Modello cosmologico Janus: differenze tra le versioni
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Il '''modello cosmologico [[Giano|Janus]]''' è una teoria cosmologica alternativa sviluppata inizialmente dal fisico francese [[Jean-Pierre Petit]] basandosi sulle idee pioneristiche di [[Andreï Sakharov]]<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Sakharov|nome=Andreï|titolo=Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe|rivista=ZhETF Pisma Redaktsiiu|volume=5|anno=1967|pagine=32}}</ref>. Il modello propone una struttura dell'universo costituita da due settori interagenti attraverso la gravitazione, uno contenente materia a massa positiva (il nostro universo osservabile) e l'altro contenente materia a massa negativa (non direttamente osservabile)<ref name="EPJC2024">{{cita pubblicazione|cognome=Petit|nome=Jean-Pierre|coautori=Margnat F, Zejli H|titolo=A bimetric cosmological model based on Andreï Sakharov's twin universe approach|rivista=European Physical Journal C|volume=84|numero=1226|anno=2024|doi=10.1140/epjc/s10052-024-13569-w}}</ref>.
Questa teoria è stata sviluppata come risposta a diverse anomalie osservative e problemi teorici non risolti nel modello cosmologico standard (ΛCDM), tra cui:
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L'asimmetria materia-antimateria nell'universo
* L'origine inspiegata dell'[[energia oscura]] e della [[materia oscura]]
* Il problema dell'[[orizzonte cosmologico]]
* La natura delle singolarità nei [[Buco nero|buchi neri]]
* La [[struttura a grande scala dell'universo]] a "bolle di sapone"<ref name="ReferenceA">{{cita pubblicazione|cognome=Hoffman|nome=Y.|coautori=Pomarède D, Tully RB, Courtois HM|titolo=The dipole repeller|rivista=Nature Astronomy|volume=1|numero=0036|anno=2017|doi=10.1038/s41550-016-0036}}</ref>
Il modello ha recentemente acquisito nuovo interesse a seguito delle osservazioni del [[Telescopio spaziale James Webb]], che hanno rivelato galassie primordiali troppo massive e strutturate per essere spiegate dal modello standard<ref name="ReferenceB">{{cita pubblicazione|cognome=Labbé|nome=I.|coautori=et al.|titolo=A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang|rivista=Nature|volume=616|anno=2023|pagine=266-269|doi=10.1038/s41586-023-05786-2}}</ref>.
== Principi teorici fondamentali ==
Il modello Janus si basa su una serie di principi teorici che derivano dalla fisica dei gruppi dinamici e dalla [[geometria simplettica]], sviluppati dal matematico francese [[Jean-Marie Souriau]]<ref>{{cita libro|cognome=Souriau|nome=Jean-Marie|titolo=Structure des systèmes dynamiques|editore=Dunod|anno=1970}}</ref>. Questi principi includono:
=== Interpretazione della simmetria T (inversione temporale) ===
Secondo i lavori di Souriau, l'inversione della coordinata temporale ([[Simmetria temporale|simmetria T]]) comporta un'inversione dell'energia. Nel gruppo di Poincaré, l'operatore di inversione temporale applicato al movimento di una particella trasforma la sua energia da E a -E, portando all'inversione della sua massa<ref name="EPJC2024" />. Questo fornisce un'interpretazione fisica dell'idea di Sakharov: il secondo universo nel suo modello sarebbe costituito da particelle dotate sia di energia negativa che di massa negativa.
=== Simmetria CPT e masse negative ===
Il modello estende il concetto di [[simmetria CPT]] (Carica, Parità, Tempo) introducendo la possibilità di masse negative come controparte CPT-simmetrica delle masse positive. Mentre la simmetria C (coniugazione di carica) trasforma materia in antimateria mantenendo la massa positiva, la simmetria PT combinata (inversione di parità e tempo) inverte il segno della massa<ref name="EPJC2024" />.
=== Interpretazione geometrica della carica elettrica ===
Basandosi sul modello di Kaluza-Klein, il modello Janus interpreta la carica elettrica come una componente geometrica derivante da una quinta dimensione compattificata. Secondo il teorema di [[Emmy Noether|Noether]], questa simmetria aggiuntiva è associata alla conservazione della [[carica elettrica]]<ref>{{cita pubblicazione|cognome=de Saxcé|nome=G.|titolo=Which symmetry group for elementary particles with an electric charge today and in the past?|rivista=arXiv|anno=2024|doi=10.48550/arXiv.2403.14846}}</ref>.
