La materia nell'universo è disposta in modo frattale? Un nuovo studio su circa 1 milione di galassie suggerisce che lo sia, anche se non ci sono teorie ben accette per spiegarne il perchè dovrebbe essere così. I cosmologi cercano di ricostruire l'intera storia dell'universo e hanno alcuni preziosi indizi dai quali partire. Uno di questi è la distribuzione della materia nello spazio, scolpita lungo 14 miliardi di anni dalle forze in competizione della gravità e dell'espansione cosmica. Se c'è uno schema nel cielo, esso codifica i segreti dell'universo. Molto è in gioco e la distribuzione della materia è divenuta una fonte di forte dibattito tra quelli che dicono che sia distribuita in modo omogeneo e quelli che dicono che sia strutturata gerarchicamente e raggruppata, come in un frattale.
Quasi tutti i fisici concordano sul punto che in scale relativamente piccole, la distribuzione è di tipo frattale: centinaia di miliardi di stelle si raggruppano per formare galassie, che a loro volta si raggruppano per formare clusters (gruppi) e questi si ammassano in superclusters. Il punto della contesa, tuttavia, è cosa avvenga a scale superiori. Secondo molti fisici, questo raggruppamento in stile bambole russe, arriva ad una fine e l'universo, su scale superiori, diviene omogeneo. Però un piccolo team di fisici, incluso Franceso Sylos Labini del Centro Enrico Fermi a Roma e Luciano Pietronero dell'Università di Roma, pensano che i dati mostrino l'opposto: l'universo continua ad apparire frattale per quanto lontano vedano i telescopi.
Mappe 3D
I migliori dati per studiare la distribuzione delle galassie, vengono dallo Sloan Digital Sky Survey (SDSS), che sta costruendo la mappa 3D più grande dell'universo. Quando sarà completata, mapperà le posizioni di circa un milione di galassie e quasar. Quando i dati di SDSS sono stati rilasciati nel 2004, i fisici David Hogg dell'Università di New York e Daniel Eisenstein dell'Università dell'Arizona, entrambe negli USA, hanno pubblicato una analisi di 55000 galassie rosse luminose, che suggerisce la scomparsa della distribuzione frattale a scale oltre i 200 milioni di anni luce. Sylos Labini e Pietronero non sono rimasti convinti e hanno pensato che l'apparente spianatura fosse una illusione causata da statistiche deboli e sembrava presentarsi nelle scale più grandi che l'indagine era in grado di studiare, dove c'erano poche grandi regioni disponibili per un confronto delle densità. Solo una mappa più ampia potrebbe risolvere il dibattito. Ora SDSS ha rilasciato il suo sesto ciclo di dati, che forniscono la locazione di circa 800000 galassie e 100000 quasar, oggetti splendenti alimentati da violenti e supermassicci buchi neri.
Scale enormi
Secondo il loro ultimo documento scientifico, che è stato sottoposto a Nature Physics, Sylos Labini e Pietronero, assieme ai fisici Nikolay Vasilyev e Yurj Baryshev dell'Università Statale di S.Pietroburgo in Russia, sostengono che i nuovi dati mostrino che le galassie esibiscono un'esplicita distribuzione frattale fino a scale di circa 100 milioni di anni luce e dicono che se l'universo divenisse omogeneo ad un certo punto, dev'essere a scale superiori a 300 milioni di anni luce. Questo perchè persino a quella scala, osservano ancora grandi fluttuazioni, un cluster lì, un vuoto la, nella distribuzione della materia. Molti cosmologi interpretano tali fluttuazioni come non più significative di piccole onde sulla superficie del mare, ma Sylos Labini e colleghi dicono che siano più come tsunami.
