Lug 1

Universo oscillante o universo “strappato”. Troppe teorie e poche osservazioni? **

Sapete che non amo molto divulgare teorie puramente matematiche su quella che può essere la struttura dell’Universo e la sua evoluzione. Per adesso vi è un modello sostenuto da osservazioni che potrebbe essere spiegato abbastanza semplicemente. Tuttavia, come tutti i modelli lascia aperti un mucchio di dubbi e di punti critici.

Per cercare di “tapparli”, si dà via libera a parametri più o meno variabili (meglio se del tutto sconosciuti come materia ed energia oscura) e alla matematica. Si troverà sempre un modello che in qualche modo confermerà certi risultati. Nello stesso momento, però, aprirà nuovi squarci di incertezza, e via dicendo. E’ un po’ come se uno volesse impacchettare perfettamente una sfera con un foglio di carta piano. Se va bene da una parte si allarga dall’altra o si strappa del tutto.

Sappiamo anche molto bene che la tecnologia dei computer è tale che non è difficile al giorno d’oggi impostare nuove teorie e poi far girare i modelli anche per qualche mese o qualche anno. Nel frattempo si può fare altro… Una volta una nuova teoria legava lo scienziato alla sua idea praticamente per tutta la vita e rischiava di fargliela spendere dietro a un totale insuccesso se le osservazioni gliela avessero prima o poi smentita. Pensate solo a quel povero Gauss che ha dovuto calcolare a mano un’ orbita planetaria da tre osservazioni, aggiungendo poi le altre attraverso l’uso dei minimi quadrati. Anni di lavoro, quando oggi bastano pochi secondi.

Con questo non voglio dire che era meglio la Scienza antica. Voglio solo dire che una teoria andava ben studiata e ben valutata prima di essere sviluppata in pieno: ne andava di un’intera esistenza terrena! Oggi, se ne possono creare a raffica, cambiando anche di poco certi parametri. Poi ci pensa il computer…

Tuttavia (attenzione!) questo non vuole assolutamente dire che chiunque può inventarsi una teoria, ma che coloro che hanno una preparazione adeguata e completa possono rischiare ben poco nel provare nuovi approcci. Ne segue che le teorie cosmologiche si susseguono a raffica e, anche se al loro interno qualcuna è più “giusta” di un’altra, è ben difficile capirlo, soprattutto se le osservazioni che dovrebbero confermarle sono sempre le stesse…

Tra le nuove teorie del “tutto” o quasi, ne ho letto recentemente due. Molto belle entrambe  e molto suggestive, ma … i loro limiti tornano sempre a bomba: le osservazioni sono sempre le stesse con i loro problemi non ancora risolti. In particolar modo, spiccano sempre di più le candele standard, le ormai sempre meno credibili supernove di tipo Ia. Sono infatti loro che ci indicano come leggere il passato dell’Universo e il suo modo di “muoversi”.

La prima è quella dell’universo a fisarmonica e la seconda è quella dell’Universo viscoso. Non chiedetemi di entrare nei dettagli, dato che mi sembrerebbe opera del tutto inutile. Le due teorie restano dei bei giochini matematici che diventeranno cose serie solo quando i punti di partenza saranno veramente assodati e precisati.

Nella prima, fortunatamente, non si parla di materia ed energia oscura. Ossia, serve a poco. Si ipotizza che lo spazio stia subendo un’oscillazione smorzata a seguito dell’incredibile espansione dovuta all’inflazione. Una specie di onda di terremoto che si spegne lentamente. Durante i 13.8 miliardi di anni di vita, lo spazio dell’Universo si sarebbe espanso e contratto varie volte (6 o 7), diminuendo sempre più la sua ampiezza fino quasi a scomparire al giorno d’oggi. Uno spazio a fisarmonica, insomma, il cui suono va spegnendosi. La conclusione è che molto probabilmente l’accelerazione dell’espansione attuale possa essere legata a una fase di espansione a cui seguirà una fase di contrazione. Qualcuno, però, per non buttare via il lavoro appena concluso, ha già detto che si potrebbero sovrapporre i due effetti: quello periodico smorzato e quello solo espansivo accelerato (così si salverebbero capra e cavoli…).

