Viviamo in una parte speciale dell’universo?

Secondo un principio che gli scienziati chiamano “principio cosmologico”, il nostro posto nel cosmo non è affatto particolare. Ma recenti osservazioni potrebbero ribaltare questo assunto di lunga data
di Sarah Scoles/Scientific American
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Da quando gli esseri umani hanno iniziato a guardare il cielo con i telescopi, abbiamo scoperto, un po’ alla volta, che in termini celesti non siamo poi così speciali. Si è scoperto che la Terra non era il centro dell’universo. Non era nemmeno il centro del sistema solare! Anche il sistema solare, purtroppo, non era il centro dell’universo. In realtà, c’erano molti sistemi stellari sostanzialmente simili a esso, che insieme formavano una galassia. E, manco a dirlo, la galassia non era speciale, ma era una delle tante, e tutte avevano un proprio sistema solare, che aveva anche pianeti, alcuni dei quali presumibilmente ospitavano un proprio insieme di creature egoiste con un senso esagerato di importanza cosmica.

Questa nozione di mediocrità è stata inserita nella cosmologia, sotto forma del “principio cosmologico”. Il suo succo è che l’universo è fondamentalmente lo stesso ovunque si guardi: omogeneo come il latte, composto di materiali comuni distribuiti uniformemente in ogni direzione. In cima alla gerarchia cosmica, gruppi giganteschi di galassie si raggruppano in filamenti e strati ricchi di materia intorno a vuoti intergalattici, ma oltre, la struttura sembra diminuire. Se si potesse fare uno zoom all’indietro e guardare il quadro generale dell’universo, dice Alexia Lopez della University of Central Lancashire in Inghilterra, “sembrerebbe davvero liscio”.

Lopez paragona il cosmo a una spiaggia: se si mettesse una manciata di sabbia sotto un microscopio, i granelli di sabbia apparirebbero come individui speciali. “Si vedrebbero i diversi colori, le forme e le dimensioni”, dice Lopez. “Ma se si dovesse camminare sulla spiaggia, guardando le dune di sabbia, si vedrebbe solo un colore beige dorato uniforme”.

Ciò significa che la Terra (o uno qualsiasi degli altri trilioni di pianeti che devono esistere) e il suo piccolo angolo di cosmo non sembrano occupare un posto particolarmente privilegiato rispetto a tutto il resto. Questa omogeneità è comoda per gli astronomi, perché permette loro di guardare all’universo in parte come a un modo affidabile di fare inferenze sull’intero: che sia qui nella Via Lattea o in una galassia senza nome distante miliardi di anni luce, le condizioni prevalenti dovrebbero essere essenzialmente le stesse.

Questo principio di semplificazione si applica a tutto, dalla comprensione di come la materia oscura appesantisca gli ammassi di galassie alla stima di quanto possano essere comuni le condizioni favorevoli alla vita in tutto il cosmo, e permette agli astronomi di semplificare i loro modelli matematici del passato dell’universo e le loro previsioni del suo futuro. “Tutto si basa sull’idea che [il principio cosmologico]sia vero”, dice Lopez. “È anche un’ipotesi molto vaga. Quindi è molto difficile da convalidare”.

La convalida è particolarmente impegnativa quando esistono prove significative del contrario; e una serie di osservazioni recenti suggeriscono in effetti che l’universo potrebbe essere più strano e avere variazioni più ampie di quanto i cosmologi avessero comodamente supposto. Se così fosse, gli esseri umani (e chiunque altro là fuori) potrebbero avere una sorta di visione speciale degli anni luce che ci separano dall’universo: non privilegiata, di per sé, ma nemmeno media, in quanto la “media” non sarebbe più un concetto utile su scale sufficientemente grandi. “Osservatori diversi potrebbero vedere universi leggermente diversi”, almeno su grandi scale, afferma Valerio Marra, professore all’Università federale di Espírito Santo in Brasile e ricercatore all’Osservatorio Astronomico di Trieste in Italia.

Gli astronomi non hanno ancora buttato via il principio cosmologico, ma stanno raccogliendo indizi sulle sue potenziali debolezze. Un approccio prevede la ricerca di strutture così grandi da sfidare la levigatezza cosmica anche a uno zoom enormemente ampio. Gli scienziati hanno calcolato che qualsiasi cosa più ampia di circa 1,2 miliardi di anni luce manderebbe in aria i piani di un cosmo omogeneo.

E gli astronomi ne hanno trovati alcuni. Lopez, per esempio, ha scoperto una bestia chiamata Arco Gigante, una curva di galassie che attraversa circa 3,3 miliardi di anni luce. Ha anche scoperto il Grande Anello, un toro di galassie di circa 1,3 miliardi di anni luce di diametro e quattro miliardi di circonferenza. Le due stranezze sono vicine e potrebbero essere collegate in una struttura ancora più grande.

Anche lo studio stesso della cosmologia dà motivo di sollevare il sopracciglio sul principio cosmologico. Per esempio, la luce residua del big bang, chiamata fondo cosmico a microonde, presenta alcune misteriose fluttuazioni su larga scala che non sembrano del tutto casuali, osserva Dragan Huterer, cosmologo dell’Università del Michigan. “Questo non è mai stato spiegato in modo soddisfacente”, dice.

Alcuni scienziati hanno sostenuto che queste potenziali sfide al principio cosmologico potrebbero essere spiegate da un altro principio, la varianza cosmica, che si riferisce all’incertezza statistica insita nelle misurazioni dell’universo effettuate dagli astronomi. Siamo sempre limitati da quello che possiamo vedere e quindi sempre matematicamente incerti su quali conclusioni trarre da un campione limitato. Forse le variazioni osservate dagli astronomi sono semplicemente il risultato di un’incompletezza piuttosto che un reale riflesso delle proprietà dell’universo; forse ciò che sembra un’anomala protuberanza nella levigatezza cosmica si appiattisce se confrontata con una porzione di cosmo non osservata adiacente al volume a noi visibile.

E quando si tratta di studiare zone dell’universo adeguatamente grandi che i cosmologi sono davvero molto limitati: l’universo osservabile è talmente grande. “Se dite: ‘Voglio studiare la forma delle galassie’, beh, siete fortunati: ci sono miliardi e miliardi di galassie nell’universo. Potete rispondere alle vostre domande con la statistica e la varianza del vostro campione sarà molto piccola”, dice Huterer. Su scale più grandi, si hanno solo pochi esempi perché l’universo osservabile si divide solo in tante grandi sezioni.

Marra ha pensato per un po’ che certe discrepanze cosmologiche potessero essere il risultato della varianza cosmica. Ma non è più sufficiente a spiegarle, secondo i suoi e altrui calcoli. Tuttavia, la maggior parte delle osservazioni cosmiche regge molto bene il confronto con il principio cosmologico. Quindi, sebbene gli scienziati dispongano di informazioni sufficienti per mettere ragionevolmente in dubbio la validità dell’idea, non sono affatto pronti ad abbandonarla, soprattutto perché nessuno ha uno schema alternativo solido per sostituirla.

“Non ci sono prove schiaccianti della violazione del principio”, dice Huterer. “Tuttavia, ci sono alcune anomalie molto interessanti”. In ogni caso, si tratta di un problema difficile da decifrare a causa della natura della cosmologia. “A differenza di un esperimento di laboratorio che si può ripetere all’infinito – dice Huterer – si ha a disposizione un solo universo”.