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Vuoto (astronomia)

grandi spazi vuoti tra i filamenti di galassie contenenti nessuna o pochissime galassie

Per vuoto si intende una struttura a grande scala dell'Universo sostanzialmente costituita da un enorme spazio, non privo di materia, di densità estremamente bassa in confronto a quanto si osserva nell'Universo (meno di 1/10 della densità media). All'interno di un vuoto sono rilevabili poche ed isolate galassie o nubi di gas. La scoperta dei vuoti nel 1978 si deve agli studi di Stephen Gregory e Laird A. Thompson dell'osservatorio di Kitt Peak[1].

Distribuzione della materia in una sezione cubica dell'Universo. I filamenti blu rappresentano la materia (principalmente la materia oscura) e le regioni di spazio vuoto rappresentano i vuoti cosmici.

I vuoti sono delimitati dai filamenti, grandi strutture nelle quali confluiscono gerarchicamente gruppi, ammassi e superammassi di galassie, tenuti insieme dalla materia oscura. I vuoti hanno dimensioni che variano da 11 a 150 Mpc, ed i vuoti particolarmente grandi, caratterizzati dall'assenza di ricchi superammassi, sono definiti supervuoti. Inoltre vuoti situati in aree dell'Universo ad alta densità risultano più piccoli di quelli collocati in aree a bassa densità[2].

Si ritiene che i vuoti si siano formati a partire da oscillazioni acustiche barioniche a seguito del Big Bang, collassi di massa per implosioni della materia barionica compressa. A partire da iniziali piccole anisotropie, dovute alle fluttuazioni quantistiche nell'Universo primordiale, queste anisotropie sono cresciute enormemente nel corso del tempo. Le regioni a più alta densità sono collassate più rapidamente sotto l'azione della gravità dando luogo, a grande scala, ad una struttura simile a schiuma o paragonabile a una ragnatela cosmica di vuoti e filamenti di galassie che osserviamo oggi.

I vuoti sembrano mostrare una correlazione con la temperatura della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), a causa dell'effetto Sachs-Wolfe. In conseguenza del redshift gravitazionale, le regioni più fredde appaiono in correlazione con i vuoti, mentre le regioni più calde sono correlate con i filamenti. Dato che l'effetto Sachs-Wolfe ha senso solo se l'Universo è dominato da radiazioni o energia oscura, l'esistenza dei vuoti può rappresentare significative prove fisiche dell'esistenza dell'energia oscura[3].

Storia modifica

 
Struttura a grande scala dell'Universo, dove si nota la presenza dei "supervuoti"

Lo studio dei vuoti cosmici iniziò verso la metà degli anni '70, di pari passo con l'aumento degli studi sul redshift, che nel 1978 portò separatamente due gruppi di astrofisici a descrivere la presenza di superammassi e vuoti nella distribuzione delle galassie in una grande regione dello spazio, e gli ammassi Abell[4][5]. Di conseguenza lo studio dello spostamento verso il rosso ha provocato una vera e propria rivoluzione in campo astronomico, permettendo l'aggiunta della terza dimensione nell'approntamento delle mappe dell'Universo, attraverso il calcolo del redshift di ogni singola galassia[6].

Cronologia degli studi sui vuoti modifica

  • 1961 – Sono descritte strutture a grande scala, gli ammassi di secondo ordine, uno specifico tipo di superammasso[7].
  • 1978 – Sono pubblicati i primi lavori sui vuoti nell'ambito degli studi sugli ammassi della Chioma/A1367[4][8]
  • 1981 – nella regione del Boote è scoperto un grande vuoto del diametro di quasi 50 h−1 Mpc, successivamente ricalcolato in circa 34 h−1 Mpc[9][10].
  • 1983 – le simulazioni al computer divengono abbastanza sofisticate nel fornire risultati affidabili sulle modalità di crescita ed evoluzione delle strutture e della distribuzione delle galassie a grande scala[11][12].
  • 1985 – Raccolta di informazioni dettagliate sul superammasso ed il vuoto della regione di Perseo-Pesci[13].
  • 1989 – Il Center for Astrophysics Redshift Survey rivela che i grandi vuoti, con i sottili filamenti e i muri che li circondano, dominano la struttura a grande scala dell'Universo[14].
  • 1991 – Il Las Campanas Redshift Survey conferma l'abbondanza dei vuoti nella struttura a grande scala dell'Universo[15].
  • 1995 – I confronti delle osservazioni di galassie, selezionate otticamente, indicano che gli stessi vuoti sono identificati indipendentemente dal campione selezionato[16].
  • 2001 – Completato il two-degree Field Galaxy Redshift Survey che aggiunge un grande numero di vuoti al database di vuoti già noti[17].
  • 2009 – I dati dell'ultimo Sloan Digital Sky Survey (SDSS) combinati con le precedenti osservazioni dell'Universo a grande scala, forniscono una visione più completa e dettagliata della struttura dei vuoti cosmici[18][19].

