La forma delle galassie tradirebbe la nascita quantistica dell’universo

Come accennato in un articolo su Jean-Pierre Luminettedagli anni '20 agli anni '30, Georges Lemaitre anticipò con notevole intuizione i fondamenti della cosmologia moderna, al punto da delineare la cosmologia quantistica che fu poi scoperta soprattutto da Stephen Hawking in compagnia di James Hartle, e più recentemente da Abhay Ashtekar.

Lemaitre prese sul serio le idee di Bohr e Heisenberg che mettevano in dubbio l'esistenza fondamentale dello spazio-tempo nel regno quantistico. Nel contesto della cosmologia relativistica, di cui fu pioniere, concluse che l'attuale inizio dell'espansione dello spazio visibile deve iniziare con quello che chiamò un atomo primordiale, un oggetto quantistico senza reale estensione nello spazio e nel tempo che avrebbe creato una sorta di atomo primordiale. di salto quantico nello spaziotempo reale come un nucleo, che decade per radioattività in particelle alfa, dando vita alle particelle materiali che osserviamo intorno a noi.

Durante gli anni Quaranta, George Gamow si concentrò sull'idea di uno stato iniziale simile al gas di neutroni che costituisce un nucleo atomico. Questo gas è caldo e accompagna l'universo in espansione anche lì attraverso la disintegrazione, ma attraverso la radioattività beta che emette protoni e neutroni.

Né Gamow né Lemaitre vengono presi sul serio dalla maggioranza della comunità scientifica che preferisce il modello cosmologico statico di Hoyle, Bondy e Gould, modello infinito nello spazio ma anche nel tempo sebbene in espansione (d'altronde, contrariamente a quanto spesso si sente dire) creduto, un modello cosmologico dilatato). Quindi un universo relativistico non significa automaticamente che fosse più piccolo nel passato trovandosi ad un certo punto, come richiede la teoria del Big Bang, in uno stato denso e caldo della materia e della radiazione che contiene).

Il prezzo Premio Frontiere della Conoscenza Il dottorato in Scienze di base della Fondazione BBVA è stato assegnato nel 2015 ai fisici Stephen Hawking e Vyacheslav Mukhanov per la loro scoperta che le galassie si sono formate da fluttuazioni quantistiche nei primi giorni dell'universo. Per una traduzione francese abbastanza accurata, clicca sul rettangolo bianco in basso a destra. La traduzione in inglese dovrebbe apparire successivamente. Cliccate poi sul dado a destra del rettangolo, poi su “Traduzioni” e infine su “Traduci automaticamente”. Seleziona “Francese”. © Fondazione BBVA

Dalle fluttuazioni quantistiche di Sakharov alle fluttuazioni quantistiche di Mokhanov

Tutto sarebbe cambiato, ovviamente, con la scoperta delle radiazioni fossili nel 1965. Ironicamente, poco prima di questa scoperta, dall’altra parte della cortina di ferro, il famoso Andrei Sakharov e il suo collega co-creatore sovietico della bomba all’idrogeno Yakov Zeldovich avevano pensato a il Big Bang… freddo!

Hanno delle ragioni per questo, anche la scoperta delle radiazioni fossili. L'idea iniziale è che tutto inizia con un fluido nucleare (sappiamo da Bohr e dagli anni '30 che il nucleo è una specie di gocciolina di fluido nucleare, e quindi l'atomo primitivo di Lemaître può essere pensato come un nucleo primitivo), ed è quindi alla fine freddo. Non sotto forma di gas caldo. Inoltre, un liquido freddo ha meno entropia di un liquido caldo, facendo sì che l'universo inizi in uno stato di bassa entropia che aumenterà, dando una freccia al tempo.

Ma soprattutto Sakharov conclude, senza dubbio per la prima volta, che nello stato iniziale, altamente denso del Big Bang, devono esserci state fluttuazioni quantistiche. Fluttuazioni all'origine della distribuzione eterogenea iniziale della materia: i semi delle stelle o delle galassie.

Agli inizi degli anni ‘80, mentre prendeva piede la cosmologia inflazionistica proposta da Alexei Starobinsky e soprattutto da Alan Guth, altri due russi, Vyacheslav Mukhanov e Gennady Chibisov, che scoprì che fluttuazioni quantistiche simili a quelle di Sakharov, ma amplificate dalla fase di espansione estremamente rapida e transitoria della teoria dell'inflazione, potrebbero diventare densità in eccesso di materia che collassano gravitazionalmente nelle galassie future. Hawking arriva indipendentemente a risultati simili, ma meno sofisticati.

Successivamente, numerosi esperimenti che misuravano le fluttuazioni della temperatura delle radiazioni fossili, come WMap e Planck, hanno dato credito a questa ipotesi, sebbene la prova del verificarsi di una fase di inflazione rimanga sfuggente. Nel 1985, Mukhanov sviluppò un rigoroso formalismo per descrivere le perturbazioni della densità in diversi modelli inflazionistici.

Ciò ci porta ora a considerare con attenzione un articolo pubblicato nel Revisione fisica d Una copia dello stesso è disponibile in libero accesso all'indirizzo arXiv. Lo dobbiamo a Toshiki Kurita e Masahiro Takada degli InstiBacche di Kafli Per la Fisica e la Matematica dell'Universo (IPMU), un istituto internazionale di ricerca di fisica e matematica con sede a Kashiwa, in Giappone, vicino a Tokyo.

Un video prodotto dalla Johns Hopkins University descrive in dettaglio la creazione della mappa. Per una traduzione francese abbastanza accurata, clicca sul rettangolo bianco in basso a destra. La traduzione in inglese dovrebbe apparire successivamente. Cliccate poi sul dado a destra del rettangolo, poi su “Traduzioni” e infine su “Traduci automaticamente”. Seleziona “Francese”. ©Università Johns Hopkins

Galassie che cambiano forma attraverso gli incontri

Le galassie nate dalle fluttuazioni di densità interagirebbero tra loro all'inizio della storia osservabile dell'universo, a volte fino al punto di fondersi. Le galassie ellittiche sono quindi il risultato di fusioni tra galassie a spirale.

Più in generale, possiamo dimostrare che possiamo attenderci un legame tra la storia di queste interazioni, e quindi anche le loro forme, e le proprietà delle fluttuazioni di densità che hanno dato origine alle prime galassie e la loro distribuzione nello “spazio”.

Toshiki Kurita e Masahiro Takada hanno quindi avuto l'idea di analizzare le correlazioni tra le distribuzioni e le forme delle galassie combinando dati spettroscopici sulla distribuzione spaziale delle galassie con dati di imaging sulle forme delle singole galassie forniti dalle osservazioni di circa un milione di galassie. Sondaggio digitale del cielo Sloan (SDSS), la più grande indagine galattica mai effettuata al mondo.

Di conseguenza, furono in grado di porre vincoli sulle proprietà statistiche delle fluttuazioni primordiali che diedero origine alla struttura dell’intero universo.

Questo progetto è stato importante perché esiste un enorme parco di modelli inflazionistici con una nuova fisica che fanno previsioni leggermente diverse di queste fluttuazioni. Tecnicamente i ricercatori hanno cercato specificamente le cosiddette fluttuazioni non gaussiane e non ne hanno trovato traccia.

Ciò non significa necessariamente che non esista, ma è almeno più debole di un certo valore, che ora possiamo misurare. Resta il fatto che si tratta di un nuovo test della teoria quantistica dell'origine delle galassie, test che è stato superato ancora una volta con successo.