Nuovo modello dell’Universo basato sull’inflazione cosmica

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Il più grande spettacolo dopo il Big Bang, inflazione oscura e storia termica del cosmo. La materia oscura e l’energia oscura potrebbero aver guidato l’inflazione cosmica. Questa è l’ipotesi alla base di un nuovo modello, proposto dai fisici dell’Università di Varsavia, in grado di delineare una cronologia precisa degli eventi principali accaduti nei primi istanti della storia del nostro universo. Modello secondo il quale dovrebbe essere possibile rilevare le onde gravitazionali che si sono formate solo una frazione di secondo dopo la creazione dello spazio-tempo

Cosa sappiamo dell’evoluzione dell’universo immediatamente dopo il big bang? Nonostante le innumerevoli ricerche condotte nel corso di decenni, gli attuali modelli cosmologici non sono ancora in grado di delineare una cronologia precisa degli eventi. Un team di ricercatori della facoltà di fisica dell’Università di Varsavia ha sviluppato un nuovo modello nel quale l’espansione esponenziale della materia oscura e dell’energia oscura gioca un ruolo chiave. Il modello di inflazione oscura (dark inflation) riesce a organizzare la storia termica dell’universo in ordine cronologico e prevede che presto saremo in grado di rilevare le onde gravitazionali primordiali formatesi immediatamente dopo il Big Bang.

La prima struttura dell’universo che possiamo studiare oggi è la radiazione cosmica di fondo a microonde (Cmb). Questa reliquia elettromagnetica risale a circa 380mila anni dopo il big bang ed è sorprendentemente omogenea, anche in regioni così distanti tra loro che la luce non avrebbe potuto coprire la distanza che le separa nel tempo che ha avuto a disposizione per farlo. Nel 1979, Alan Guth propose la teoria dell’inflazione come una semplice spiegazione di questa uniformità: le attuali grandi distanze tra regioni omogenee sono ora così grandi perché in un certo periodo, nel passato, ci fu un’espansione estremamente rapida dello spazio-tempo che ha ingrandito l’universo di un miliardo di miliardi di miliardi di volte in una frazione di secondo. Si dice che l’inflazione sia stata guidata da un ipotetico campo scalare e da particelle note come inflatoni.

Confronto tra il modello di inflazione attuale e il modello di inflazione oscura recentemente proposto dagli scienziati dalla facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia. Crediti: UW Physics.
Confronto tra il modello di inflazione attuale e il modello di inflazione oscura recentemente proposto dagli scienziati dalla facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia. Crediti: UW Physics.

«Il problema fondamentale dell’inflazione è che non sappiamo esattamente quando sia avvenuta e quali livelli di energia abbia coinvolto. La gamma di energie a cui potrebbe essere avvenuta l’inflazione è piuttosto ampia, estendendosi oltre 70 ordini di grandezza», spiega Zygmunt Lalak dell’Università di Varsavia. «L’inflazione è descritta come un periodo di espansione super-raffreddata. Tuttavia, affinché i modelli cosmologici siano coerenti, a seguito dell’inflazione l’universo dovrebbe aver subito un riscaldamento a una temperatura molto elevata, e non abbiamo idea di come o quando ciò potrebbe essersi verificato. Proprio come per l’inflazione, abbiamo a che fare con energie che potrebbero coprire 70 ordini di grandezza. Pertanto, la storia termica dell’universo deve ancora essere descritta».

Le misure del Cmb effettuate dal satellite Planck hanno permesso di stimare la composizione dell’universo attuale. Dalle misure di Planck risulta che l’energia oscura comprende fino al 69 per cento di tutta l’energia/materia esistente, la materia oscura il 26 per cento e la materia ordinaria solo il 5 per cento. La materia oscura e la materia ordinaria non interagiscono affatto, o le loro interazioni sono così deboli che stiamo appena iniziando a notare l’impatto gravitazionale della materia oscura sul movimento delle stelle nelle galassie e delle galassie negli ammassi. L’energia oscura dovrebbe essere un fattore responsabile dell’espansione accelerata dell’universo.