Descrizione modifica

Struttura a grande scala modifica

Considerando la struttura dell'Universo a grande scala, è possibile individuare i componenti della rete cosmica, che comprendono:

  • I Vuoti – vaste regioni a bassa densità di materia, solitamente di dimensioni superiori a 10 megaparsec di diametro.
  • I Muri o Muraglie – regioni che contengono la tipica quantità media di materia del cosmo, e che a loro volta comprendono:

Come si è accennato, i vuoti hanno una densità media di meno di 1/10 di quella dell'Universo. Supposto questo valore, non esiste tuttavia un accordo sulla definizione delle loro caratteristiche. Ciò vale anche per la densità cosmica media, generalmente descritta come il rapporto tra numero di galassie per unità di volume sulla massa totale di materia per unità di volume[21].

Metodi per la ricerca dei vuoti modifica

Esistono vari metodi per la ricerca dei vuoti[22] che fanno comunque capo a tre metologie principali:

  • VoidFinder Algorithm - metodo basato sulla valutazione della densità locale delle galassie[23][24];
  • ZOBOV (Zone Bordering On Voidness) Algorithm - attraverso la valutazione geometrica delle strutture nella distribuzione della materia oscura, in relazione alle galassie[21][25][26];
  • DIVA (DynamIcal Void Analysis) Algorithm - l'identificazione dinamica delle strutture utilizzando punti gravitazionalmente instabili nella distribuzione della materia oscura[22][27].

Importanza dei vuoti modifica

 
Una regione cubica di 43x43x43 megaparsec che mostra l'evoluzione della struttura a grande scala lungo un periodo logaritmico a partire da un redshift di 30 fino ad un redshift di 0. Il modello mostra chiaramente come le regioni dense di materia si contraggano sotto l'azione complessiva delle forze gravitazionali mentre, contemporaneamente all'espansione dei vuoti cosmici, la materia si addensi nei muri e nei filamenti.

L'interesse dello studio dei vuoti spazia in vari campi della cosmologia: dall'acquisizione di conoscenze per far luce sulla natura dell'energia oscura alla formulazione di modelli sull'evoluzione dell'Universo. Alcuni esempi:

  • Equazione di stato dell'energia oscura - I vuoti possono essere paragonati a bolle dell'Universo e sono sensibili ai mutamenti cosmologici di fondo. L'evoluzione della forma di un vuoto è in gran parte il risultato dell'espansione dell'Universo, e il loro studio permetterebbe di perfezionare il modello Quintessenza + Cold Dark Matter (QCDM) e dotare di maggior accuratezza l'equazione di stato dell'energia oscura[28].
  • Modelli di formazione ed evoluzione galattica - I vuoti cosmici contengono un mix di galassie e materia che risulta leggermente diverso da quello di altre regioni dell'Universo. Lo studio dei vuoti potrebbe contribuire alla comprensione dei meccanismi di formazione delle galassie previsti dai modelli Gaussiani adiabatici della materia oscura fredda[29][30].
  • Anomalie anisotropiche - Punti freddi nella distribuzione della radiazione cosmica di fondo a microonde, come ad esempio la macchia fredda nella radiazione cosmica di fondo (CMB cold spot), potrebbero essere spiegati per la presenza di un vasto vuoto cosmico con un raggio di circa 120 megaparsec[31].
  • Espansione accelerata dell'Universo - Posto che l'energia oscura è attualmente considerata la causa più importante in grado di spiegare l'espansione accelerata dell'Universo, è stata elaborata una teoria che prevede la possibilità che la Via Lattea sia parte di un grande vuoto cosmico anche se non con una così scarsa densità[32].
 
Proiezione della radiazione cosmica di fondo (CMB) nell'Universo.

Lista di vuoti modifica

Alcuni dei vuoti conosciuti (per una lista più ampia vedi Lista dei vuoti)

# Nome Distanza (Mpc) Diametro (Mpc)
1 Vuoto Locale 188 124
5 Vuoto del Cane Maggiore 82 130
9 Supervuoto Locale Meridionale 135 158
18 Vuoto della Colomba 168 144
19 Supervuoto di Eridano 168 152
20 Vuoto del Bootes 304 110
21 Vuoto Gigante 201 163
24 Supervuoto Locale Settentrionale 86 146

Mappa modifica

 
L'Universo osservabile entro 500 milioni di anni luce.