=== Gruppo dinamico di Janus ===
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== Struttura matematica ==
Il modello Janus si presenta come un'estensione della [[relatività generale]], descritta da una struttura bimetrica in cui lo spazio-tempo è dotato simultaneamente di due metriche distinte che interagiscono tra loro<ref name="EPJC2024" />.
=== Modello bimetrico ===
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<math>A = \int_E \left[\frac{1}{2\chi}R + S_+ + S_- \right] \sqrt{|g|} , d^4x + \int_E \left[\frac{\kappa}{2\bar{\chi}}\bar{R} + \bar{S}+ + \bar{S}- \right] \sqrt{|\bar{g}|} , d^4x</math>
Applicando il principio di minima azione con <math>\kappa = -1</math> si ottengono le due [[Equazione di campo di Einstein|equazioni di campo]] accoppiate:
<math>R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}g_{\mu\nu}R = \chi\left(T_{\mu\nu} + \sqrt{\frac{|\bar{g}|}{|g|}}\bar{T}_{\mu\nu}\right)</math>
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<math>\rho c^2 a^3 + \bar{\rho}\bar{c}^2\bar{a}^3 = E = \text{costante}</math>
Dove <math>\rho</math> e <math>\bar{\rho}</math> sono le densità di energia delle due popolazioni, <math>a</math> e <math>\bar{a}</math> sono i loro rispettivi fattori di scala. Questa relazione suggerisce che l'espansione accelerata dell'universo osservata è dovuta a un'energia totale <math>E</math> negativa<ref name="ReferenceC">{{cita pubblicazione|cognome=D'Agostini|nome=G.|coautori=Petit J-P|titolo=Constraints on Janus cosmological model from recent observations of supernovae type Ia|rivista=Astrophysics and Space Science|volume=363|numero=7|anno=2018|doi=10.1007/s10509-018-3365-3}}</ref>.
== Topologia del modello ==
La struttura [[Topologia|topologica]] del modello Janus rappresenta una caratteristica fondamentale che lo distingue dal modello cosmologico standard, proponendo una geometria dell'universo chiusa e priva di [[Singolarità gravitazionale|singolarità]]<ref name="EPJC2024" />.
=== Struttura a doppio rivestimento ===
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Il modello propone che l'universo abbia la topologia di una sfera quadridimensionale <math>S^4</math> che forma un doppio rivestimento dello spazio proiettivo <math>P^4</math>. In questa struttura:
* I punti antipodali, che rappresentano il Big Bang e il Big Crunch, coincidono
* Le due "facce" dell'universo sono PT-simmetriche
* La struttura permette naturalmente l'emergere delle simmetrie P e T<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Petit|nome=Jean-Pierre|titolo=The missing-mass problem|rivista=Nuovo Cimento B|volume=109|pagine=697-709|anno=1994|doi=10.1007/BF02722527}}</ref>
=== Eliminazione delle singolarità ===
Una caratteristica importante del modello è la sostituzione delle singolarità (Big Bang/Big Crunch) con una struttura tubolare:
* Le singolarità vengono eliminate attraverso una connessione liscia tra i due settori
* La struttura risultante è topologicamente equivalente al doppio rivestimento di una bottiglia di Klein
* Questa configurazione permette un passaggio regolare tra i due settori dell'universo<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Koiran|nome=P.|coautori=et al.|titolo=PT-symmetry in one-way wormholes|rivista=Annals of Physics|anno=2024|doi=10.1016/j.aop.2024.169765}}</ref>
=== Rappresentazione matematica ===
La configurazione topologica può essere descritta localmente attraverso il vicino di una linea meridiana, che si configura come il doppio rivestimento di un [[nastro di Möbius]] con tre mezzi giri. Questa struttura è analoga alla [[superficie di Boy]], che rappresenta l'immersione del piano proiettivo <math>P^2</math> in <math>\mathbb{R}^3</math><ref>{{cita pubblicazione|cognome=Boy|nome=W.|titolo=Über die Curvatura integra und die Topologie geschlossener Flächen|rivista=Mathematische Annalen|volume=57|pagine=151-184|anno=1903|doi=10.1007/BF01444342}}</ref>.
