Il mistero della ‘macchia fredda’ nella CMB

Un gruppo di ricercatori guidato da Istvàn Szapudi dell’Istituto di Astronomia presso l’Università delle Hawaii potrebbe aver trovato una spiegazione della cosiddetta Cold Spot, cioè la grande macchia fredda presente nella mappa della radiazione cosmica di fondo che, secondo lo stesso Szapudi, rappresenterebbe la struttura cosmica singola più grande che sia mai stata identificata. I risultati sono pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Nel 2004 gli astronomi identificarono nella mappa della radiazione cosmica fondo (Cosmic Microwave Background, CMB) un’ampia regione del cielo, grande all’incirca 150 Mpc, ovvero 500 milioni di anni luce, dove la temperatura era decisamente più bassa rispetto al valore medio: ad essa venne attribuito il termine o Cold Spot che vuol dire letteralmente “macchia fredda”. In media, la fluttuazione tipica della temperatura della radiazione cosmica di fondo è dell’ordine di 10−5, mentre la “macchia fredda” è di 70 µK più fredda della temperatura media della CMB (circa 2,7 K). Il modello cosmologico standard del Big Bang predice l’esistenza di regioni di varie dimensioni, che possono essere più fredde o più calde rispetto al valor medio della temperatura dello spazio, ma una regione di tali dimensioni è stata davvero una sorpresa. Se questa particolare regione del cielo si è originata dal Big Bang, potrebbe essere il segnale di una fisica più esotica che la cosmologia standard non è in grado di spiegare. Se, invece, la “macchia fredda” è stata causata da una struttura di fondo situata tra noi e la CMB, allora potrebbe essere una indicazione del fatto che esisterebbe una struttura cosmica molto rara su larga scala che si distinguerebbe dalla distribuzione media della materia presente nell’Universo. Grazie ai dati più recenti ottenuti col telescopio Pan-STARRS1 (PS1) situato a Haleakala, nelle Hawaii, e col satellite WISE della NASA, il team di Szapudi ha potuto identificare un enorme “supervuoto cosmico”, una vasta regione del cielo che si estende per 1,8 miliardi di anni-luce e in cui la densità delle galassie è molto più bassa rispetto a quella tipica dello spazio osservabile. Questa regione dell’Universo è stata trovata combinando le osservazioni ottenute da PS1 in luce visibile con quelle di WISE nell’infrarosso durante uno studio che aveva lo scopo di stimare la distanza e la posizione di ciascuna galassia in quella zona di cielo. Studi precedenti, sempre condotti alle Hawaii, hanno osservato un’area molto più piccola nella direzione della Cold Spot, senza notare la presenza di alcuna struttura in quella porzione di cielo. In modo quasi paradossale, si potrebbe dire che è molto più facile identificare le strutture cosmiche distanti rispetto a quelle dell’Universo locale dato che abbiamo bisogno di mappare aree di cielo più grandi per vedere strutture più vicine. Per questo studio, sono state utilizzate le enormi mappe tridimensionali realizzate con PS1 e WISE da Andràs Kovàcs della Eötvös Loránd University, Budapest, Ungheria. Il supervuoto si trova a soli 3 miliardi di anni-luce, una distanza cosmica relativamente breve se confrontata con la scala tipica a cui si trovano localizzate queste gigantesche strutture. Attraversare un supervuoto può richiedere milioni di anni, anche viaggiando alla velocità della luce, e una tale struttura così grande può influire sulla radiazione cosmica di fondo tramite un effetto osservabile: si parla di Integrated Sachs-Wolfe (ISW) Effect che potrebbe fornire agli scienziati la prima spiegazione di una delle più grosse anomalie che sono state trovate, prima dal satellite WMAP e poi dal satellite Planck, nella mappa della radiazione cosmica di fondo. Per capire che cosa hanno osservato gli astronomi, immaginiamo che esista un enorme vuoto cosmico in cui è presente poca materia tra l’osservatore e la radiazione cosmica di fondo. Adesso pensiamo a questa struttura come se fosse una sorta di “collina”. Quando la luce entra nel vuoto, essa deve superare la pendenza della collina. Se l’espansione dell’Universo non stesse accelerando, allora il vuoto cosmico non evolverebbe in maniera significativa e la luce scenderebbe lungo il pendio della collina guadagnando nuovamente la sua energia, che ha perso inizialmente, nel momento in cui esce dal vuoto. Ma con l’espansione accelerata, la collina viene deformata man mano che la luce la attraversa. Ora, dal momento in cui la luce discende il pendio, la collina diventa più piatta perciò la luce non può più guadagnare tutta la sua energia che ha perso quando è entrata nel vuoto cosmico. In altre parole, la luce esce dal vuoto con meno energia e perciò ad una lunghezza d’onda più lunga che corrisponde di conseguenza ad una temperatura più bassa. Mentre l’esistenza del supervuoto e del suo effetto sulla CMB non spiegano completamente la grande “macchia fredda”, è alquanto improbabile che il supervuoto e la Cold Spot rappresentino una coincidenza spaziale nella stessa regione di cielo. I ricercatori continueranno adesso a lavorare su questa struttura utilizzando le nuove osservazioni del telescopio PS1 e della Dark Energy Survey (DES) per studiare la Cold Spot e il supervuoto, così come un’altro grande vuoto cosmico situato vicino alla costellazione del Dragone. Media INAF ha posto alcune domande a Ben Granett post-doc presso INAF – Osservatorio Astronomico di Brera e co-autore dello studio.

