Migliore risposta
Le collisioni del multiverso possono punteggiare il cielo
Allinizio della storia cosmica, il nostro universo potrebbe essersi imbattuto in un altro: uno scontro primordiale che avrebbe potuto lasciare tracce negli ultimi bagliori del Big Bang.
I fisici stanno cercando prove di unantica collisione con un altro universo.
Come molti dei suoi colleghi, Hiranya Peiris , un cosmologo allUniversity College di Londra, una volta respinse in gran parte lidea che il nostro universo potesse essere solo uno dei tanti in un vasto multiverso . Era scientificamente intrigante, pensò, ma anche fondamentalmente non verificabile. Ha preferito concentrare la sua ricerca su questioni più concrete, come levoluzione delle galassie.
Poi unestate allAspen Center for Physics, Peiris si è ritrovata a chiacchierare con il Matt Johnson , che ha menzionato il suo interesse nello sviluppo di strumenti per studiare lidea. Ha suggerito di collaborare.
Allinizio, Peiris era scettico. “Come osservatore penso che qualsiasi teoria, per quanto interessante ed elegante, sia seriamente carente se non ha conseguenze verificabili”, ha detto. Ma Johnson lha convinta che potrebbe esserci un modo per testare il concetto. Se luniverso in cui viviamo si fosse scontrato molto tempo fa con un altro universo, lincidente avrebbe lasciato un impronta sullo sfondo cosmico a microonde (CMB), il debole bagliore residuo di il big Bang. E se i fisici potessero rilevare una tale firma, fornirebbe una finestra sul multiverso.
Erick Weinberg , un fisico della Columbia University, spiega questo multiverso confrontandolo con un calderone bollente, con le bolle che rappresentano i singoli universi – sacche isolate di spazio-tempo. Mentre la pentola bolle, le bolle si espandono e talvolta si scontrano. Un processo simile potrebbe essersi verificato nei primi momenti del cosmo.
Negli anni trascorsi dal loro primo incontro, Peiris e Johnson hanno studiato come una collisione con un altro universo nei primissimi istanti di tempo avrebbe inviato qualcosa simile a unonda durto nel nostro universo. Pensano di essere in grado di trovare prove di una tale collisione nei dati del telescopio spaziale Planck, che mappa la CMB.
Il progetto potrebbe non funzionare, ammette Peiris. Richiede non solo che viviamo in un multiverso, ma anche che il nostro universo sia entrato in collisione con un altro nella nostra storia cosmica primordiale. Ma se i fisici avranno successo, avranno la prima improbabile prova di un cosmo oltre il nostro .
Quando le bolle si scontrano
Le teorie del multiverso erano una volta relegate alla fantascienza o al territorio pazzo. “Sembra che tu sia andato in un paese pazzo”, ha detto Johnson, che ricopre incarichi congiunti presso il Perimeter Institute of Theoretical Physics e la York University. Ma gli scienziati hanno escogitato molte versioni di ciò che potrebbe essere un multiverso, alcune meno pazze di altre.
Il multiverso a cui Peiris e i suoi colleghi sono interessati non è la controversa ipotesi “molti mondi” che fu la prima proposto negli anni 50 e sostiene che ogni evento quantistico genera un universo separato. Né questo concetto di multiverso è correlato al popolare tropo fantascientifico dei mondi paralleli, nuovi universi che si staccano dal nostro spazio-tempo e diventano regni separati. Piuttosto, questa versione nasce come conseguenza dellinflazione, una teoria ampiamente accettata dei primi momenti delluniverso.
Linflazione sostiene che il nostro universo ha subito unimprovvisa esplosione di rapida espansione un istante dopo il Big Bang, esplodendo da un granello infinitamente piccolo fino a uno che copre un quarto di miliardo di anni luce in semplici frazioni di secondo.