Nessun modello
Molti cosmologi contrastano la loro analisi, soprattutto perchè una distribuzione frattale della materia fino a tali scale, mina il modello standard della cosmologia. Secondo la storia accettata dell'evoluzione cosmica, non ci sarebbe stato abbastanza tempo dal big bang di circa 14 miliardi di anni fa, perchè la gravità potesse costruire tali strutture. Inoltre, l'assunto che la distribuzione sia omogenea, ha permesso ai cosmologi di modellare l'universo piuttosto semplicemente usando la teoria della relatività generale di Einstein, che mette in relazione la forma dello spazio con la distribuzione della materia. Modellare un universo frattale con la relatività generale è possibile in teoria, ma in realtà sarebbe maledettamente complicato. Questo lascerebbe i cosmologi senza un modello funzionante, come acrobati senza rete.
Radiazione fossile
Per supportare l'assunto dell'omogeinità, i cosmologi puntano alla levigatezza dello sfondo di radiazione cosmica (CMB), la radiazione fossile dell'universo nascente. La CMB è perfettamente uniforme fino ad 1 parte in 100.000, suggerendo che l'universo primitivo fosse quasi omogeneo. "Il quadro standard dell'universo omogeneo su grandi scale si sostiene bene quando testato con osservazioni in scala molto grande come la mappatura della radiazione di fondo, dei raggi-X e delle radio galassie", dice il fisico Neil Turok della Cambridge University del Regno Unito. "Se le osservazioni delle galassie nelle indagini ottiche non concordano, devono esserci diverse possibili spiegazioni, senza arrivare ad un universo frattale estremamente disomogeneo", dice a New Scientist.
Illusione ottica?
Dedurre la distribuzione della materia dalla CMB non è sempre semplice. Le mappe della CMB mostrano una distribuzione 3D proiettata in una superficie 2D ed è possibile per una distribuzione 3D raggruppata, apparire appiattita quando proiettata in 2D. Lo stesso vale per lo sfondo di raggi-X, che sembra omogeneo in due dimensioni. Infine, usare galassie che sono luminose nelle lunghezze d'onda radio, è anche questo problematico, in quanto è difficile misurare le loro distanze accuratamente in modo sufficiente per ottenere le loro posizioni in 3D
Allora cosa potrebbe produrre un tale schema frattale nelle indagini come lo Sloan? Parte del raggruppamento può essere una sorta di illusione ottica come l'effetto occhio di bue, dice Adrian Melott dell'Università del Kansas negli USA. Questo avviene perchè le galassie vicine cadono l'una verso l'altra per la loro attrazione gravitazionale, anche se lo spazio si espande. Questo movimento può incrementare l'apparente raggruppamento della materia nei sondaggi come Sloan, dato che si basano sulle misurazioni delle "velocità" delle galassie per determinare la loro distanza dalla Terra.
La scommessa
Secondo il loro documento, il team di Sylos Labini dice che l'effetto occhio di bue sia solo rilevante in scale molto piccole, entro circa 16 milioni di anni luce e che non abbia influenza sul raggruppamento nella grande scala in questione. Melott non concorda, dicendo che dovrebbe amplificare il raggruppamento in ogni scala. Aggiunge anche che l'effetto "amplifica strutture che (già) esistono". Cosa comporta se l'universo è in effetti frattale in grandi scale? A parte un radicale ripensamento delle leggi e della storia del cosmo, i ricercatori hanno messo qualcosa di più sul terreno in gioco. Più di un decennio fa, Sylos Labini e Pietronero hanno fatto una scommessa col fisico Marc Davis dell'Università della California, Berkley, USA. La scommessa, arbitrata da Turok, diceva che se la distribuzione delle galassie si fosse rivelata frattale oltre scale di circa 50 milioni di anni luce, Davis avrebbe comprato a Sylos Labini e Pietronero una cassetta di vino della California. Se la distribuzione frattale dovesse disintegrarsi a scale inferiori dei 50 milioni di anni luce, Davis riceverebbe una cassetta di vino italiano, che per alcuni sarebbe un affare migliore. Turok deve ancora dichiarare un vincitore.
di Amanda Gefter
(giugno 2008)
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
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