=== Conseguenze fisiche ===
Questa struttura topologica ha importanti implicazioni:
* Fornisce una base geometrica per l'inversione della massa▼
* Spiega naturalmente l'esistenza dei due settori dell'universo▼
* Elimina il problema delle singolarità iniziale e finale ▼
* Permette una transizione regolare tra masse positive e negative<ref name="EPJC2024" />▼
▲Fornisce una base geometrica per l'inversione della massa
▲Spiega naturalmente l'esistenza dei due settori dell'universo
▲Elimina il problema delle singolarità iniziale e finale
▲Permette una transizione regolare tra masse positive e negative<ref name="EPJC2024" />
== Previsioni e osservazioni ==
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=== Struttura a grande scala dell'universo ===
Una delle principali previsioni del modello Janus riguarda la distribuzione della materia [[Struttura a grande scala dell'universo|a grande scala]]:
* Formazione di una struttura lacunare con grandi vuoti cosmici
* Conglomerati di massa negativa al centro di questi vuoti
* Filamenti e "muri" di galassie alle interfacce tra questi vuoti
* Ammassi di galassie ai nodi di questa struttura<ref name="ReferenceD">{{cita pubblicazione|cognome=Petit|nome=Jean-Pierre|titolo=Twin universes cosmology|rivista=Astrophysics and Space Science|volume=226|pagine=273-307|anno=1995|doi=10.1007/BF00627375}}</ref>
Questa previsione è stata confermata dalla mappatura a grande scala dell'universo realizzata da Hoffman, Pomarède, Tully e Courtois nel 2017, che ha rivelato la presenza di grandi vuoti cosmici, come il "dipolo repulsore"<ref
=== Accelerazione dell'espansione cosmica ===
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Il modello Janus offre una spiegazione alternativa all'energia oscura per l'accelerazione dell'espansione dell'universo:
* L'accelerazione è causata dalla repulsione gravitazionale tra masse positive e negative
* L'energia totale dell'universo è negativa, come espresso dalla relazione di conservazione generalizzata
Questa interpretazione è stata confrontata con successo con le osservazioni delle supernovae di tipo Ia<ref name="ReferenceC"/>
=== Formazione precoce di stelle e galassie ===
Il modello prevede una formazione accelerata delle prime stelle e galassie:
* I conglomerati di massa negativa confinano la materia positiva in strutture a forma di lastra
* Questa compressione accelera il raffreddamento radiativo e l'instabilità gravitazionale
* Il processo permette la formazione di galassie completamente sviluppate nei primi centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang<ref name="EPJC2024" />
Questa previsione è stata confermata dalle recenti osservazioni del [[telescopio spaziale James Webb]], che ha rivelato galassie mature e strutturate a redshift molto elevati (z>7).<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Ferreira|nome=L.|coautori=et al.|titolo=Panic! at the disks: first rest-frame optical observations of galaxy structure at z>3 with JWST in the SMACS 0723 field|rivista=Astrophysical Journal Letters|volume=938|numero=L2|anno=2022|doi=10.3847/2041-8213/ac947c}}</ref>
=== Effetto di lente gravitazionale negativa ===
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Una previsione unica del modello Janus è l'effetto di "lente gravitazionale negativa":
* I conglomerati di massa negativa agiscono come lenti divergenti
* Questo effetto diminuisce la luminosità apparente delle galassie di background
* L'effetto dovrebbe essere particolarmente visibile intorno ai grandi vuoti cosmici, come il dipolo repulsore
* La distribuzione di questo effetto dovrebbe seguire un pattern "ad anello"<ref name="EPJC2024" />
Questa previsione potrebbe essere verificata attraverso osservazioni dedicate delle regioni circostanti i grandi vuoti cosmici identificati.
