Nuova Prospettiva Sulla Struttura Fondamentale dell’Universo
L’universo è costellato di galassie che, su larga scala, presentano un andamento filamentoso, definito rete cosmica. Questa distribuzione eterogenea del materiale cosmico è per certi versi come i mirtilli in un muffin, dove il materiale si raggruppa in alcune aree ma può mancare in altre.
Sulla base di una serie di simulazioni, i ricercatori hanno iniziato a sondare la struttura eterogenea dell’universo trattando la distribuzione delle galassie come un insieme di punti, come le singole particelle di materia che compongono un materiale, anziché come una distribuzione continua. Questa tecnica ha permesso di applicare la matematica sviluppata per la scienza dei materiali per quantificare il disordine relativo dell’universo, consentendo una migliore comprensione della sua struttura fondamentale.
“Abbiamo scoperto che la distribuzione delle galassie nell’universo è molto diversa dalle proprietà fisiche dei materiali convenzionali, avendo una propria firma unica”, ha spiegato Oliver Philcox, coautore dello studio.
Questo lavoro, ora pubblicato su Physical Review X, è stato condotto da Salvatore Torquato, membro frequente e visitatore dell’Institute for Advanced Study e professore di scienze naturali Lewis Bernard presso i dipartimenti di chimica e fisica dell’Università di Princeton, e da Oliver Philcox, dottorando in visita all’Istituto dal settembre 2020 all’agosto 2022, ora Junior Fellow della Simons Society of Fellows, ospitata alla Columbia University.
La coppia ha analizzato i dati delle simulazioni pubbliche generate dall’Università di Princeton e dal Flatiron Institute. Ognuna delle 1.000 simulazioni è costituita da un miliardo di “particelle” di materia oscura, i cui ammassi, formati dall’evoluzione gravitazionale, fungono da proxy per le galassie.
Uno dei risultati principali del lavoro riguarda le correlazioni tra coppie di galassie topologicamente connesse tra loro attraverso la funzione di connessione a coppie. Sulla base di questa e di una serie di altri descrittori che emergono nella teoria dei mezzi eterogenei, il team di ricerca ha dimostrato che sulle scale più grandi (dell’ordine di diverse centinaia di megaparsec), l’universo si avvicina all’iperuniformità, mentre su scale più piccole (fino a 10 megaparsec) diventa quasi anti-iperuniforme e fortemente disomogeneo.
“Il passaggio percepito tra ordine e disordine dipende in gran parte dalla scala”, ha dichiarato Torquato. “La tecnica puntinista di Georges Seurat nel dipinto Una domenica alla Grande Jatte (vedi immagine sotto) produce un effetto visivo simile; l’opera appare disordinata se vista da vicino e molto ordinata da lontano. In termini di universo, il grado di ordine e disordine è più sottile, come in un test Rorschach a macchie d’inchiostro che può essere interpretato in un numero infinito di modi”.
Gli strumenti statistici, in particolare le distribuzioni di prossimità, le diagnosi di clustering, le distribuzioni di Poisson, le soglie di percolazione e la funzione di connessione a coppie, hanno permesso ai ricercatori di sviluppare un quadro coerente e oggettivo per misurare l’ordine. Pertanto, le loro scoperte, pur essendo state fatte in un contesto cosmologico, sono applicabili a numerosi altri sistemi dinamici e fisici.
Questo lavoro interdisciplinare, che combina le tecniche della cosmologia e della fisica della materia condensata, ha implicazioni future per entrambi i campi. Oltre alla distribuzione delle galassie, con questi strumenti si possono esplorare molte altre caratteristiche dell’universo, tra cui i vuoti cosmici e le bolle di idrogeno ionizzato che si sono formate durante la fase di reionizzazione dell’universo. D’altra parte, i nuovi fenomeni scoperti nell’universo possono anche fornire informazioni su vari sistemi materiali sulla Terra. Il team riconosce che sarà necessario un ulteriore lavoro prima che queste tecniche possano essere applicate a dati reali, ma questo lavoro fornisce una solida prova di concetto con un potenziale significativo.
Riferimento: “Universo eterogeneo e disordinato: Galaxy Distribution and Clustering across Length Scales” di Oliver H. E. Philcox e Salvatore Torquato, 14 marzo 2023, Physical Review X. – https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011038
