LA COSTANTE DI STRUTTURA FINE 13 MILIARDI DI ANNI FA

E se l’universo avesse un nord e un sud?

Un team di scienziati ha pubblicato nuove misure della costante di struttura fine, a partire da osservazioni della luce emessa da un quasar a 13 miliardi di anni luce, dalle quali non emerge alcuna variazione temporale. Tuttavia, quando combinate ad altre misure esistenti effettuate in altre direzioni, emergono differenze spaziali significative. Tutti i dettagli su Science Advances

     29/04/2020
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La costante di struttura fine, o costante di Sommerfeld, è la costante di accoppiamento dell’interazione elettromagnetica, che ne esprime l’intensità relativamente alla carica elementare. Il suo valore è pari a 1/137

Quelli che non vedono l’ora che arrivi il giorno in cui sulle T-shirt venga stampata a chiare lettere (o numeri) la Teoria della grande unificazione forse dovranno aspettare ancora un pochino, perché sembra che gli astrofisici stiano continuando a trovare indizi del fatto che una delle costanti cosmologiche per eccellenza non sia poi così costante.

In un articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista Science Advances, un team di scienziati guidati dalla University of New South Wales (Unsw) di Sydney – tra cui Paolo Molaro di Inaf Osservatorio Astronomico di Trieste – hanno riportato i risultati di quattro nuove misure della luce emessa da un quasar a 13 miliardi di anni luce. Tali risultati non confermano una variazione temporale della costante di struttura fine ma sono in linea con studi passati che avevano rilevato piccolissime variazioni spaziali della costante stessa.

Ma che cos’è questa costante di struttura fine?

Per cercare di capirlo andiamo un poco indietro nel tempo, a quelli che sono stati trent’anni che sconvolsero la fisica (c’è anche un bellissimo libro, che si chiama proprio così, di George Gamow). Stiamo parlando degli anni tra il 1900 e il 1930, quelli che hanno fatto la storia della teoria dei quanti. Nel 1916, il modello di Bohr dell’atomo di idrogeno, che spiegava bene il comportamento spettroscopico dell’idrogeno, venne ampliato da Arnold Sommerfeld, prendendo in considerazione orbite ellittiche degli elettroni attorno ai nuclei atomici. Le orbite ellittiche, quantizzate, erano caratterizzate da due numeri quantici: il numero quantico radiale e il numero quantico azimutale, e tutte le orbite per le quali la  somma di questi due numeri era la medesima – ossia quelle con lo stesso numero quantico principale – avevano la stessa energia, anche se erano di forma diversa. Tuttavia, come Keplero ci insegna, nel moto ellittico la velocità varia nei diversi punti della traiettoria, e le energie di orbite diverse, corrispondenti allo stesso numero quantico principale, sono leggermente diverse. Di conseguenza, una singola riga spettrale (emessa quando l’elettrone salta tra due orbite diverse, da una più esterna a una più interna), in realtà si divide in diverse componenti e, servendosi di uno spettroscopio con un elevato potere disperdente, è possibile vedere questa “struttura fine” delle righe spettrali. La differenza di frequenza tra le varie componenti della riga spettrale dipende dalla cosiddetta costante di struttura fine, che a sua volta dipende dalla velocità della luce. Paradossalmente, se quest’ultima fosse infinita, non si vedrebbero differenze nella struttura di una riga spettrale.

Monumento commemorativo di Sommerfeld, presso l’Università di Monaco

Torniamo a Sidney, ai giorni nostri. Il professor John Webb della Unsw chiarisce che la costante di struttura fine è la quantità che i fisici usano come misura della forza elettromagnetica – una delle quattro forze fondamentali in natura (le altre sono la gravità, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte), che interviene nella formazione delle “impronte digitali” (lo spettro) di ciascun elemento, per il motivo spiegato sopra. «È un numero adimensionale e la sua definizione coinvolge la velocità della luce, la costante di Planck e la carica dell’elettrone. È il numero che i fisici usano per misurare l’intensità della forza elettromagnetica».

Il grande maestro Richard Feynman sosteneva che ogni fisico dovrebbe avere scritto il numerino di questa costante sulla lavagna: 1 su 137. Non sappiamo da dove venga, non abbiamo una teoria che lo possa spiegare, ma da questo numero dipende la realtà, così come la conosciamo. È una costante e, come tale, il suo valore dovrebbe essere lo stesso, nel tempo e nello spazio.