«Il nostro modello di inflazione è significativamente diverso da quelli proposti in passato. Siamo partiti dal presupposto che se attualmente la materia oscura e l’energia oscura costituiscono fino al 95 per cento della struttura dell’universo, entrambe queste componenti devono essere state estremamente importanti anche nella fase immediatamente successiva al big bang. Ecco perché descriviamo il settore oscuro (dark sector) dell’universo come responsabile del processo di inflazione», spiega Michal Artymowski dell’Università di Varsavia, primo autore dell’articolo pubblicato su Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Nel modello proposto dai fisici teorici di Varsavia, l’inflazione è guidata da un campo scalare le cui proprietà indicano che l’inflazione non è permanente e deve avere termine: a un certo punto il tasso di espansione dell’universo, invece di accelerare, inizia a rallentare. In corrispondenza a questo passaggio, si formano nuove particelle relativistiche che si comportano nello stesso modo della radiazione. Alcune di queste particelle sono descritte dal Modello standard, mentre altre possono corrispondere a particelle previste da teorie alternative al Modello standard, come la Supersimmetria.

«Nei nostri modelli, le nuove particelle sono il risultato della gravitazione, che è una forza molto debole. Il processo di formazione delle particelle è inefficiente e alla fine dell’inflazione gli inflatoni continuano a dominare l’universo», spiega Olga Czerwinska, dottoranda presso l’Università di Varsavia.

Per ricreare l’abbondanza osservata della radiazione nell’Universo, gli inflatoni dovrebbero perdere rapidamente energia. I ricercatori propongono due meccanismi fisici che potrebbero essere responsabili del processo. Rivelano che il nuovo modello è in grado di prevedere il susseguirsi degli eventi della storia termica dell’Universo con una precisione molto maggiore rispetto a prima.

Particolarmente interessanti sono le previsioni del modello relative alle onde gravitazionali primordiali. Le onde gravitazionali sono vibrazioni dello spazio-tempo e sono già state rilevate più volte. Tutte le volte in cui sono state rilevate, la loro fonte era la fusione di una coppia di buchi neri o di stelle di neutroni. Gli attuali modelli cosmologici prevedono che le onde gravitazionali debbano apparire anche come risultato dell’inflazione. Tuttavia, tutte le prove suggerivano che le vibrazioni dello spazio-tempo causate dall’inflazione sarebbero ormai così deboli che nessun rilevatore esistente o futuro sarebbe stato in grado di rivelarle. Quando i fisici dell’Università di Varsavia hanno preso in considerazione gli effetti del settore oscuro dell’Universo, hanno dovuto rivedere queste previsioni.

«Le onde gravitazionali perdono energia come la radiazione, tuttavia gli inflatoni devono perderla in modo significativamente più veloce: se l’inflazione coinvolge il settore oscuro», aggiunge Artymowski, «l’immissione di onde gravitazionali aumenta proporzionalmente, il che significa che le tracce delle onde gravitazionali primordiali non dovrebbero essere così deboli come inizialmente pensavamo!».

Le stime fatte dal fisico di Varsavia sono ottimistiche. I dati suggeriscono che le onde gravitazionali primordiali potrebbero essere rilevate dagli osservatori attualmente in fase di progettazione o in costruzione, come il Deci-Hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (Decigo), il Laser Interferometer Space Antenna (Lisa), lo European Pulsar Timing Array (Epta) e lo Square Kilometer Array (Ska). I primi eventi potrebbero essere rilevati nel prossimo decennio. Per i cosmologi questa sarebbe una scoperta senza precedenti, aprendo la strada alla ricerca di eventi gravitazionali avvenuti immediatamente dopo il big bang, un periodo finora impossibile da studiare.

Il modello dell’inflazione oscura ha un altro aspetto affascinante: è altamente dipendente dalla teoria gravitazionale. Confrontando le previsioni del modello con i dati raccolti dagli osservatori gravitazionali, i cosmologi dovrebbero essere in grado di fornire nuove verifiche della teoria della relatività generale di Einstein. Cosa succede se si trovano discrepanze? Significherebbe che i dati osservativi forniscono le prime informazioni sulle proprietà della gravità reale.

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