L’andamento del fattore scala a(t) in funzione del tempo per le supernove distanti. In basso sono mostrate le derivate del fattore scala e il best-fit (linea blu) che evidenzia le oscillazioni. Fonte: H. I. Ringermacher e L. R. Mead, 2015
L’andamento del fattore scala a(t) in funzione del tempo per le supernove distanti. In basso sono mostrate le derivate del fattore scala e il best-fit (linea blu) che evidenzia le oscillazioni. Fonte: H. I. Ringermacher e L. R. Mead, 2015

Prove a riguardo? Beh… è facile trovarne, sapendo quali e quanti problemi sono ancora irrisolti. Uno che va bene con il modello si trova sempre…  Per esempio, il periodo della nascita rapida e molto efficace delle prime galassie, troppo grandi per essere vere, sembrerebbe coincidere con una fase di contrazione dello spazio. Magnifico! La materia tende ad avvicinarsi e costruire qualcosa è più facile.

E’ inutile proseguire con figure e formule varie (tutte corrette sicuramente). Il succo di tutto rimane, però, sempre lo stesso: la misura dell’espansione nei vari periodi della vita del Cosmo. Quello che si chiama fattore di scala. Già di per sé incerto, si è voluto analizzare la sua derivata. La derivata di un andamento “quasi lineare” (l’espansione generale) è risultata variabile, un po’ positiva e un po’ negativa. Insomma, invece di una linea dritta si aveva un’oscillazione (smorzata) attorno a lei.

L’Universo oscillante. Fonte: H. I. Ringermacher e L. R. Mead, 2015
L’Universo oscillante. Fonte: H. I. Ringermacher e L. R. Mead, 2015

Mi ricorda molto la scoperta dei pianetoni attorno a stelle vicine, basata solo sulle misure delle posizioni delle stelle. Piccole variazioni nel moto dell’astro erano imputate a variazioni periodiche del moto del baricentro e quindi riconducibili a pianeti invisibili, ma capaci di spostarlo un po’ a destra e un po’ a sinistra. Si è poi arrivati addirittura a cercare la variazione della variazione (la derivata seconda). Insomma, tutto molto bello, ma del tutto irrealistico con la precisione di quei tempi. I pianetoni sono spariti e le accuse contro chi voleva scoprire qualcosa che stava ben all’interno dell’errore della misura furono molto pesanti.

Oggi si fa quasi lo stesso. La variazione del fattore di scala di espansione in funzione del tempo si basa sulle supernove di tipo Ia, che potrebbero rappresentare varie famiglie di oggetti con caratteristiche anche abbastanza diverse, ossia con “errori” piuttosto grandi. Se è già difficile credere alla linea che passa attraverso queste misure e che ci dà un certo valore più o meno costante, diventa veramente assurdo (o quasi) cercare in quella linea l’andamento della derivata, ossia un andamento a sinusoide smorzata.

Poco importa che tutte le analisi matematiche concludano che l’andamento “sembra” statisticamente valido. Quanti andamenti ho visto “statisticamente “ validi, quando ci sono solo sei o sette eventi da considerare. Uno fra tutti? La periodicità delle estinzioni di massa, collegate statisticamente alla pioggia cometaria che si ripeterebbe orni 30 milioni di anni. Oggi, ovviamente, non se ne parla più…

Conclusione? Sarebbe molto meglio investigare a fondo le caratteristiche delle supernove di tipo Ia, sia rispetto al tipo di progenitore e sia rispetto all’età a cui si riferisce. I mezzi ci sono di sicuro, ma forse bisogna che passi più tempo rispetto a quello necessario a un computer per far girare un nuovo modello e applicargli un qualche test statistico. Io temo profondamente che siamo di fronte a qualcosa tipo i “pianetoni” del caro amico Peter van der Kamp, purtroppo solo un sogno nascosto nell’errore di misura….

