Dell’Universo vicino sappiamo molto poco, ma le osservazioni ci stanno aiutando a comprenderne la demografia e le caratteristiche principali. Dell’Universo su larga scala, invece, sappiamo davvero pochissimo. Solo ciò che le teorie cosmologiche, e in particolare il modello cosmologico standard, ci permettono di ipotizzare.

Di grande aiuto per caratterizzarlo sono le macrostrutture che osserviamo, come gli ammassi di galassie e i più grandi superammassi di galassie, che ci consentono di comprendere come gli oggetti più grandi del cosmo si uniscono, e quindi di capire in che modo la gigantesca ragnatela dell’Universo sia distribuita. Tra queste macrostrutture, una delle più vaste in assoluto finora trovate è l’Arco Gigante (Giant Arc). Scoperto nel 2021, è lungo circa 3.3 miliardi di anni luce.

Due giorni fa, durante il 243esimo incontro dell’American Astronomical Society (AAS), la dottoranda Alexia Lopez dell’University of Central Lancashire ha presentato la scoperta di un’altra macrostruttura nell’Universo remoto, denominata Grande Anello (Big Ring). Si trova a 9.2 miliardi di anni luce dalla Terra, ha un diametro di circa 1.3 miliardi di anni luce e una circonferenza di circa 4 miliardi di anni luce. Se potessimo vederlo in cielo, occuperebbe lo spazio corrispondente a 15 lune piene.

La scoperta di quest’altra macrostruttura, che fa parte dello stesso “quartiere cosmico” dell’Arco Gigante, ha ulteriormente messo in discussione alcuni dei presupposti di base della cosmologia. Lopez ha affermato:

Nessuna di queste due strutture è facile da spiegare nella nostra attuale comprensione dell’Universo. E le loro dimensioni ultra-grandi, le forme distintive e la vicinanza cosmologica devono sicuramente dirci qualcosa di importante. Ma cosa, esattamente?

Le macrostrutture conosciute del nostro Universo

A partire dagli anni ’80 del secolo scorso, gli astronomi iniziarono a scoprire in cielo delle strutture molto più grandi rispetto ai superammassi di galassie, gruppi di ammassi galattici che fino ad allora erano considerati le più vaste strutture esistenti nel cosmo.

La prima fra queste fu la Grande Muraglia CfA2, scoperta nel 1989. Si tratta di un enorme filamento, che trattiene diversi ammassi di galassie. Ha dimensioni stimate da 500 a 750 milioni di anni luce, una larghezza di 200 milioni di anni luce e uno spessore di circa 16 milioni di anni luce. Non si sa esattamente quanto si estenda questo filamento, a causa dell’assorbimento della luce nel piano della Via Lattea in cui si trova la Terra.

Nell’aprile 2003 fu scoperta la Grande Muraglia di Sloan, una struttura formata da un gigantesco muro di galassie esteso per 1.37 miliardi di anni luce, circa 1/60 del diametro dell’Universo osservabile. Un’altra muraglia simile, con circa le stesse dimensioni, fu trovata nel 2020 e denominata South Pole Wall, perché molto densa in corrispondenza del Polo Sud celeste.

Nel 2013 un team guidato dall’University of Central Lancashire scoprì lo Huge Large Quasar Group (Huge-LQG), una struttura di 73 quasar che misura circa 4 miliardi di anni luce di diametro. Nel 2016 fu invece identificata la Grande Muraglia BOSS, un complesso di superammassi esteso per 1 miliardo di anni luce in diametro, con una massa totale stimata 10mila volte quella della Via Lattea.

Le più grandi strutture attualmente conosciute solo la Grande Muraglia (HCB Great Wall, Hercules-Corona Borealis Great Wall), che misura approssimativamente 10 miliardi di anni luce in lunghezza, scoperta nel 2013, e l’Arco Gigante nominato in precedenza.

Il Grande Anello

Il Grande Anello scoperto da Lopez e colleghi appare come un anello quasi perfetto nel cielo. Tuttavia, l’ulteriore analisi di Alexia rivela che ha più una forma a spirale, come una sorta di cavatappi, e che è allineato frontalmente con la Terra. Per confronto l’Arco Gigante, che è circa 1/15 del raggio dell’Universo osservabile, si presenta come un’enorme mezzaluna di galassie, quasi simmetrica.

