpc), incontriamo i superammassi di galassie costituiti da ammassi delle stesse. Superammassi e ammassi di galassie sono dette strutture su grande scala (LSS). Scendendo ancora, troviamo le galassie, gli ammassi stellari e i sistemi planetari, come il nostro. L’irregolarità di questa distribuzione di massa è però solo apparente: le osservazioni mostrano come galassie, ammassi e superammassi di galassie si distribuiscano secondo schemi precisi, e vanno a formare una intrecciata rete, i filamenti della quale sono galassie e i nodi sono ammassi e superammassi.
Il problema fondamentale, e per niente banale, è facilmente comprensibile: la distribuzione di materia osservata (sia da terra che dallo spazio) è una distribuzione proiettata. Quello che vediamo è come una fotografia stampata su un foglio: non riusciamo ad avere un’immagine tridimensionale. Questo per ovvi motivi: facendo parte anche noi con la nostra Terra, il nostro Sistema Solare e la nostra Via Lattea, di questa rete, non possiamo accedere alle informazioni globali ma solo a mappe locali. Il Principio Cosmologico, però, ci viene in aiuto perché ci dice che così come noi vediamo una porzione di Universo, anche dall’altro lato vedono la stessa distribuzione.
Riuscire a determinare l’esatta forma della distribuzione delle LSS, costituisce quello che si chiama lo studio della topologia dello spazio, ovvero a come sia fatto lo spazio, sia quello occupato dalle strutture sia quello vuoto tra di esse. Inoltre, dal momento che l’Universo è molto grande e contiene un grandissimo numero di corpi, non è possibile una descrizione deterministica e precisa: bisognerebbe andare a studiare l’evoluzione di un oggetto e calcolare le interazioni comuni con tutti gli altri. E fare questo per ogni corpo presente nell’Universo. Si capisce, quindi, che è impossibile. Quello che si può fare, invece, è adottare un approccio statistico, ovvero studiare quantità macroscopiche come il campo delle velocità degli ammassi, il campo di densità e altre quantità, e dedurre da esse delle proprietà globali. Il Principio Cosmologico permette di assumere per vere certe ipotesi e semplificare notevolmente i calcoli.
Nei prossimi articoli introdurrò le statistiche che sono state sviluppate negli ultimi anni (diciamo da metà anni ’80) che permettono di capire la geometria dell’Universo. Spero mi vogliate seguire nel viaggio attraverso tunnel, spugne, ipersuperfici, buchi, filamenti, torte (pancakes), sfere, poliedri convessi e chi più ne ha più ne metta.

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3 Risposte to “Intermezzo cosmologico – I”

  1. francesco Says:

    voglio voglio… è una materia che mi affascina moltissimo. Ho letto molte cose sull’astronomia e le sue branche e teorie ma, a parte il non capire tutto, c’è sempre qualcosa di nuovo da imparare!

  2. mavis Says:

    La tua materia mi ha sempre affascinato. Io ti seguirò sicuramente nel tuo viaggio: troppo interessante e ben esposta la tua disquisizione! Bravissimo!!!

    Ehm… Branca, non branchia (6^ riga)
    Ciao!

  3. dora Says:

    Come non seguirti affascinati in un simile percorso?
    Complimenti per l’esposizione e per essere riuscito a rendere alla portata di tutti un argomento così complesso!

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