Il nostro modello cosmologico dell'universo, basato sulla meccanica quantistica e sulla relatività generale, si occupa della geometria dell'universo influenzata dalla materia e dall'energia, che per la maggior parte degli scopi è considerata piatta.

Tuttavia, non dice nulla sulla topologia dell'universo stesso:è infinito, ha cicli, ecc. Il PRL lo studio si concentra su questo aspetto dell'universo e se i modelli e i dati attuali consentono la presenza di queste topologie esotiche o non banali.

La ricerca viene svolta nell'ambito della collaborazione COMPACT composta da un team internazionale di scienziati. Uno dei coautori dello studio, il prof. Glenn D. Starkman della Case Western Reserve University dell'Ohio, negli Stati Uniti, ha parlato con Phys.org del lavoro del team.

Discutendo sulla sua motivazione a perseguire questo lavoro, ha detto:"La possibilità che l'universo abbia una topologia 'interessante' rientra interamente nel nostro Modello Standard della fisica, ma è comunque generalmente considerata esotica."

"Ho temuto a lungo che, guardando dall'altra parte, avremmo perso una scoperta straordinaria sul nostro universo. Nel frattempo, ci sono prove crescenti che l'universo non è 'statisticamente isotropo', cioè che la fisica è la stessa in tutte le direzioni. . La topologia è un modo molto naturale per l'anisotropia di insinuarsi nel nostro universo."

Sfondo cosmico a microonde

La CMB è un tipo di radiazione appartenente allo spettro delle microonde. Previsto negli anni '40 come residuo del Big Bang, fu scoperto per caso nel 1965.

Dopo il Big Bang, che è il modo in cui è nato l'universo attuale, non c'era altro che un brodo di particelle e gas fondamentali a temperature e pressioni estremamente elevate, spesso definito brodo primordiale.

Man mano che l’universo si espandeva, si raffreddava anche. Ciò ha portato le particelle fondamentali a combinarsi per formare atomi. Fino a quel momento, i fotoni interagivano con queste particelle fondamentali e si diffondevano, impedendo loro di viaggiare liberamente. Ma una volta che gli atomi iniziarono a formarsi, i fotoni viaggiarono più liberamente, circa 380.000 anni dopo il Big Bang.

Ciò ha segnato la propagazione della CMB, che è considerata un “bagliore residuo” del Big Bang. Contiene informazioni importanti sull'universo primordiale e sui successivi processi che hanno portato alla formazione di strutture su larga scala come stelle e galassie.

La CMB è presente ovunque e, per la maggior parte, ha una temperatura uniforme. Tuttavia, ci sono piccole fluttuazioni e anomalie nei dati CMB che non sono state spiegate.

I ricercatori della PRL studio propone che queste fluttuazioni e anomalie nelle misurazioni della CMB possano essere spiegate considerando topologie non banali dell'universo, il che significa che non dobbiamo considerarlo "piatto".

Topologia cosmica

La topologia è una branca della matematica che si occupa della forma e della struttura degli oggetti. Le regole della topologia sono molto diverse dalle regole della geometria. Mentre geometria e topologia sono concetti distinti, la geometria influenza la topologia.

La geometria definisce il modo in cui lo spazio è curvo (lo spaziotempo è considerato piatto su piccola scala) e la topologia definisce la connettività complessiva dello spazio.

Se dovessimo avere uno spazio piatto, non potremmo avere topologie in cui lo spazio curva verso l'interno o presenta anelli. Ciò significa che per viaggiare tra due punti, dovremmo prendere un percorso in linea retta senza deviazioni o anelli.

Il Prof. Starkman ha spiegato:"L'universo potrebbe essere come un videogioco dei vecchi tempi, in cui lasciando il lato destro dello schermo ti vedresti apparire da sinistra, in modo da poter tornare al punto di partenza seguendo un percorso in linea retta. Questo si chiama connessione multipla."

In sostanza, il percorso in linea retta suggerisce che, nonostante l'apparenza di movimento continuo, la topologia sottostante dello spazio consente una connettività inaspettata, dove quella che sembra una traiettoria lineare può in realtà ritornare su se stessa.

Cerchi di temperatura abbinati

Se l’universo fosse “molteplicamente connesso” (cioè avesse una topologia non banale), osserveremmo cerchi di temperatura corrispondenti. Questo perché la luce che viaggia da una sorgente (come una stella) potrebbe viaggiare lungo due percorsi diversi e arrivare all'osservatore (Terra) da due direzioni.

Ciò lascia fluttuazioni di temperatura simili su una mappa CMB (o mappa di calore), risultando in cerchi di temperatura corrispondenti. Tuttavia, non ci sono prove che suggeriscano la presenza di questi cerchi di temperatura abbinati.

"La mancanza di cerchi di temperatura corrispondenti è ciò che ci dice sulla lunghezza del circuito chiuso più breve che ci attraversa, ma non ci dice sulla lunghezza dei circuiti che attraversano altri luoghi", ha affermato il prof. Starkman.

L'assenza di cerchi di temperatura corrispondenti nei dati della CMB suggerisce che se esiste una topologia non banale, i cerchi che passano attraverso la nostra posizione (la Terra) devono essere relativamente piccoli.

Ciò pone un limite alla lunghezza di questi cicli. Il professor Starkman ha spiegato:"Se le anomalie della CMB sono dovute alla topologia cosmica, allora la lunghezza dei circuiti più brevi che ci attraversano non dovrebbe essere più lunga del 20-30% circa rispetto al diametro dell'ultima superficie di diffusione:una sfera con un raggio pari alla distanza che la luce ha percorso nella storia dell'universo."

Vincoli e ricerche future

Alla luce del vincolo di cui sopra e della ricerca di una topologia non banale, i ricercatori propongono ulteriori modi per rilevare tale topologia in futuro.

In particolare, menzionano alterazioni nei modelli statistici delle fluttuazioni di temperatura nei dati della CMB, nonché nella struttura su larga scala dell’universo. Queste fluttuazioni o alternanze verrebbero alla luce se fosse presente una topologia non banale.

Ma questi rilevamenti richiedono un'enorme potenza computazionale e i ricercatori suggeriscono l'uso di algoritmi di apprendimento automatico per accelerare i calcoli e l'estrazione dei dati CMB per rilevare topologie non banali.

"La ricerca della topologia sarà rinnovata dopo una pausa di circa un decennio. Se tutto va bene, riusciremo a rilevare la topologia cosmica e quindi comprendere l'origine dell'anisotropia del nostro universo e dare uno sguardo ai processi responsabili dell'emergere originale del nostro universo, " ha concluso il Prof. Starkman.

Lo studio evidenzia inoltre che, anche in assenza di cerchi esplicitamente abbinati, la presenza di anisotropia statistica (o anomalie) nella CMB indica la potenziale esistenza di informazioni rilevabili sulla struttura e topologia dell'universo.