La forza elettromagnetica tiene insieme gli atomi, in particolare gli elettroni che sfrecciano attorno al nucleo di ogni atomo presente nell’universo. Senza di essa, tutta la materia verrebbe dispersa. Fino a poco tempo fa si riteneva che fosse una forza immutabile nel tempo e nello spazio. Ma negli ultimi due decenni il professor Webb ha notato anomalie nella costante di struttura fine che sembrano sussurrarci che la “forza” di questa forza elettromagnetica (la costante di struttura fine) non è veramente la stessa lungo tutte le direzioni nell’universo. «Abbiamo trovato un indizio che il numero che rappresenta la costante di struttura fine è diverso in alcune regioni dell’universo. Non solo in funzione del tempo, ma anche della direzione. Se è così, è davvero strano… però questo è quello che abbiamo trovato».

Con sano scetticismo, quando Webb ha trovato per la prima volta questa strana evidenza, ha pensato potesse esserci un difetto della misura (quelli che vengono chiamati errori sistematici, strumentali o astrofisici), dei suoi calcoli oppure di qualche altro errore che aveva portato a letture insolite. Scoprì queste anomalie mentre stava guardando gli oggetti più lontani dell’universo, usando i telescopi più potenti del mondo. «I quasar più distanti che conosciamo si trovano da circa 12 a 13 miliardi di anni luce da noi», dice Webb. «Quindi, se siamo in grado di studiare in dettaglio la luce proveniente da questi quasar, stiamo studiando le proprietà dell’universo così com’era nella sua infanzia, quando aveva solo un miliardo di anni. L’universo a quell’epoca era molto, molto diverso. Non esistevano ancora le galassie, si erano formate le prime stelle ma di certo non c’era la popolazione stellare che vediamo oggi. E non c’erano pianeti».

Nello studio, il team di ricercatori ha esaminato uno di questi quasar, che ha permesso loro di studiare l’universo quando aveva solo un miliardo di anni, cosa che non era mai stata fatta prima. Il team ha effettuato quattro misure della costante di struttura fine lungo la linea di vista del quasar. Individualmente, le quattro misure non hanno fornito alcuna risposta conclusiva sull’esistenza o meno di cambiamenti percettibili nella costante di struttura fine. Tuttavia, quando hanno combinato le loro misure con molte altre misure di quasar distanti, fatte da altri scienziati e indipendenti da quelle del loro studio, le differenze nella costante della struttura fine sono diventate evidenti.

Questa immagine variopinta mostra il dato spettrale ottenuto durante la “prima luce” dello strumento Espresso (Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations o Spettrografo echelle per osservazioni di esopianeti rocciosi e spettroscopia ad alta precisione, uno strumento realizzato con un contribuito significativo degli osservatori dell’Inaf di Brera e Trieste) installato sul Vlt (Very Large Telescope) dell’Eso in Cile. La luce di una stella è stata dispersa nei suoi colori componenti. L’immagine presentata è stata colorata per indicare visivamente come cambiano le lunghezze d’onda nell’immagine, ma questi non sarebbero gli esatti colori che si potrebbero vedere con i nostri occhi. Guardando attentamente si notano molte righe spettrali scure negli spettri della stella, così come la serie di doppi punti luminosi dovuti a una sorgente luminosa di calibrazione. Le bande scure nel mezzo invece sono il risultato di come sono ottenuti i dati e non sono reali. Crediti: Inaf

«Sembrerebbe che ci sia una sorta di direzionalità nell’universo, il che è davvero molto strano», osserva Webb. «Parrebbe che l’universo potrebbe non essere isotropo nelle leggi della fisica, ossia lo stesso, statisticamente, in tutte le direzioni. Sembrerebbe che, in effetti, potrebbe esserci una direzione nell’universo in cui le leggi della fisica cambiano, cosa che non succede nella direzione perpendicolare. In altre parole, è come se l’universo avesse una struttura dipolare. In una direzione particolare, possiamo guardare indietro di 12 miliardi di anni e misurare la costante di struttura fine quando l’universo era molto giovane. Mettendo insieme tutti i dati, questa sembra aumentare gradualmente allontanandosi in una certa direzione, mentre in direzione opposta diminuisce gradualmente. Lungo le altre direzioni invece, la costante di struttura fine rimane quella, ossia è costante».

In altre parole, in quella che si pensava essere una distribuzione isotropa di galassie, quasar, buchi neri, stelle, nubi di gas e pianeti, sembra che esista l’equivalente di un nord e un sud. Webb non esclude che questi risultati risentano di errori sistematici di un qualche tipo, visto che le misure sono state fatte utilizzando tecnologie diverse, da diverse posizioni della Terra, e che quello che hanno trovato sia solo il frutto di una grande coincidenza.

