Il modello standard della cosmologia (Lambda CDM, acronimo di Lambda Cold Dark Matter) è il modello che attualmente meglio combacia con le osservazioni astrofisiche e cosmologiche. Questo modello deriva dalla relatività generale e teorizza che l’Universo sia composto da materia ordinaria, materia oscura, radiazione ed energia oscura.
Per decenni si è cercato di comprendere come questi contributi abbiano dato origine agli oggetti ed alle strutture cosmiche che osserviamo. Tra queste, gli ammassi e i superammassi di galassie. Ora, un nuovo studio suggerisce che le responsabili siano le cosiddette fluttuazioni quantistiche.
Le fluttuazioni quantistiche (non) gaussiane
Le fluttuazioni quantistiche sono variazioni casuali, imprevedibili e temporanee che si verificano nelle proprietà delle particelle e dei sistemi fisici a livello molto piccolo, appunto “quantistico”. Queste variazioni, o fluttuazioni, sono dovute alla natura probabilistica delle particelle subatomiche, e possono essere presenti anche a temperature molto basse.
Il modello cosmologico standard ci dice che le perturbazioni di densità nell’Universo primordiale seguano profili di densità di tipo gaussiano, ovvero abbiano la forma di una curva a campana chiamata curva gaussiana.
In un articolo pubblicato di recente su Physical Review Letters (abstract reperibile qui), alcuni ricercatori del Niels Bohr Institute, dell’Università autonoma di Madrid e del CNRS Università di Parigi, hanno esplorato la possibilità che queste fluttuazioni quantistiche generino code esponenziali non gaussiane. Ovvero, una distribuzione in cui le regioni estreme seguono una forma esponenziale anziché una forma gaussiana. In questo modo, le fluttuazioni avrebbero diretta conseguenza per la formazione di strutture cosmiche.
Eccezioni alla regola
Le code esponenziali responsabili della formazione delle strutture nell’Universo erano già state studiate nel contesto della produzione dei buchi neri primordiali.
In questo nuovo studio si osserva che esse potrebbero svolgere un ruolo chiave anche nella formazione di strutture su larga scala, e indicare soluzioni ad altri problemi legati al modello Lambda CDM. Senza estenderlo, perché esso conterrebbe già gli ingredienti necessari per spiegare queste osservazioni anomale. Jose Marìa Ezquiaga, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha affermato:
La questione di come si siano formate le strutture nell’Universo è una delle più antiche, ma dagli inizi degli anni ’80 ha acquisito una nuova dimensione. Al tempo, gli scienziati si resero conto dell’incredibile connessione tra scale più piccole e quelle più grandi, in cui le fluttuazioni quantistiche nell’Universo primordiale sono stirate dall’inflazione cosmica per seminare la formazione di galassie e strutture su larga scala nell’Universo.
Dalle fluttuazioni quantistiche al collasso di oggetti cosmici
I ricercatori, in particolare, hanno esplorato la possibilità che questo meccanismo influisca sul collasso di oggetti più grandi come gli aloni di materia oscura, che in seguito ospiteranno galassie e gruppi di galassie.
Calcolando alcuni parametri fondamentali, assumendo code esponenziali non gaussiane, il team ha determinato che le diffusioni quantistiche primordiali possono effettivamente aumentare il numero di grandi ammassi di galassie, svuotando gli aloni di materia oscura.
Il prossimo importante passo è testare completamente le previsioni di questo modello rispetto alle evidenze sperimentali. Le nuove osservazioni con il telescopio spaziale James Webb sembrerebbero al momento accordarsi con le previsioni teoriche di questo studio. Tuttavia ci sarà da attendere ulteriori conferme da parte degli astronomi per comprendere appieno le loro classificazioni, e aspettare che confermino queste popolazioni inaspettate.
