Il percorso “Strutture cosmiche” parla della distribuzione spaziale della materia nel nostro Universo, che appare disomogenea. Per spiegare come le strutture presenti nell’universo si evolvono, dobbiamo introdurre il concetto di materia oscura e quello ancora piu` misterioso di energia oscura. Attraverso lo studio della struttura su grande scala dell’Universo si ottengono preziose informazioni sia per la Cosmologia che per la Fisica Fondamentale ed è possible verificare la validità della teoria della Relatività Generale. Questo tema e` di grande interesse nella comunita` Astrofisica e sara` oggetto della missione spaziale chiamata “Euclid”.
di Branchini
Contrariamente a quanto asserisce il Principio Cosmologico su cui si basa il Modello Cosmologico Standard, il nostro Universo non è esattamente omogeneo ed isotropo. La distribuzione spaziale della materia visibile è infatti organizzata in strutture sia relativamente dense e compatte (galassie, ammassi di galassie) che diffuse ed estese (filamenti, vuoti cosmici). La Figura 1 fornisce un’impressione visuale di tali strutture. Essa mostra la distribuzione spaziale della materia ottenuta da una simulazione numerica di una regione tipica del nostro Universo il cui volume è pari a circa il 5% dell’Universo osservabile. La distribuzione spaziale della materia appare piuttosto disomogenea su scale di qualche decina di Megaparsec (1Mpc ~ 3.26 milioni di anni luce) .
Quale è l’origine di questa struttura? Come si è evoluta nel tempo? Quali informazioni contiene? Per rispondere a queste domande è opportuno contestualizzarle nella loro prospettiva storica.
L’idea che l’Universo potesse contenere delle strutture così estese ed organizzate è in effetti piuttosto recente. Ancora nel 1920 Harlow Shapley riteneva che l’Universo coincidesse con la nostra Galassia. Fu solo qualche anno dopo, nel 1923, che Edwin Hubble 
dimostrò che gli oggetti noti come nebulose erano in realtà strutture in tutto simili alla Via Lattea ma esterne ad essa. Ed è solo nel 1929 che lo stesso Hubble fu in grado di dimostrare che l’Universo si espande attraverso l’osservazione che le galassie si allontanano da noi con una velocità proporzionale alla loro distanza (ciò che noi chiamiamo “moto di recessione”). La legge di Hubble dice che le galassie si allontanano le une dalle altre con velocità proporzionale alla loro distanza relativa. Essa è preziosa anche perchè permette di determinare la distribuzione spaziale delle galassie. Infatti è sufficiente misurare la posizione angolare in cielo dell’oggetto, tipicamente una galassia, e la sua velocità di recessione attraverso la misura del redshift, ovvero dallo spostamento verso il rosso della radiazione emessa dall’oggetto stesso. Negli anni ’30 la tecnologia limitava la possibilità di misurare lo spettro delle galassie a pochi oggetti vicini alla nostra Galassia. Fu solo a partire degli anni ’70, grazie a telescopi e rivelatori di nuova concezione che fu possible misurare il redshift di un numero significativo di galassie a distanze sempre più grandi. La prima grande redshift survey di circa 1000 galassie fu condotta dallo Smithsonian Astrophysical Observatory . Contrariamente alle attese essa mostrò che la distribuzione spaziale delle galassie è fortemente disomogenea. Da allora, sono state condotte molte surveys per un numero sempre maggiore di galassie. Tutte hanno confermato la presenza di quella che oggi chiamiamo la struttura a grande scala, ovvero di un network di strutture cosmiche interconnesse tra loro e distribuite in modo spazialmente coerente.
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Figura 1: Distribuzione spaziale della materia nell’Universo nella simulazione N-corpi “Millennium”. Le regioni piu’ chiare corrispondono a zone di alta densità, come ammassi e gruppi di galassie. Quelle più scure le regioni di bassa densità come i vuoti cosmici. Si noti la struttura a grande scala caratterizzata da un network di filamenti interconnessi. Nella figura è mostrata anche la scala fisica. |
Figura 2 : Distribuzione spaziale delle galassie nella Sloan Digital Sky Survey. Nella figura è mostrata una frazione del circa milione di galassie effettivamente osservate. Nel diagramma l’osservatore è posto al centro. La coordinata radiale è proporzionale al redshift dell’oggetto. La coordinata circolare rappresenta una delle due coordinate celesti (Ascensione Retta) di ogni galassia. Le regioni in arancione corrispondono a zone con alta densità di galassie. |
Per convincersene si confronti la Figura 1 con la Figura 2 che, contrariamente alla prima, mostra la distribuzione spaziale di galassie vere, e non simulate. Si tratta di una frazione dell’oltre milione di galassie nel catalogo SDSS
. Nella figura l’osservatore è posto al vertice del cono.