Potrebbe essere solo una strana coincidenza, certo, ma c’è da dire che un team negli Stati Uniti – sconosciuto al professor Webb – che lavora in modo completamente indipendente, ha fatto osservazioni a raggi X che sembrano confermare che l’universo abbia una sorta di direzionalità. «Non sapevo nulla di questo articolo fino a quando non è stato pubblicato», dice Webb. «Non stanno testando le leggi della fisica, stanno testando le proprietà X delle galassie, degli ammassi di galassie e le distanze cosmologiche dalla Terra. Anche loro hanno scoperto che le proprietà dell’universo non sono isotrope e c’è una direzione preferita. E guarda un po’, la loro direzione coincide con la nostra».

Pur cercando prove più rigorose dell’ipotesi secondo cui l’elettromagnetismo può cambiare in alcune aree dell’universo attribuendogli una sorta di direzionalità, Webb ritiene che se questi risultati fossero confermati potrebbero aiutare a spiegare perché il nostro universo è quello che è, e perché in esso ci sia vita. «Per molto tempo, si è pensato che le leggi della natura fossero perfettamente sintonizzate per definire condizioni tali da far sì che la vita prosperasse. La costante di struttura fine è una di quelle quantità. Se fosse solo pochi percento diversa dal valore che misuriamo sulla Terra, l’evoluzione chimica dell’universo sarebbe completamente diversa e la vita potrebbe non essere mai progredita. Questa scoperta solleva una domanda stuzzicante: la situazione nella quale le quantità fisiche fondamentali, come la costante di struttura fine, sono quelle “giuste” per favorire la nostra esistenza, si può applicare a tutto l’universo?».

Se esistesse realmente una direzionalità nell’universo, sostiene il professor Webb, e se l’elettromagnetismo si dimostrasse diverso in alcune regioni del cosmo, le basi di gran parte della fisica moderna dovrebbero essere riviste. «Il nostro modello cosmologico standard si basa su un universo isotropo, ossia che è lo stesso, statisticamente, in tutte le direzioni», afferma Webb. «Quello stesso modello standard è costruito sulla teoria della gravitazione di Einstein, che a sua volta assume esplicitamente la costanza delle leggi della natura. Se tali principi fondamentali si rivelassero solo buone approssimazioni, in fisica si aprirebbero le porte per alcune nuove idee molto eccitanti».

Il team del professor Webb ritiene che questo sia il primo passo verso uno studio molto più ampio che si propone di esplorare molte direzioni nell’universo, utilizzando i dati provenienti da nuovi strumenti montati sui più grandi telescopi del mondo. Nuove tecnologie stanno emergendo per fornire dati di qualità superiore e nuovi metodi di analisi, basati sull’intelligenza artificiale, aiuteranno ad automatizzare le misure e a eseguirle più rapidamente e con maggiore precisione.

È più cauto Paolo Molaro, coautore dell’articolo, che ha commentato i risultati per Media Inaf: «Con questa misura verso uno dei primi quasar che si sono formati, circa 700 milioni di anni dopo il Big Bang, si è praticamente esplorato tutto il volume dell’universo disponibile all’osservazione diretta della costante di struttura fine. Un grande balzo rispetto alle misure precedenti che arrivavano fino a circa due miliardi di anni dal Big Bang. Più indietro nel tempo per testare la variazione della costante di struttura fine ci sono solo il fondo cosmico a microonde e la nucleosintesi primordiale, ma non sono misure dirette e in un certo senso sono più complicate. Il risultato ottenuto è consistente con una non variazione temporale della costante. La precisione è ancora scarsa se paragonata ai limiti ottenuti verso quasar più vicini, ma rimane unica nella fase dove viene osservata, e indica la strada per gli spettrografi come Hires, in costruzione per Elt. Associata all’insieme delle altre misure esistenti ottenute verso i quasar in più di 20 anni di osservazioni, la misura è consistente con una variazione spaziale della costante di struttura fine che è stata proposta da alcuni autori del lavoro, ma che rimane ancora tutta da dimostrare».

Insomma, staremo a vedere se quel numerino scritto sulla lavagna dovrà veramente essere cambiato.

Per saperne di più:

  • Leggi su Science Advances l’articolo “Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago” di Michael R. Wilczynska, John K. Webb, Matthew Bainbridge, John D. Barrow, Sarah E. I. Bosman, Robert F. Carswell, Mariusz P. Dąbrowski, Vincent Dumont, Chung-Chi Lee, Ana Catarina Leite, Katarzyna Leszczyńska, Jochen Liske, Konrad Marosek, Carlos J. A. P. Martins, Dinko Milaković, Paolo Molaro e Luca Pasquini

Sulla costante di struttura fine, guarda questa videoscheda Paolo Molaro: