Le anisotropie del fondo cosmico a microonde, o CMB, come osservato dalla missione Planck dell'ESA. La CMB è un'istantanea della luce più antica del nostro cosmo, impresso nel cielo quando l'Universo aveva solo 380.000 anni. Mostra piccole fluttuazioni di temperatura che corrispondono a regioni di densità leggermente diverse, che rappresentano i semi di ogni struttura futura:le stelle e le galassie di oggi. La prima vista in questa sequenza mostra le anisotropie nella temperatura del CMB alla piena risoluzione ottenuta da Planck. Nella seconda vista, le anisotropie di temperatura sono state filtrate per mostrare principalmente il segnale rilevato su scale intorno ai 5º nel cielo. La terza vista mostra le anisotropie di temperatura filtrate con un'indicazione aggiuntiva della direzione della frazione polarizzata del CMB. Una piccola frazione del CMB è polarizzata:vibra in una direzione preferita. Questo è il risultato dell'ultimo incontro di questa luce con gli elettroni, poco prima di iniziare il suo viaggio cosmico. Per questa ragione, la polarizzazione del CMB conserva informazioni sulla distribuzione della materia nell'Universo primordiale, e il suo andamento nel cielo segue quello delle minuscole fluttuazioni osservate nella temperatura del CMB. Queste immagini si basano sui dati della versione Planck Legacy, il rilascio dei dati finali della missione, pubblicato nel luglio 2018. Credito:ESA/Planck Collaboration
Il satellite Planck dell'ESA non ha trovato nuove prove per le sconcertanti anomalie cosmiche apparse nella sua mappa della temperatura dell'Universo. L'ultimo studio non esclude la potenziale rilevanza delle anomalie, ma significa che gli astronomi devono lavorare ancora di più per comprendere l'origine di queste caratteristiche sconcertanti.
Gli ultimi risultati di Planck provengono da un'analisi della polarizzazione della radiazione di fondo cosmico a microonde (CMB), la luce più antica della storia cosmica, rilasciato quando l'Universo aveva solo 380.000 anni.
L'analisi iniziale del satellite, che è stato reso pubblico nel 2013, concentrato sulla temperatura di questa radiazione attraverso il cielo. Ciò consente agli astronomi di indagare sull'origine e l'evoluzione del cosmo. Sebbene abbia per lo più confermato l'immagine standard di come si evolve il nostro Universo, La prima mappa di Planck ha anche rivelato una serie di anomalie difficili da spiegare all'interno del modello standard della cosmologia.
Le anomalie sono caratteristiche deboli del cielo che appaiono su grandi scale angolari. Non sono sicuramente artefatti prodotti dal comportamento del satellite o dall'elaborazione dei dati, ma sono abbastanza deboli da poter essere casualità statistiche, fluttuazioni estremamente rare ma non del tutto escluse dal modello standard.
In alternativa, le anomalie potrebbero essere un segno di "nuova fisica", il termine usato per processi naturali non ancora riconosciuti che estenderebbero le leggi della fisica conosciute.
Per sondare ulteriormente la natura delle anomalie, il team di Planck ha esaminato la polarizzazione del CMB, che è stato rivelato dopo un'attenta analisi dei dati multifrequenza progettati per eliminare le fonti in primo piano di emissione di microonde, inclusi gas e polvere nella nostra galassia della Via Lattea.
Un riassunto dei quasi 14 miliardi di anni di storia dell'Universo, mostrando in particolare gli eventi che hanno contribuito al Cosmic Microwave Background, o CMB. La timeline nella parte superiore dell'illustrazione mostra una visione artistica dell'evoluzione del cosmo su larga scala. I processi descritti vanno dall'inflazione, la breve era di espansione accelerata che l'Universo ha vissuto quando aveva una minuscola frazione di secondo, al rilascio della CMB, la luce più antica del nostro Universo, impresso nel cielo quando il cosmo aveva appena 380 000 anni; e dai "Secoli bui" alla nascita delle prime stelle e galassie, che ha reionizzato l'Universo quando aveva poche centinaia di milioni di anni, fino ai giorni nostri. Piccole fluttuazioni quantistiche generate durante l'epoca inflazionistica sono i semi della struttura futura:le stelle e le galassie di oggi. Dopo la fine dell'inflazione, particelle di materia oscura iniziarono ad ammassarsi attorno a questi semi cosmici, costruendo lentamente una rete cosmica di strutture. Dopo, dopo il rilascio della CMB, la materia normale ha iniziato a cadere in queste strutture, alla fine dando origine a stelle e galassie. Gli inserti sottostanti mostrano una vista ingrandita su alcuni dei processi microscopici che hanno avuto luogo durante la storia cosmica:dalle minuscole fluttuazioni generate durante l'inflazione, alla densa zuppa di luce e particelle che riempiva l'Universo primordiale; dall'ultima dispersione di luce dagli elettroni, che ha dato origine alla CMB e alla sua polarizzazione, alla reionizzazione dell'Universo, causato dalle prime stelle e galassie, che ha indotto ulteriore polarizzazione sul CMB. Credito:ESA
Questo segnale è la migliore misura fino ad oggi dei cosiddetti E-mode di polarizzazione CMB, e risale al tempo in cui i primi atomi si formarono nell'Universo e fu rilasciato il CMB. È prodotto dal modo in cui la luce si disperde dalle particelle di elettroni appena prima che gli elettroni vengano raccolti in atomi di idrogeno.