Quasi contemporaneamente, nasce un'altra teoria, quasi diametralmente opposta. Finora non si è mai modellata accuratamente la viscosità del fluido che permea l’Universo. Se si facesse, seguendo un certo modello più o meno confermato da fenomeni molto locali di tipo stellare, si otterrebbe, attraverso un’elegante e complessa matematica (e il solito computer ultra veloce), un Universo che sta partendo come una scheggia verso l’espansione senza fine, quella che porta al Big Rip, al “grande strappo”. Tutta la materia si disintegrerebbe e si disperderebbe in uno spazio sempre più gigantesco. Ancora una volta, però, i modelli si basano sui pochi dati (i dati sono sempre pochi per definizione) a disposizione, tra cui direttamente e indirettamente le supernove di tipo Ia, le candele standard, l’asta rigida che misura l’Universo e la sua espansione…

Insomma, un risultato completamente opposto… ma che si ottiene giocando un poco con le formule matematiche: in un caso con le variazioni sotto il limite dell’errore; nel secondo sull’applicazione di particolari teorie “locali” a situazioni molto più generali.

Vi è qualcosa di sbagliato in tutto ciò? Sicuramente no. E’ giusto che chi ha le basi scientifiche si diverta a creare nuovi modelli e nuove teorie. L’importante è che non diventino atti di fede solo perché qualcuna è più appoggiata “politicamente” di un’altra. Tentativi che una volta non si potevano fare e che oggi portano via solo un tempo ridicolo.

E’ giusto che la Scienza utilizzi la tecnologia e che invece di riflettere molto prima, vada a tentativi e -magari- ci rifletta dopo, in attesa che arrivino i dati osservativi? Basterà poi cambiare qualche variabile e qualche formula nel modello (rendendole sempre più complicate) per avvicinarsi alle osservazioni. Einstein non ha cambiato la sua teoria DOPO, ma le sue previsioni sono state confermate senza nessun aggiustamento… Va beh… altri tempi!

In un modo o nell’altro, non pretendete da me che vi spieghi nei dettagli questi nuovi modelli cosmologici… Vi do i link (QUI e QUI) e ognuno si diverta. Senza pretendere, poi, di potere competere con qualche modello alternativo, però… Il primo lo trovate anche su Media INAF e, tra non molto, apparirà anche il secondo (penso).

Quello che posso concludere io è che queste supernove sono uno dei più interessanti problemi della nuova astrofisica e sono sicuro che la spiegazione finale sarò di una semplicità estrema: il solito uovo di Colombo dell’Universo.

8 commenti

  1. devo lasciare un finto commento per poter richiedere di ricevere una email per eventuali commenti... Un problemino che non capiamo ancora e che speriamo di risolvere in fretta...

  2. peppe

    enzo
    dovresti seguire questi passaggi
    devi andare su impostazioni poi su discussione
    poi alla voce "invia una mail ogni volta che" devi spuntare "qualcuno inserisce un commento"

  3. Diego

    Perle di saggezza!!! :-P

  4. peppe

    quindi Enzo, se non ho capito male ciò che si sa è dovuto più alla matematica che ad osservazioni effettuate?

    ma l'istante zero si arriverà mai a capire cos'è o sarà una cosa impossibile? cioè siamo noi poco tecnologicamente evoluti per scoprirlo o è un qualcosa di più grande...
    non mi è stato chiaro ciò. già mi angoscia il fatto che l'universo era un punto infinitesimale dove non esisteva spazio e di conseguenza neanchè il tempo scorreva...ma se il tempo non scorre come mai "qualcosa si è mosso" è si è scatenato l'universo?

    mah la finisco qui altrimenti aggiungo altre fesserie colossali a quelle già scritte sopra...
    ma permettetemo di fare domande stupide piene della mia ignoranza in materia. :mrgreen:

  5. Diego

    Caro peppe comprendo il tuo stato d'animo ho trovato questi pensieri spero ti possano togliere un poco di angoscia visto che non sei l'unico a vivere queste situazioni come si dice mal comune.... :wink:

    Per Einstein il mistero piú grande è che il mondo sia comprensibile, cioè che il pensiero sia in grado di fornire un ordine alle esperienze sensoriali.

    Il fatto stesso, che la totalità delle nostre esperienze sensoriali sia tale che mediante il pensiero (operazioni con concetti, creazione e uso di relazioni funzionali ben definite fra essi e coordinazione delle esperienze sensoriali con tali concetti) essa può venir ordinata, ci lascia pieni di stupore, ed è un fatto che non riusciremo mai a spiegarci. Si potrebbe dire che “l’eterno mistero del mondo è la sua comprensibilità”. Una delle grandi scoperte di Immanuel Kant fu il riconoscimento che la costruzione di un mondo esterno reale sarebbe priva di senso senza la sua comprensibilità.

