Universo: esiste uno schema?

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Universo: esiste uno schema
Foto @WikiImages-pixabay *** Gli astronomi stanno cercando di ottenere delle risposte in merito a una questione che risale a molti anni fa

Astronomia. Per decenni, i cosmologi si sono chiesti se esiste uno schema per l’universo, ovvero se la struttura su larga scala dell’universo è un frattale – cioè se ha lo stesso aspetto, non importa quanto grande sia la scala. Dopo aver completato massicce indagini sulle galassie, gli scienziati hanno finalmente una risposta: No! … però in parte e … per certi versi … sì.

All’inizio del XX secolo, gli astronomi – da Edwin Hubble e dalla sua scoperta dell’enorme distanza di Andromeda, la galassia più vicina alla nostra Via Lattea – hanno iniziato a capire che l’universo è quasi inimmaginabilmente vasto. Hanno anche imparato che possiamo vedere galassie sparse, sia vicine sia lontane. E così, naturalmente, è sorta una domanda:

C’è una specie di schema nella disposizione di queste galassie o è totalmente casuale? All’inizio sembrava casuale. Gli astronomi hanno visto ammassi di galassie giganti, ognuno contenente un migliaio o più di esse. E c’erano anche gruppi molto più piccoli di galassie e galassie che se ne stavano da sole. Prese insieme, le osservazioni facevano sembrare che non ci fosse uno schema generale nel cosmo.

E agli astronomi andava bene così. Avevano da qualche tempo assunto un’idea chiamata principio cosmologico – cioè che l’universo è per lo più omogeneo (più o meno lo stesso da un posto all’altro) e isotropo (più o meno lo stesso in qualsiasi direzione si guardi). Un mucchio di galassie e ammassi casuali s’inseriscono perfettamente in questo principio.

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Universo: esiste uno schema? 

Tuttavia, alla fine degli anni ’70, le indagini sulle galassie sono diventate abbastanza complicate da rivelare l’inizio di un modello nella disposizione delle galassie. Oltre agli ammassi, c’erano anche lunghi e sottili filamenti di materia interstellare. C’erano ampie pareti. E poi esistevano i vuoti – vaste distese di nulla. Gli astronomi l’hanno chiamata la rete cosmica. Questo modello violerebbe il principio cosmologico, perché significherebbe che grandi regioni dell’universo non assomigliano ad altre grandi regioni dello stesso. Quindi forse c’era qualcosa di più nella storia.

Paul M. Sutter, un astrofisico al SUNY Stony Brook e del Flatiron Institute, ne parla in queti termini.

Una proposta venne dal matematico Benoit Mandelbrot, il padre dei frattali. I frattali sono frustranti e difficili da definire, ma possono essere abbastanza semplici da intuire: Sono modelli che si ripetono, non importa quanto s’ingrandisce o si riduce lo zoom. Mandelbrot non ha inventato il concetto di frattali – i matematici hanno studiato modelli auto-simili per secoli – ma ha coniato la parola “frattale” e ha inaugurato il nostro studio moderno del concetto. Se s’ingrandisce la punta di un cristallo di neve, si vedono fiocchi di neve in miniatura. E se si zooma sui rami di un albero, si vedono minuscole ramificazioni. Se si zooma su una linea della spiaggia, si vedono minuscole strisce di costa. I frattali ci circondano in natura, e la matematica dei frattali ci ha permesso di capire una grande varietà di strutture autosimilari nell’universo.

Se i frattali sono ovunque, ha intuito Mandelbrot, allora forse l’intero universo è un frattale. Forse quello che abbiamo visto come il modello nella disposizione delle galassie era il passo iniziale del più grande frattale possibile. Forse, se costruissimo indagini abbastanza sofisticate, troveremmo strutture di nidificazione – ragnatele cosmiche dentro ragnatele cosmiche, che riempiono l’intero universo all’infinito.

Un universo dentro un universo

Man mano che gli astronomi scoprivano di più sulla rete cosmica, imparavano di più sulla storia del Big Bang e trovavano modi per spiegare l’esistenza dei modelli su larga scala nell’universo. Queste teorie prevedevano che l’universo fosse ancora omogeneo, solo su scale molto, molto più grandi di quelle che gli astronomi avevano osservato in precedenza.

La prova definitiva di un universo frattale non sarebbe arrivata fino a questo secolo, quando indagini veramente gigantesche, come la Sloan Digital Sky Survey, sono state in grado di mappare la posizione di milioni di galassie, dipingendo un ritratto della rete cosmica su scale mai osservate prima.

Se l’idea dell’universo frattale è vera, allora dovremmo vedere la nostra rete cosmica locale incorporata in una rete cosmica molto più grande. Se è sbagliata, allora a un certo punto la rete cosmica dovrebbe smettere di essere una rete cosmica, e un pezzo di universo casuale e abbastanza grande dovrebbe assomigliare (statisticamente) a qualsiasi altro pezzo casuale.

Il risultato è l’omogeneità, ma su una scala impressionante. Bisogna andare fino a circa 300 milioni di anni luce prima che l’universo appaia omogeneo.

L’universo non è sicuramente un frattale, ma alcune parti della rete cosmica hanno ancora interessanti proprietà frattali. Per esempio, gli ammassi di materia oscura chiamati “aloni”, che ospitano le galassie e i loro ammassi, formano strutture e sottostrutture annidate, con aloni che contengono subaloni e sub-subaloni al loro interno.

Universo: esiste uno schema?

Al contrario, i vuoti del nostro universo non sono completamente vuoti. Contengono alcune deboli galassie nane, e quelle poche galassie sono disposte in una sottile, debole versione della rete cosmica. Nelle simulazioni al computer, anche i sottovuoti all’interno di quella struttura contengono le loro ragnatele cosmiche pulsanti. Così, mentre l’universo nel suo complesso non è un frattale – e l’idea di Mandelbrot non ha retto – possiamo ancora trovare frattali quasi ovunque guardiamo.

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