Che ruolo ha avuto in questo studio?

Questo studio si basa su un mio precedente lavoro (Granett et al. 2010) che aveva lo scopo di mappare le galassie di basso redshift distribuite nella direzione della cold spot nella CMB. A quell’epoca non avevamo dati a sufficienza per rivelare la presenza di un eventuale vuoto cosmico a basso redshift dove riteniamo che l’effetto dell’energia oscura sia più significativo. Ora, grazie ai dati ottenuti con Pan-STARRS1 siamo in grado di esplorare un’area di cielo maggiore dalla cui stima del redshift delle galassie possiamo determinare la loro densità spaziale in tre dimensioni. In quest’ultimo lavoro, ho contribuito all’analisi statistica e alla stima della dimensione e della densità media del vuoto utilizzando un modello semplicistico.

Abbiamo qualche indizio su come si è originata questa struttura gigantesca?
Man mano che l’Universo si espande, i vuoti crescono e diventano sempre più vuoti. Tuttavia, se andiamo a ritroso nel tempo vediamo che la formazione di questo supervuoto si può considerare davvero un evento molto raro. Ma nonostante ciò, la formazione stessa di questa struttura non è da considerarsi del tutto inaspettata nell’ambito del modello cosmologico standard.

Quali sono le nuove informazioni che otteniamo da questa scoperta?
Il risultato più importante che abbiamo ottenuto riguarda l’effetto che determina il supervuoto sull’abbassamento della temperatura della radiazione cosmica di fondo. Crediamo che i fotoni che attraversano questa struttura nel corso del tempo cosmico perdano energia a causa dell’espansione accelerata dell’Universo dovuta all’energia oscura. Tuttavia, l’effetto aggiuntivo che osserviamo nella CMB non è previsto dal modello cosmologico standard. Ciò può indicare una nuova proprietà dell’energia oscura. Studiare i vuoti cosmici è particolarmente interessante dato che essendo delle regioni dello spazio prive di materia l’effetto antigravitazionale dovuto all’energia oscura diventa alquanto significativo. Dunque i vuoti cosmici rappresentano degli ambienti ideali dove studiare la natura dell’energia oscura perciò le nostre misure contribuiscono in qualche modo a porre un nuovo pezzo verso la soluzione del puzzle.
di Corrado Ruscica (INAF)

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