Introduzione

Una delle idee fondamentali della cosmologia è che tutto sembra uguale in tutte le direzioni se si guarda su distanze sufficientemente grandi. Un nuovo studio che utilizza i dati del NASA’s Chandra X-ray Observatory e dell’ESA’s XMM-Newton sta sfidando questa nozione di base.

La ricerca è stata pubblicata in Astronomy & Astrophysics.

Studiare le strutture dell’Universo

Gli astronomi che utilizzano i dati dei raggi X di questi osservatori in orbita hanno studiato centinaia di ammassi di galassie, le più grandi strutture dell’universo tenute insieme dalla gravità e in che modo le loro proprietà apparenti differiscono.

Questo grafico contiene una mappa del cielo pieno e mostra quattro delle centinaia di ammassi di galassie che sono stati analizzati.
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.Credits: NASA / CXC / Univ. di Bonn / K. Migkas et al .; Illustrazione: NASA / CXC / M. Weiss

Uno dei pilastri della cosmologia – lo studio della storia e del destino dell’intero universo – è che l’universo è” isotropico“, il che significa lo stesso in tutte le direzioni“, ha affermato Konstantinos Migkas dell’Università di Bonn in Germania, che ha guidato il nuovo studio. “Il nostro lavoro mostra che potrebbero esserci delle crepe in quel pilastro“.

Gli astronomi generalmente concordano 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 oggetti cosmici come galassie e ammassi di galassie) si allontana l’una dall’altra mentre l’intera pagnotta (che rappresenta lo spazio) si espande. Con un mix uniforme l’espansione dovrebbe essere uniforme in tutte le direzioni, come dovrebbe essere con un universo isotropico. Ma questi nuovi risultati potrebbero non adattarsi a quell’immagine.

Sulla base delle nostre osservazioni sul cluster, potremmo aver trovato differenze nella velocità con cui l’universo si sta espandendo a seconda della direzione in cui abbiamo guardato“, ha affermato il coautore Gerrit Schellenberger del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) a Cambridge, Massachusetts. “Ciò contraddirebbe uno dei presupposti di base più elementari che usiamo oggi in cosmologia“.

L’ultimo test

In precedenza gli scienziati hanno condotto numerosi test per verificare se l’universo è lo stesso in tutte le direzioni. Questi includevano l’uso di osservazioni ottiche di stelle esplose e studi a infrarossi di galassie. Alcuni di questi precedenti sforzi hanno prodotto possibili prove del fatto che l’universo non sia isotropico.

Quest’ultimo test utilizza una tecnica potente, innovativa e indipendente. 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. Maggiore è la temperatura del gas in un cluster, maggiore è la luminosità dei raggi X. Una volta misurata la temperatura del gas del cluster, è possibile stimare la luminosità dei raggi X. Questo metodo è indipendente dalle quantità cosmologiche, inclusa la velocità di espansione dell’universo.

Credits: ESA/XMM-Newton (X-rays); CFHT-LS (optical); XXL Survey

I risultati

Una volta stimata la luminosità dei raggi X dei loro cluster usando questa tecnica, gli scienziati hanno quindi calcolato le luminosità utilizzando un metodo diverso che dipende dalle quantità cosmologiche, inclusa la velocità di espansione dell’universo. 

I risultati hanno dato ai ricercatori evidenti velocità di espansione in tutto il cielo, rivelando che l’universo sembra allontanarsi da noi più velocemente in alcune direzioni rispetto ad altri.

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

Possibili spiegazioni

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. Ad esempio, è possibile che alcuni ammassi vicini vengano tirati nella stessa direzione dalla gravità di gruppi di altri ammassi di galassie. Se il movimento è abbastanza rapido, potrebbe portare a errori nella stima delle luminosità dei cluster.

Questo tipo di movimenti correlati darebbe l’impressione di tassi di espansione diversi in direzioni diverse. Gli astronomi hanno visto effetti simili con galassie relativamente vicine, a distanze generalmente inferiori a 850 milioni di anni luce, dove è noto che l’attrazione gravitazionale reciproca controlla il movimento degli oggetti. Tuttavia, gli scienziati si aspettavano che l’espansione dell’universo dominasse il movimento dei cluster su distanze maggiori, fino a 5 miliardi di anni luce analizzati in questo nuovo studio.

Una seconda possibile spiegazione è che l’universo non è effettivamente lo stesso in tutte le direzioni. Una ragione interessante potrebbe essere che l’energia oscura – la forza misteriosa che sembra guidare l’accelerazione dell’espansione dell’universo – non è essa stessa 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 miscelato, causando un’espansione più rapida in alcuni punti rispetto ad altri“, ha affermato il co-autore Thomas Reiprich, anch’esso dell’Università di Bonn. “Sarebbe notevole se si scoprisse che l’energia oscura ha diversi punti di forza in diverse parti dell’universo. Tuttavia, sarebbero necessarie molte più prove per escludere altre spiegazioni e farne,così, un’ipotesi convincente“.

Le conseguenze

Ognuna di queste due spiegazioni cosmologiche avrebbe conseguenze significative. Molti studi in cosmologia, inclusi studi a raggi X di ammassi di galassie, ipotizzano che l’universo sia isotropo e che i movimenti correlati siano trascurabili rispetto all’espansione cosmica alle distanze qui esplorate.

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, usando i dati provenienti da XMM-Newton e dal Japan-USA Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics (ASCA), per un totale di 842 diversi ammassi di galassie. Hanno trovato un risultato simile usando la stessa tecnica.

Credits

Un documento 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).

Il Marshall Space Flight Center della NASA gestisce il programma Chandra. Il centro radiografico Chandra dell’Osservatorio Astrofisico Smithsonian controlla le operazioni scientifiche e di volo da Cambridge e Burlington, nel Massachusetts.

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