Il Grande Anello e l’Arco Gigante si trovano alla stessa distanza da noi, vicino alla costellazione del Boote. Ciò significa che esistevano nello stesso tempo cosmico, quando l’Universo aveva solo la metà della sua età attuale ed era circa 1.8 volte meno vasto di quanto sia ora, a causa dell’espansione cosmica. Inoltre, si trovano nella stessa regione del cielo, a soli 12 gradi di distanza.

I ricercatori spiegano che il fatto che queste due strutture ultra-grandi siano in una configurazione così ravvicinata aumenta la possibilità che insieme costituiscano un sistema cosmologico ancora più vasto.

La scoperta è stata resa possibile dall’osservazione delle linee di assorbimento negli spettri dei quasar, galassie molto luminose e antiche, raccolti dallo Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Utilizzando lo stesso metodo che ha portato alla scoperta dell’Arco Gigante, gli scienziati hanno osservato i sistemi di assorbimento del Magnesio-II retroilluminati dai quasar.

La sfida al modello cosmologico standard dell’Universo

Secondo il modello cosmologico standard sull’evoluzione dell’Universo, strutture di questo tipo si formano e seguono filamenti composti da idrogeno e materia oscura, distribuendosi come una ragnatela definita per questo ragnatela cosmica.

Si pensa che questa sia la struttura su larga scala del nostro Universo: la materia oscura attrae gravitazionalmente la materia barionica, ordinaria, ed è questa quella che noi vediamo costituire le pareti lunghe e sottile dei superammassi di galassie.

Tuttavia, strutture come la Grande Muraglia e l’Arco Gigante, estese per così tanti miliardi di anni luce, sfidano il principio cosmologico. Secondo questo principio, su scale sufficientemente ampie, l’Universo è considerabile come uguale in ogni luogo (omogeneo) e in ogni direzione (isotropo). E non dovrebbe quindi produrre disuguaglianze osservabili nella strutturazione su larga scala.

Strutture così grandi come il Grande Arco, la Grande Muraglia, il Grande Anello, superano il limite dimensionale di ciò che è considerato teoricamente fattibile. E pongono potenziali sfide all’intero modello cosmologico, attualmente il più accreditato dalla maggior parte degli scienziati. I cosmologi, infatti, calcolano che l’attuale limite teorico delle dimensioni delle strutture sia di 1.2 miliardi di anni luce. Tutte queste strutture sono molto più vaste.

Alcune (possibili) spiegazioni a questi anelli cosmici

Una possibilità, spiegano i ricercatori, è che il Grande Anello possa essere correlato alle oscillazioni acustiche barioniche (BAO, Baryon Acoustic Oscillations). Le BAO nascono da fluttuazioni della materia nell’Universo primordiale e oggi dovrebbero apparire, almeno statisticamente, come gusci sferici nella disposizione delle galassie. Tuttavia, un’analisi dettagliata del Grande Anello ha rivelato che non è realmente compatibile con la spiegazione BAO: è troppo grande, e non ha una forma sferica.

Potrebbero essere necessarie altre spiegazioni, che si discostano dal modello cosmologico standard. Una possibilità potrebbe essere la teoria della Cosmologia Ciclica Conforme (CCC), proposta nel 2001 dal premio Nobel Roger Penrose. Si tratta di un modello cosmologico di universo ciclico, che postula che la fine dell’Universo sia l’inizio di uno nuovo, dato che la bassa entropia successiva alla morte termica dell’Universo sarebbe la stessa che c’era prima del Big Bang, a causa dell’evaporazione dei buchi neri. Gli anelli cosmici, come il Grande Anello e l’Arco Gigante e le altre macrostrutture, potrebbero plausibilmente essere un segnale di CCC.

Un’altra spiegazione potrebbe essere l’effetto del passaggio delle stringhe cosmiche. Le stringhe cosmiche sono “difetti topologici” filamentosi di grandi dimensioni, che potrebbero essersi formati nell’Universo primordiale. Un altro premio Nobel, Jim Peebles, ha ipotizzato che le stringhe cosmiche potrebbero avere un ruolo nell’origine di alcune altre peculiarità nella distribuzione su larga scala delle galassie.

Qual è la risposta giusta? Ancora non lo sappiamo. “Dalle attuali teorie cosmologiche non pensavamo neppure che strutture di questa scala fossero possibili” ha affermato Lopez. “Potremmo aspettarci forse una struttura estremamente grande in tutto il nostro Universo osservabile…”.