Eppure linflazione, una volta iniziata, tende a non fermarsi mai completamente. Secondo la teoria, una volta che luniverso inizia ad espandersi, finirà in alcuni punti, creando regioni come luniverso che vediamo tuttintorno a noi oggi. Ma altrove linflazione continuerà semplicemente ad andare eternamente nel futuro.
Questa caratteristica ha portato i cosmologi a contemplare uno scenario chiamato inflazione eterna. In questa immagine, le singole regioni dello spazio smettono di gonfiarsi e diventano “universi a bolle” come quello in cui viviamo. Ma su scala più ampia, lespansione esponenziale continua per sempre e vengono creati continuamente nuovi universi a bolle. Ogni bolla è considerata un universo a sé stante, nonostante faccia parte dello stesso spazio-tempo, perché un osservatore non potrebbe viaggiare da una bolla allaltra senza muoversi più velocemente della velocità della luce. E ogni bolla può avere le proprie leggi fisiche distinte. “Se acquisti uninflazione eterna, predice un multiverso”, ha detto Peiris.
Nel 2012, Peiris e Johnson hanno collaborato con Anthony Aguirre e Max Wainwright – entrambi fisici dellUniversità della California, Santa Cruz – per costruire un multiverso simulato con solo due bolle. Hanno studiato cosa è successo dopo che le bolle si sono scontrate per determinare cosa avrebbe visto un osservatore. Il team ha concluso che una collisione di due universi a bolle ci apparirebbe come un disco sulla CMB con un profilo di temperatura distintivo.
Unantica collisione con un universo a bolle avrebbe alterato la temperatura del fondo cosmico a microonde (a sinistra), creando un debole disco nel cielo (a destra) che potrebbe essere potenzialmente osservato.
Olena Shmahalo / Quanta Rivista; fonte: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Per proteggersi dallerrore umano – tendiamo a vedere i modelli che vogliamo vedere – hanno ideato una serie di algoritmi per cerca questi dischi nei dati del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), un osservatorio spaziale. Il programma ha identificato quattro potenziali regioni con fluttuazioni di temperatura coerenti con quella che potrebbe essere una firma di una collisione di bolle. Quando i dati del satellite Planck saranno disponibili entro la fine dellanno, i ricercatori dovrebbero essere in grado di migliorare quella precedente analisi.
Eppure rilevare firme convincenti del multiverso è complicato. Sapere semplicemente come potrebbe apparire un incontro richiede una comprensione approfondita delle dinamiche delle collisioni tra bolle, qualcosa di abbastanza difficile da modellare su un computer, data la complessità di tali interazioni.
Quando affrontano un nuovo problema, i fisici in genere trovare un buon modello che già capiscono e adattarlo apportando piccole modifiche che chiamano “perturbazioni”. Ad esempio, per modellare la traiettoria di un satellite nello spazio, un fisico potrebbe utilizzare le leggi classiche del moto delineate da Isaac Newton nel XVII secolo e quindi apportare piccoli perfezionamenti calcolando gli effetti di altri fattori che potrebbero influenzarne il movimento, come pressione del vento solare. Per i sistemi semplici, dovrebbero esserci solo piccole discrepanze dal modello imperturbabile. Prova a calcolare i modelli di flusso daria di un sistema complesso come un tornado, tuttavia, e quelle approssimazioni si interrompono. Le perturbazioni introducono cambiamenti improvvisi e molto ampi al sistema originale invece di perfezionamenti più piccoli e prevedibili.
La modellazione di collisioni tra bolle durante il periodo inflazionistico delluniverso primordiale è simile alla modellazione di un tornado. Per sua natura, linflazione allunga lo spazio-tempo a una velocità esponenziale, precisamente il tipo di grandi salti nei valori che rendono il calcolo delle dinamiche così impegnativo.
