Misteri nella CMB: la Cold Spot e il supervuoto

Analizzando la mappa della radiazione cosmica di fondo ( CMB), gli astronomi scoprirono, già nel 2004, un punto insolitamente freddo nel cielo. Ora il Dr. Istvan Szapudi dell'Istituto di Astronomia presso l'Università delle Hawaii a Manoa potrebbe aver trovato una spiegazione per l'esistenza di questa insolita " Cold Spot", che egli stesso definisce "la più grande struttura cosmica singola che sia mai stata identificata".

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Detection of a supervoid aligned with the cold spot of the cosmic microwave background [abstract]

We use the WISE-2MASS infrared galaxy catalogue matched with Pan-STARRS1 (PS1) galaxies to search for a supervoid in the direction of the cosmic microwave background (CMB) cold spot (CS). Our imaging catalogue has median redshift z ≃ 0.14, and we obtain photometric redshifts from PS1 optical colours to create a tomographic map of the galaxy distribution. The radial profile centred on the CS shows a large low-density region, extending over tens of degrees. Motivated by previous CMB results, we test for underdensities within two angular radii, 5°, and 15°. The counts in photometric redshift bins show significantly low densities at high detection significance, ≳5σ and ≳6σ, respectively, for the two fiducial radii. The line-of-sight position of the deepest region of the void is z ≃ 0.15-0.25. Our data, combined with an earlier measurement by Granett, Szapudi & Neyrinck, are consistent with a large R_void = (220 ± 50) h⁻¹ Mpc supervoid with δ_m ≃ −0.14 ± 0.04 centred at z = 0.22 ± 0.03. Such a supervoid, constituting at least a ≃3.3σ fluctuation in a Gaussian distribution of the Λ cold dark matter model, is a plausible cause for the CS.

Quando fu scoperta nella mappa della CMB nel 2004, la Cold Spot (letteralmente "macchia fredda") appariva come una regione del cielo, grande circa 500 milioni di anni luce, decisamente più fredda rispetto al valore medio.

Il modello cosmologico standard del Big Bang predice l'esistenza di punti più freddi o più caldi nell'Universo primordiale ma, una regione di tali dimensioni fu davvero inattesa. Se la "macchia fredda" fosse originata dal Big Bang potrebbe essere un raro segno di fisica esotica che la cosmologia standard non è in grado di spiegare; se, invece, fosse causata da qualcosa posto tra noi e la CMB, sarebbe un segno dell'esistenza di una struttura su larga scala estremamente rara nella distribuzione massa dell'Universo.

Utilizzando i dati ottici del telescopio Pan-STARRS1 ( PS1), situato sul Haleakala, Maui, Hawaii, con le osservazioni in infrarosso del satellite Wide Field Survey Explorer ( WISE) della NASA, la squadra di Szapudi ha scoperto un supervuoto cosmico, una vasta regione di 1,8 miliardi di anni luce in cui la densità delle galassie è molto inferiore rispetto all'Universo conosciuto. Il lavoro non è stato semplice perché paradossalmente individuare strutture vicine di grandi dimensioni è più difficile che osservare quelle lontane, dal momento in cui è necessario mappare zone di cielo molto grandi per vederle. Il supervuoto, infatti, è a soli 3 miliardi di anni luce circa di distanza da noi, relativamente vicino nello schema cosmico delle cose.

Il team spiega così l'anomalia: "immaginate che ci sia un enorme vuoto cosmico tra l'osservatore e la CMB. Ora, pensate a questo vuoto come se fosse una collina. Quando la luce entra nel vuoto deve superare la pendenza della collina. Se l'Universo non fosse in espansione accelerata, allora il vuoto non evolverebbe in modo significativo e la luce scenderebbe di nuovo il pendio della collina riacquistando l'energia perduta. Ma dato che, invece, l'Universo si sta espandendo, la collina viene deformata mentre la luce la attraversa. Con il tempo, perciò, la luce scende il pendio della collina, trovandolo più piatto di quello in entrata, non riuscendo più a raccogliere l'energia persa nel supervuoto. La luce esce quindi con una minore energia, corrispondente ad una temperatura più fredda".

Nell'immagine: Simulazione dell'effetto Sachs-Wolfe integrato. Un superammasso (a sinistra) si può considerare come una vasta regione dell'Universo contenente tante galassie (valle). Al contrario, un supervuoto (a destra) è una enorme regione dello spazio che contiene poche galassie (collina). Quando la luce attraversa un superammasso, essa si riscalda, guadagna energia come se stesse rotolando in una valle. Al contrario, la luce che emerge dal supervuoto diventa leggermente più fredda. Quando la luce lascia il superammasso, essa deve cedere l'energia che ha guadagnato. Ma l'energia scura deforma e appiattisce nel frattempo la valle, a causa dell'espansione dello spazio, e lascia alla luce parte del calore che ha acquisito mentre attraversava l'ammasso di galassie. E viceversa nel caso del supervuoto dove la luce emerge con meno energia e perciò ad una lunghezza d'onda più lunga che corrisponde ad una temperatura più bassa.
Credit: IfA/University of Hawaii

Attraversare questo supervuoto può richiedere milioni di anni, anche alla velocità della luce.

Mentre questo effetto misurabile, noto come Sachs-Wolfe integrato (ISW) potrebbe di fatto fornire la prima spiegazione ad una delle più grandi anomalie trovate nella CMB, l'esistenza del super-vuoto e del suo effetto sulla CMB non spiegano completamente la "macchia fredda" ma, tuttavia, è alquanto improbabile che il supervuoto e la Cold Spot siano solo una coincidenza nella stessa regione di cielo.

Il team spera di approfondire ulteriormente il lavoro utilizzando le nuove osservazioni del telescopio PS1 e della Dark Energy Survey (DES).

Riferimenti: - - -
http://www.ifa.hawaii.edu/info/press-releases/ColdSpot/
http://phys.org/news/2015-04-cold-cosmic-mystery-largest-universe.html
http://www.media.inaf.it/2015/04/20/il-mistero-della-macchia-fredda-nella-cmb/