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Nel modello cosmologico standard, circa il 95% del contenuto dell'universo è costituito da componenti ipotetiche:
* 27% materia oscura (attrattiva, non barionica)
* 68% energia oscura (repulsiva, con equazione di stato <math>w = -1</math>)
* 5% materia barionica ordinaria
Il modello Janus propone invece:
* 95% massa negativa (invisibile perché emette fotoni di energia negativa)
* 5% materia ordinaria a massa positiva
Nessun bisogno di materia oscura o energia oscura<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Petit|nome=J.-P.|coautori=D'Agostini G|titolo=Negative mass hypothesis in cosmology and the nature of dark energy|rivista=Astrophysics and Space Science|volume=354|pagine=611-615|anno=2014|doi=10.1007/s10509-014-2106-5}}</ref>
=== Asimmetria materia-antimateria ===
'''Modello ΛCDM''':
'''Modello Janus''':
=== Singolarità e problemi risolti ===
Il modello Janus affronta diversi problemi irrisolti del modello standard:
* '''Problema dell'orizzonte''': Risolto naturalmente dalla struttura topologica dell'universo
* '''Singolarità dei buchi neri''': Eliminate attraverso il processo di inversione della massa
* '''Problema dei dipoli repulsori''': Spiegati come concentrazioni di massa negativa
* '''Formazione precoce di galassie''': Spiegata dal confinamento della materia positiva tra conglomerati di massa negativa<ref name="EPJC2024" />
== Critiche e risposte ==
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Nel 2022, il fisico teorico Thibault Damour ha pubblicato un'analisi critica del modello Janus, sollevando diverse obiezioni<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Damour|nome=Thibault|titolo=Incohérence Physique et Mathématique du modèle Janus-2019 de J. P. Petit et coll.|editore=IHES|anno=2022|url=https://www.ihes.fr/~damour/publications/JanusDecembre2022.pdf}}</ref>:
* Mancanza di covarianza generale a causa dell'introduzione di una "matrice diagonale costante"
* Incoerenze nelle equazioni di Tolman-Oppenheimer-Volkoff derivate dal modello
* Contraddizioni con il principio di azione-reazione
=== Risposte e modifiche al modello ===
In risposta a queste critiche, Petit e collaboratori hanno pubblicato diversi articoli, modificando alcuni aspetti del formalismo<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Petit|nome=Jean-Pierre|coautori=D'Agostini G, Debergh N|titolo=Physical and Mathematical Consistency of the Janus Cosmological Model (JCM)|rivista=Progress in Physics|volume=15|numero=1|anno=2019}}</ref>:
* Dimostrazione della consistenza matematica nel limite di campo debole (approssimazione newtoniana)
* Verifica della conservazione generalizzata dell'energia
* Soddisfacimento delle identità di Bianchi
I sostenitori del modello Janus sostengono che queste difficoltà tecniche non compromettono le previsioni osservazionali del modello, e che la storia della scienza mostra come teorie matematicamente imperfette possano comunque indicare verità fisiche fondamentali.
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=== Evoluzione storica del modello ===
'''1977-1995''':
'''1994-2000''': sviluppo del modello bimetrico e prime simulazioni numeriche<ref name="ReferenceD"/>
'''2014-2015''': Formalizzazione matematica completa del modello<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Petit|nome=Jean-Pierre|coautori=D'Agostini G|titolo=Cosmological Bimetric Model with Interacting Positive and Negative Masses and Two Different Speeds of Light, in Agreement with the Observed Acceleration of the Universe|rivista=Modern Physics Letters A|volume=29|numero=34|anno=2014|doi=10.1142/S0217732314500825}}</ref>▼
▲'''2014-2015''':
'''2024''': Pubblicazione della versione più completa e aggiornata nell'European Physical Journal C<ref name="EPJC2024" />▼
'''2018-2019''': confronto con dati osservativi e risposte alle critiche<ref name="ReferenceC"/>
▲'''2024''':
=== Confronto con le osservazioni del telescopio James Webb ===
Le recenti osservazioni del telescopio spaziale James Webb hanno fornito nuovi dati che sembrano supportare alcune previsioni del modello Janus:
* Identificazione di galassie completamente formate a redshift z>7 (meno di 700 milioni di anni dopo il Big Bang)
* Galassie con stelle già vecchie e strutture spirali barrate a redshift elevati
* Masse stellari tra 10
=== Prospettive future ===
Il modello Janus offre diverse possibilità di verifica attraverso future osservazioni:
* Mappatura dettagliata dell'effetto di lente gravitazionale negativa intorno ai grandi vuoti cosmici
* Analisi statistiche della distribuzione e luminosità delle galassie ad alto redshift
* Nuove misurazioni della costante di Hubble e confronto con le previsioni del modello
* Studi sulla struttura e l'età delle galassie primitive<ref name="EPJC2024" />
== Note ==
<references/>
== Voci correlate ==
* [[Modello standard della cosmologia]]▼
*[[Energia oscura]]▼
*[[Materia oscura]]▼
*[[Jean-Pierre Petit]]▼
*[[Andreï Sakharov]]▼
*[[Masse negative]]▼
*[[Asimmetria materia-antimateria]]▼
*[[Telescopio spaziale James Webb]]▼
{{Portale|astronomia|fisica}}
▲[[Modello standard della cosmologia]]
▲[[Energia oscura]]
▲[[Materia oscura]]
▲[[Jean-Pierre Petit]]
▲[[Andreï Sakharov]]
▲[[Masse negative]]
▲[[Asimmetria materia-antimateria]]
▲[[Telescopio spaziale James Webb]]
[[Categoria:Cosmologia]]
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