Note modifica

  1. ^ Freedman R.A., Kaufmann W.J. III, Stars and galaxies: Universe, New York City, W.H. Freeman & Company., 2008.
  2. ^ U. Lindner, J. Einasto e M. Einasto, The structure of supervoids. I. Void hierarchy in the Northern Local Supervoid., in Astronomy and Astrophysics, vol. 301, 1º settembre 1995, p. 329. URL consultato il 20 novembre 2015.
  3. ^ (EN) Benjamin R. Granett, Mark C. Neyrinck e István Szapudi, An Imprint of Superstructures on the Microwave Background due to the Integrated Sachs-Wolfe Effect, in The Astrophysical Journal, vol. 683, n. 2, 20 agosto 2008, pp. L99-L102, DOI:10.1086/591670. URL consultato il 20 novembre 2015.
  4. ^ a b (EN) S. A. Gregory e L. A. Thompson, The Coma/A1367 supercluster and its environs, in The Astrophysical Journal, vol. 222, 1º giugno 1978, DOI:10.1086/156198. URL consultato il 20 novembre 2015.
  5. ^ Jõeveer M., Einasto J., The Large Scale Structure of the Universe. - M.S. Longair, J. Einasto, eds, Dordrecht: Reidel., 1978, p. 241.
  6. ^ Rex A.F., Bennett J.O., Donahue M., Schneider N., Voit M., The Cosmic Perspective, Pearson College Division., 1998, p. 602, ISBN 978-0-201-47399-5.
  7. ^ George O. Abell, Evidence regarding second-order clustering of galaxies and interactions between clusters of galaxies, in The Astronomical Journal, vol. 66, 1º dicembre 1961, p. 607, DOI:10.1086/108472. URL consultato il 20 novembre 2015.
  8. ^ Joeveer, Einasto and Tago, Dordrecht, N/A, 1978.
  9. ^ (EN) R. P. Kirshner, A. e Jr. Oemler, A million cubic megaparsec void in Bootes, in The Astrophysical Journal, vol. 248, 1º settembre 1981, DOI:10.1086/183623. URL consultato il 20 novembre 2015.
  10. ^ (EN) Robert P. Kirshner, Augustus e Jr. Oemler, A survey of the Bootes void, in The Astrophysical Journal, vol. 314, 1º marzo 1987, DOI:10.1086/165080. URL consultato il 20 novembre 2015.
  11. ^ A. L. Melott, Clustering velocities in the adiabatic picture of galaxy formation, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 205, 1º novembre 1983, pp. 637-641. URL consultato il 20 novembre 2015.
  12. ^ (EN) C. S. Frenk, S. D. M. White e M. Davis, Nonlinear evolution of large-scale structure in the universe, in The Astrophysical Journal, vol. 271, 1º agosto 1983, DOI:10.1086/161209. URL consultato il 20 novembre 2015.
  13. ^ R. Giovanelli e M. P. Haynes, A 21 CM survey of the Pisces-Perseus supercluster. I - The declination zone +27.5 to +33.5 degrees, in The Astronomical Journal, vol. 90, 1º dicembre 1985, pp. 2445-2473, DOI:10.1086/113949. URL consultato il 20 novembre 2015.
  14. ^ (EN) Margaret J. Geller e John P. Huchra, Mapping the Universe, in Science, vol. 246, n. 4932, 17 novembre 1989, pp. 897-903, DOI:10.1126/science.246.4932.897. URL consultato il 20 novembre 2015.
  15. ^ Kirshner, Physical Cosmology, 1991, p. 2, 595.
  16. ^ (EN) Karl B. Fisher, John P. Huchra e Michael A. Strauss, The IRAS 1.2 Jy Survey: Redshift Data, in The Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 100, 1º settembre 1995, DOI:10.1086/192208. URL consultato il 20 novembre 2015.
  17. ^ (EN) Matthew Colless, Gavin Dalton e Steve Maddox, The 2dF Galaxy Redshift Survey: spectra and redshifts, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 328, n. 4, 1º dicembre 2001, pp. 1039-1063, DOI:10.1046/j.1365-8711.2001.04902.x. URL consultato il 20 novembre 2015.
  18. ^ K. Abazajian e for the Sloan Digital Sky Survey, The Seventh Data Release of the Sloan Digital Sky Survey, in The Astrophysical Journal Supplement Series, vol. 182, n. 2, 1º giugno 2009, pp. 543-558, DOI:10.1088/0067-0049/182/2/543. URL consultato il 20 novembre 2015.
  19. ^ Laird A. Thompson e Stephen A. Gregory, An Historical View: The Discovery of Voids in the Galaxy Distribution, in arXiv:1109.1268 [astro-ph, physics:physics], 6 settembre 2011. URL consultato il 20 novembre 2015.