La polarizzazione fornisce una visione quasi indipendente del CMB, quindi se le anomalie dovessero presentarsi anche lì, ciò aumenterebbe la fiducia degli astronomi che potrebbero essere causati da una nuova fisica piuttosto che da casualità statistiche.
Sebbene Planck non fosse originariamente progettato per concentrarsi sulla polarizzazione, le sue osservazioni sono state utilizzate per creare le mappe di tutto il cielo più accurate fino ad oggi della polarizzazione CMB. Questi sono stati pubblicati nel 2018, migliorando notevolmente la qualità delle prime mappe di polarizzazione di Planck, uscito nel 2015.
Quando il team di Planck ha esaminato questi dati, non hanno visto alcun segno evidente delle anomalie. Nella migliore delle ipotesi, le analisi, pubblicato oggi in Astronomia e Astrofisica , ha rivelato alcuni deboli indizi che alcune delle anomalie potrebbero essere presenti.
"Le misurazioni della polarizzazione di Planck sono fantastiche, "dice Jan Tauber, Scienziato del progetto ESA Planck.
"Eppure, nonostante i grandi dati che abbiamo, non vediamo tracce significative di anomalie".
Mappa dell'ampiezza di polarizzazione del fondo cosmico a microonde (CMB) osservata dal satellite Planck dell'ESA. Mentre le fluttuazioni nel CMB sono presenti e sono state osservate da Planck fino a scale angolari molto piccole, queste immagini sono state filtrate per mostrare principalmente il segnale rilevato su scale abbastanza grandi nel cielo, intorno ai 5 gradi – per fare un confronto, la luna piena si estende per circa mezzo grado. Su queste grandi scale, si osservano una serie di anomalie nella temperatura CMB - queste sono caratteristiche che sono difficili da spiegare all'interno del modello standard della cosmologia, che si basa sul presupposto che l'Universo, su larga scala, ha le stesse proprietà se osservato in tutte le direzioni. L'anomalia più grave è un deficit del segnale osservato su scale intorno ai 5 gradi, che è circa il dieci per cento più debole del previsto. Altri tratti anomali sono una significativa discrepanza del segnale come osservato nei due emisferi opposti del cielo (i due emisferi sono delineati dal grande, curva approssimativamente a forma di U nell'immagine, quello settentrionale è al centro) e un cosiddetto "punto freddo" - un grande, punto a bassa temperatura con un profilo di temperatura insolitamente ripido (la posizione di questo punto è anche delineata in basso a destra). Tali anomalie non sono state rilevate, almeno non a un livello significativo, nelle osservazioni di Planck della polarizzazione CMB. Un confronto tra la mappa in alto, che mostra la misura di Planck totale - comprendente sia il segnale che il rumore - con la mappa in basso, mostrando solo il rumore, indica che possono essere presenti alcune caratteristiche anomale, come ad esempio un'asimmetria di potere tra i due emisferi, ma sono statisticamente poco convincenti. La mancanza di anomalie statisticamente significative nelle mappe di polarizzazione non esclude la potenziale rilevanza di quelle osservate nella temperatura, ma rende ancora più difficile capire l'origine di queste caratteristiche sconcertanti. Le regioni mostrate in grigio nelle mappe sono state mascherate nell'analisi per evitare emissioni residue in primo piano dalla nostra Via Lattea o fonti extragalattiche che influenzano i risultati cosmologici. Credito:collaborazione ESA/Planck
Sulla faccia di esso, questo sembrerebbe rendere le anomalie più probabili essere casualità statistiche, ma in realtà non esclude una nuova fisica perché la natura potrebbe essere più complicata di quanto immaginiamo.
Finora, non esiste un'ipotesi convincente su quale tipo di nuova fisica potrebbe causare le anomalie. Così, potrebbe essere che il fenomeno responsabile riguardi solo la temperatura del CMB, ma non la polarizzazione.
