Modello cosmologico Janus: differenze tra le versioni
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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>{{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>{{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>.
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== 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 temporale|simmetria T]] (inversione temporale) ===
Secondo i lavori di Souriau, l'inversione della coordinata 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>.
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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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Lo spazio-tempo è considerato una varietà quadridimensionale dotata di due metriche: <math>g_{\mu\nu}</math> per descrivere il moto della materia a massa positiva e <math>\bar{g}_{\mu\nu}</math> per descrivere il moto della materia a massa negativa. Entrambe le metriche condividono le stesse coordinate <math>(x^0, x^1, x^2, x^3)</math> ma generano diverse geodetiche che determinano il moto delle due popolazioni di materia<ref>{{cita pubblicazione|cognome=Petit|nome=Jean-Pierre|coautori=D'Agostini G|titolo=Lagrangian derivation of the two coupled field equations in the Janus cosmological model|rivista=Astrophysics and Space Science|volume=357|numero=3|anno=2015|doi=10.1007/s10509-015-2250-6}}</ref>.
=== [[Equazione di campo di Einstein|Equazioni di campo]] accoppiate ===
L'azione del modello è formulata come:
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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>{{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 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▼
▲Fornisce una base geometrica per l'inversione della massa
* Elimina il problema delle singolarità iniziale e finale Permette una transizione regolare tra masse positive e negative<ref name="EPJC2024" />▼
▲Spiega naturalmente l'esistenza dei due settori dell'universo
▲Permette una transizione regolare tra masse positive e negative<ref name="EPJC2024" />
== Previsioni e osservazioni ==
Il modello cosmologico Janus fornisce spiegazioni e previsioni per diversi fenomeni astronomici e cosmologici, alcune delle quali sono state confermate da recenti osservazioni<ref name="EPJC2024" />.
=== [[Struttura a grande scala dell'universo]] ===
Una delle principali previsioni del modello Janus riguarda la distribuzione della materia 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>{{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>{{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>.
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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>{{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>
=== Formazione precoce di stelle e galassie ===
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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 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>.
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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''': Non offre una spiegazione soddisfacente per l'assenza di antimateria primordiale nell'universo.
'''Modello Janus''': Riprendendo l'idea di [[Andrej Dmitrievič Sacharov|Sakharov]], propone che l'antimateria con massa negativa esista nell'altro settore dell'universo, ripristinando una simmetria globale.<ref name="EPJC2024" />
=== 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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