    A. Einstein, Pensieri degli anni difficili, trad. it. di l. Bianchi, Boringhieri, Torino, 1974, pagg. 37-40

    Nel parlare di “comprensibilità”, l'espressione viene usata nel suo significato piú ristretto. Essa, in generale, implica la produzione di un qualche tipo di ordine fra le impressioni sensoriali, tale ordine essendo prodotto dalla creazione di concetti generali, dalle relazioni fra questi concetti, e dalle relazioni fra i concetti e l'esperienza sensoriale, relazioni determinate in ogni maniera possibile. È in questo senso che il mondo delle nostre esperienze sensoriali è comprensibile. Il fatto che sia comprensibile è davvero un miracolo.
    Secondo me non si può dire nulla a riguardo al modo in cui i concetti devono essere costruiti e collegati, e al modo in cui noi dobbiamo coordinarli con le esperienze. Il successo dei risultati rappresenta il fattore determinante che ci guida nella creazione di un tale ordine fra le esperienze sensoriali. Tutto ciò che è necessario è l’enunciazione di un gruppo di regole, poiché senza tali regole l’acquisizione della conoscenza nel senso desiderato sarebbe impossibile. Si può paragonare tale situazione a quella di un gioco: se pur le regole sono arbitrarie, solo il loro rigore e la loro inflessibile applicazione rende possibile il gioco. La loro determinazione, tuttavia, non sarà mai definitiva. Essa risulterà valida solo per un particolare campo di applicazione (in altre parole, non esistono categorie definitive nel senso di Kant).

    Novecento filosofico e scientifico, a cura di A. Negri, Marzorati, Milano, 1991, vol. IV, pagg. 778-779

  6. SuperMagoAlex

    Peppe penso che il "punto infinitesimale" sia solo una semplificazione per spiegare l'inflazione e l'espansione, un pò come quella di rappresentare l'Universo come un palloncino che si gonfia.
    Al momento la migliore teoria di cui disponiamo per la comprensione dello spazio-tempo è la Relatività Generale ed essa non è in grado di dirci cosa accadde all'istante zero, quindi sul Big Bang non possiamo dire cosa fosse, forse era l'inizio o forse era una fase di passaggio dell'Universo.

  7. cari tutti,
    non dobbiamo essere pessimisti... Io penso che l'aiuto più grande per avere "osservazioni" o qualcosa di simile sia non solo andare ancora indietro nel tempo, magari attraverso i neutrini o le onde gravitazionali primordiali, ma il riuscire a descrivere (o forse finalmente a capire) ancora meglio la MQ. Il legame tra una teoria come la RG che è troppo confermata per non essere vera e la MQ (idem con patate) prima o poi salterà agli occhi e il salto sarà enorme! D'altra parte, entrambe le teorie (CONFERMATE da dati di fatto) sono entrambe giovanissime... Aspettiamo le menti capaci di effettuare la sintesi. Oggi probabilmente non ne esistono (ancora ?). Nel frattempo gli scienziati "normali" accumulano dati, aumentano le prestazioni tecnologiche, un 'po' si divertono a costruire piccoli castelli di carte, e intanto preparano il terreno a chi farà un po' d'ordine...
    Facendo i miei soliti paragoni... tra Giotto e Masaccio è passato più di un secolo, in cui si migliorava il migliorabile. Poi, improvvisamente, l'esplosione del genio che si è trascinato dietro una folla.
    Forse non siamo lontani da una migliore comprensione; è lì dietro l'angolo, un altro uovo di Colombo... se la Scienza rimane ancora tale (anche se ristretta e limitata a pochi veri studiosi) uscirà il genio, malgrado il terribile rumore di fondo di teorie giocate al computer o con matematica senza legami realmente fisici...
    Intanto, accontentiamoci dei piccoli tasselli che si aggiungono e che serviranno prima o poi alle menti elette (sperando che ne possano nascere ancora...).

  8. marco

    sottoscrivono in pieno anche se continuo a preferire l'espressione "Non confutate" all'espressione "confermate".
    questo perché considero che il più grande regalo che mi ha fatto la scienza non sia la tecnologia, ma l'avermi liberato dalla verità...

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