L'universo si comporta allo stesso modo ovunque? La lente gravitazionale debole potrebbe fornire una risposta
Esempi di come i modi E e B deformano le immagini di galassie lontane.
Uno studio pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) presenta una metodologia per testare il presupposto dell'omogeneità e dell'isotropia cosmica, noto come Principio Cosmologico, sfruttando la lente gravitazionale debole, un effetto di distorsione della luce descritto dalla relatività generale, nelle immagini astronomiche raccolte da nuovi osservatori come il Telescopio Spaziale Euclid. Trovare prove di anomalie nel Principio Cosmologico potrebbe avere profonde implicazioni per la nostra attuale comprensione dell'universo.
“Il Principio Cosmologico è una sorta di dichiarazione di umiltà”, spiega James Adam, astrofisico dell'Università del Capo Occidentale di Città del Capo, Sudafrica, e autore principale del nuovo lavoro. Secondo il Principio Cosmologico, non solo non siamo al centro dell'universo, ma un vero centro non esiste.
Un'ulteriore ipotesi, simile ma distinta e indipendente dall'omogeneità, è che l'universo sia anche isotropo, cioè non abbia direzioni preferite. Queste ipotesi sono alla base del Modello Standard della Cosmologia, il quadro teorico utilizzato per spiegare l'origine, l'evoluzione e lo stato attuale dell'universo. Attualmente è il modello più solido e coerente, verificato da numerose osservazioni scientifiche, anche se non ancora perfetto.
In effetti, alcune recenti osservazioni cosmologiche suggeriscono che, su scale estremamente grandi, potrebbero esistere anisotropie - variazioni nella struttura dell'universo che mettono in discussione l'ipotesi di isotropia.
Queste anomalie sono state identificate con metodi diversi e comprendono misure contrastanti del tasso di espansione dell'universo, studi della radiazione cosmica di fondo a microonde e varie incongruenze nei dati cosmologici. Tuttavia, queste osservazioni non sono ancora conclusive.
Per escludere gli errori di misurazione, è necessario raccogliere più dati utilizzando metodologie indipendenti. Se più tecniche confermassero le stesse anomalie, la loro esistenza diventerebbe molto più difficile da respingere.
Il nuovo studio pubblicato su JCAP da Adam e colleghi ha sviluppato una nuova metodologia per verificare l'isotropia dell'universo utilizzando le osservazioni di strumenti come Euclid. Euclid è un telescopio spaziale dell'ESA lanciato nel 2023, che ha appena iniziato a produrre immagini del cosmo con una potenza, una precisione e una risoluzione senza precedenti.
“Abbiamo studiato un metodo diverso per limitare l'anisotropia, che prevede la cosiddetta lente gravitazionale debole”, spiega Adam. Il lensing debole si verifica perché la materia che si trova tra noi e una galassia lontana piega leggermente la luce della galassia, alterandone la forma apparente. Questo specifico tipo di distorsione può rivelare l'esistenza di anisotropie nell'universo.
Infatti, l'analisi dei dati del lensing debole permette agli scienziati di separare il segnale in due componenti: Il taglio del modo E, che è generato dalla distribuzione della materia in un universo isotropo e omogeneo, e il taglio del modo B, che è tipicamente molto debole e non dovrebbe apparire su grandi scale in un universo isotropo.
La semplice osservazione dei modi B su grandi scale non sarebbe sufficiente a confermare le anisotropie, poiché questi segnali sono molto deboli e potrebbero derivare da errori di misura o effetti secondari.
Se un'anisotropia è reale, dovrebbe influenzare sia i modi E che i modi B in modo non indipendente, generando una correlazione tra i due segnali. Solo se i dati di Euclide rivelassero una correlazione significativa tra i modi E e B, ciò suggerirebbe un'espansione anisotropa dell'universo.
Prossimi passi e possibili implicazioni
Nel loro studio, Adam e colleghi hanno simulato al computer gli effetti di un'espansione anisotropa dell'universo e hanno sviluppato un modello che descrive come le deviazioni dall'isotropia modificherebbero il segnale del lensing debole.
Hanno poi calcolato la correlazione incrociata E-B per dimostrare che un universo anisotropo produrrebbe una correlazione tra i due segnali e hanno applicato il loro modello ai futuri dati di Euclid, dimostrando che queste osservazioni saranno sufficientemente precise per rilevare potenziali anisotropie.
Euclid sta già iniziando a fornire dati utili per queste analisi, e presto verranno attivati nuovi osservatori. Ora che hanno sviluppato la metodologia corretta, Adam e i suoi colleghi intendono applicarla ai dati reali.
“Una volta che il lavoro è stato quadruplicato, bisogna considerare seriamente se questa ipotesi fondamentale è vera o meno, in particolare nell'ultimo universo. O forse non è mai stata vera”, spiega Adam.
Se queste anomalie venissero confermate, aprirebbero un nuovo capitolo della cosmologia. Non sarà facile, però: esistono già modelli teorici alternativi che prevedono le anisotropie, ma nessuno è solido o ampiamente accettato come il Modello Standard.
Tuttavia, qualsiasi revisione teorica dipenderebbe anche dall'entità dell'anisotropia rilevabile, che rimane incerta. “Potrebbe essere una revisione seria”, conclude Adam, ”o solo l'aggiunta di un piccolo termine qui o là. Chi lo sa?”.
James Adam et al, Probing the Cosmological Principle with weak lensing shear, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). Lo trovi su arXiv.