  20. ^ (EN) Danny C. Pan, Michael S. Vogeley e Fiona Hoyle, Cosmic voids in Sloan Digital Sky Survey Data Release 7, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 421, n. 2, 1º aprile 2012, pp. 926-934, DOI:10.1111/j.1365-2966.2011.20197.x. URL consultato il 20 novembre 2015.
  21. ^ a b Mark C. Neyrinck, ZOBOV: a parameter-free void-finding algorithm, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 386, n. 4, pp. 2101-2109, DOI:10.1111/j.1365-2966.2008.13180.x. URL consultato il 20 novembre 2015.
  22. ^ a b Guilhem Lavaux e Benjamin D. Wandelt, Precision cosmology with voids: definition, methods, dynamics, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 403, n. 3, 11 aprile 2010, pp. 1392-1408, DOI:10.1111/j.1365-2966.2010.16197.x. URL consultato il 20 novembre 2015.
  23. ^ (EN) Fiona Hoyle e Michael S. Vogeley, Voids in the Point Source Catalogue Survey and the Updated Zwicky Catalog, in The Astrophysical Journal, vol. 566, n. 2, 20 febbraio 2002, pp. 641-651, DOI:10.1086/338340. URL consultato il 20 novembre 2015.
  24. ^ (EN) Hagai El‐Ad e Tsvi Piran, Voids in the Large‐Scale Structure, in The Astrophysical Journal, vol. 491, n. 2, 20 dicembre 1997, pp. 421-435, DOI:10.1086/304973. URL consultato il 20 novembre 2015.
  25. ^ Joerg M. Colberg, Ravi K. Sheth e Antonaldo Diaferio, Voids in a $\Lambda$CDM Universe, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 360, n. 1, pp. 216-226, DOI:10.1111/j.1365-2966.2005.09064.x. URL consultato il 20 novembre 2015.
  26. ^ P. M. Sutter, Guilhem Lavaux e Benjamin D. Wandelt, A response to arXiv:1310.2791: A self-consistent public catalogue of voids and superclusters in the SDSS Data Release 7 galaxy surveys, in arXiv:1310.5067 [astro-ph], 18 ottobre 2013. URL consultato il 20 novembre 2015.
  27. ^ Oliver Hahn, Cristiano Porciani e C. Marcella Carollo, Properties of Dark Matter Haloes in Clusters, Filaments, Sheets and Voids, in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 375, n. 2, 21 febbraio 2007, pp. 489-499, DOI:10.1111/j.1365-2966.2006.11318.x. URL consultato il 20 novembre 2015.
  28. ^ (EN) Jounghun Lee e Daeseong Park, CONSTRAINING THE DARK ENERGY EQUATION OF STATE WITH COSMIC VOIDS, in The Astrophysical Journal, vol. 696, n. 1, 1º maggio 2009, pp. L10-L12, DOI:10.1088/0004-637x/696/1/l10. URL consultato il 20 novembre 2015.
  29. ^ (EN) P. J. E. Peebles, The Void Phenomenon, in The Astrophysical Journal, vol. 557, n. 2, 20 agosto 2001, pp. 495-504, DOI:10.1086/322254. URL consultato il 20 novembre 2015.
  30. ^ (EN) Anca Constantin, Fiona Hoyle e Michael S. Vogeley, Active Galactic Nuclei in Void Regions, in The Astrophysical Journal, vol. 673, n. 2, 1º febbraio 2008, pp. 715-729, DOI:10.1086/524310. URL consultato il 20 novembre 2015.
  31. ^ (EN) Lawrence Rudnick, Shea Brown e Liliya R. Williams, Extragalactic Radio Sources and the WMAP Cold Spot, in The Astrophysical Journal, vol. 671, n. 1, 10 dicembre 2007, pp. 40-44, DOI:10.1086/522222. URL consultato il 20 novembre 2015.
  32. ^ (EN) Stephon Alexander, Tirthabir Biswas e Alessio Notari, Local void vs dark energy: confrontation with WMAP and type Ia supernovae, in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, vol. 2009, n. 09, 1º settembre 2009, pp. 025-025, DOI:10.1088/1475-7516/2009/09/025. URL consultato il 20 novembre 2015.

Bibliografia modifica

  • U. Lindner, J. Einasto, M. Einasto, W. Freudling, K. Fricke, E. Tago: The structure of supervoids. I. Void hierarchy in the Northern Local Supervoid, Astron. Astrophys., v.301, p. 329 (1995)
  • M. Einasto, J. Einasto, E. Tago, G. B. Dalton, H Andernach: The structure of the Universe traced by rich clusters of galaxies, Mon. Not. R. Astron. Soc. 269, 301 (1994)

Voci correlate modifica

Collegamenti esterni modifica

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