“Immagina di iniziare con una griglia, ma allinterno di una istantaneamente, la griglia si è espansa a una dimensione enorme “, ha detto Peiris. Con i suoi collaboratori, ha utilizzato tecniche come il raffinamento adattivo della mesh – un processo iterativo di vagliatura dei dettagli più rilevanti in una tale griglia su scale sempre più fini – nelle sue simulazioni di inflazione per affrontare la complessità. Eugene Lim , un fisico del Kings College di Londra, ha scoperto che un tipo insolito di onde viaggianti potrebbe aiutare a semplificare ulteriormente le cose.
Risposta
Tutto è in espansione, quindi questo è una domanda naturale da porre. Come può tutto espandersi lontano da ogni altra cosa, e tuttavia ancora entrare in collisione?
Parte della colpa di questa confusione risiede nel tipo di diagrammi e linguaggio che usiamo per dimostrare lespansione delluniverso. Se dico “lo spazio tra ogni galassia si sta espandendo, in modo che ogni galassia sembri allontanarsi da ogni altra galassia”, questo è un buon modo per farti immaginare unespansione dello spazio. Significa anche che sto ignorando tutto quello che sta succedendo che potrebbe complicare la situazione, per rendere lidea dellespansione dello spazio il più chiara possibile.
In questo caso, ciò che complica la situazione è il nostro vecchio gravità amico. Se ogni galassia nelluniverso fosse distribuita uniformemente, ad esempio se fossero tutte disposte come se fossero punti su una griglia, anche la descrizione semplice è accurata. Non ci sarebbe altro da fare. Ogni galassia continuerebbe ad evolversi in totale isolamento, allontanandosi lentamente da qualsiasi altra cosa.
Simulazione numerica della densità di importa quando luniverso aveva 4,7 miliardi di anni. La formazione della galassia segue i pozzi gravitazionali prodotti dalla materia oscura, dove lidrogeno gassoso si coalizza e le prime stelle si accendono. Credito immagine: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Questo non è laspetto del nostro universo.Il nostro universo sembra molto più ragnatela che come una griglia, con grossi nodi di galassie e piccoli filamenti di galassie che si estendono da ogni nodo. I grandi nodi sono ammassi di galassie e possono contenere migliaia di galassie. Le loro controparti più piccole, i gruppi di galassie, contengono alcune galassie. La nostra galassia è in un piccolo gruppo, con Andromeda e un gruppo di piccolissime galassie nane.
Questi ammassi e gruppi sono ciò che accade quando le galassie si formano abbastanza vicine luna allaltra che la gravità può riunirle. Se una galassia è abbastanza vicina a unaltra galassia e non si muove troppo velocemente, la gravità impedirà loro di separarsi di nuovo. Queste galassie possono trascorrere molti miliardi di anni cadendo luna verso laltra e generalmente si mancheranno al primo tentativo di collisione, quindi trascorreranno molti miliardi di anni a ricadere insieme per un secondo, e poi forse un terzo tentativo. La nostra galassia e Andromeda sono nella prima fase dellautunno insieme, che probabilmente richiederà circa 3 miliardi di anni in più prima che sia difficile districare le nostre due galassie.
Questo sistema è costituito da una coppia di galassie, denominate NGC 3690 (o Arp 299), che hanno compiuto un passaggio ravvicinato circa 700 milioni di anni fa. Come risultato di questa interazione, il sistema ha subito una feroce esplosione di formazione stellare. Negli ultimi quindici anni circa sei supernove sono spuntate nei confini esterni della galassia, rendendo questo sistema una distinta fabbrica di supernova. Crediti: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Fondamentalmente, il fatto che noi vedere le collisioni tra le galassie si riduce a due cose; le galassie non si sono formate su una griglia e la forza di espansione del nostro universo è meno forte della forza di gravità per le galassie vicine luna allaltra. Se la forza di espansione fosse molto, molto più forte di quanto non sia, allora anche la gravità potrebbe non essere in grado di riunire le galassie, e ogni galassia sarebbe davvero un universo insulare, isolato per sempre. Fortunatamente per noi, la gravità regna ancora sovrana finché le condizioni sono giuste.