Da questo punto di vista, mentre la nuova analisi non conferma che sta avvenendo una nuova fisica, pone vincoli importanti su di esso.
L'anomalia più grave che è emersa nella mappa della temperatura CMB è un deficit nel segnale osservato a grandi scale angolari nel cielo, intorno ai cinque gradi, per fare un confronto, la luna piena si estende per circa mezzo grado. A queste grandi scale, Le misurazioni di Planck sono circa il dieci percento più deboli di quanto previsto dal modello standard della cosmologia.
Planck ha anche confermato, con elevata confidenza statistica, altri tratti anomali che erano stati accennati in precedenti osservazioni della temperatura del CMB, come una significativa discrepanza del segnale osservato nei due emisferi opposti del cielo, e un cosiddetto "punto freddo" - un grande, punto a bassa temperatura con un profilo di temperatura insolitamente ripido.
"Abbiamo detto al momento della prima versione che Planck avrebbe testato le anomalie utilizzando i suoi dati di polarizzazione. La prima serie di mappe di polarizzazione sufficientemente pulite per questo scopo è stata rilasciata nel 2018 ora abbiamo i risultati, " dice Krzysztof M. Górski, uno degli autori del nuovo articolo, dal Jet Propulsion Laboratory (JPL), Caltech, NOI..
Mappa della temperatura cosmica di fondo a microonde (CMB) osservata dal satellite Planck dell'ESA. Mentre le fluttuazioni nel CMB sono presenti e sono state osservate da Planck fino a scale angolari molto piccole, queste immagini sono state filtrate per mostrare principalmente il segnale rilevato su scale abbastanza grandi nel cielo, circa 5 gradi e oltre - a titolo di confronto, la luna piena si estende per circa mezzo grado. Su queste grandi scale, si osservano una serie di anomalie nella temperatura CMB - queste sono caratteristiche che sono difficili da spiegare all'interno del modello standard della cosmologia, che si basa sul presupposto che l'Universo, su larga scala, ha le stesse proprietà se osservato in tutte le direzioni. L'anomalia più grave è un deficit del segnale osservato su scale intorno ai 5 gradi, che è circa il dieci per cento più debole del previsto. Altri tratti anomali sono una significativa discrepanza del segnale come osservato nei due emisferi opposti del cielo (i due emisferi sono delineati dal grande, curva approssimativamente a forma di U nell'immagine, quello settentrionale è al centro) e un cosiddetto "punto freddo" - un grande, punto a bassa temperatura con un profilo di temperatura insolitamente ripido (delineato anche in basso a destra). Un confronto tra la mappa in alto, che mostra la misura di Planck totale - comprendente sia il segnale che il rumore - con la mappa in basso, mostrando solo il rumore, indica che le caratteristiche anomale non sono chiaramente artefatti in quanto sono presenti nel segnale e non nel rumore. Tali anomalie non sono state rilevate, almeno non a un livello significativo, nelle osservazioni di Planck della polarizzazione CMB. La mancanza di anomalie statisticamente significative nelle mappe di polarizzazione non esclude la potenziale rilevanza di quelle osservate nella temperatura, ma rende ancora più difficile capire l'origine di queste caratteristiche sconcertanti. Le regioni mostrate in grigio nelle mappe sono state mascherate nell'analisi per evitare emissioni residue in primo piano dalla nostra Via Lattea o fonti extragalattiche che influenzano i risultati cosmologici. Credito:collaborazione ESA/Planck
Sfortunatamente, i nuovi dati non hanno portato oltre il dibattito, in quanto gli ultimi risultati non confermano né smentiscono la natura delle anomalie.
"Abbiamo alcuni indizi che, nelle mappe di polarizzazione, potrebbe esserci un'asimmetria di potenza simile a quella che si osserva nelle mappe di temperatura, anche se rimane statisticamente poco convincente, " aggiunge Enrique Martínez González, anche co-autore del documento, dall'Instituto de Física de Cantabria di Santander, Spagna.
Mentre ci sarà un'ulteriore analisi dei risultati di Planck in corso, è improbabile che producano risultati significativamente nuovi su questo argomento. L'ovvio percorso per fare progressi è per una missione dedicata appositamente progettata e ottimizzata per studiare la polarizzazione CMB, ma questo è almeno 10-15 anni nel futuro.
"Planck ci ha fornito i dati migliori che avremo per almeno un decennio, " afferma il coautore Anthony Banday dell'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie di Tolosa, Francia.
Intanto, il mistero delle anomalie continua.
