Secondo il Big Bang modello cosmologico, il nostro Universo ha avuto inizio 13,8 miliardi di anni fa, quando tutta la materia e l'energia del cosmo hanno iniziato ad espandersi. Si ritiene che questo periodo di 'inflazione cosmica' sia ciò che spiega la struttura su larga scala dell'Universo e il motivo per cui lo spazio e la Sfondo cosmico a microonde (CMB) sembrano essere ampiamente uniformi in tutte le direzioni.
Tuttavia, ad oggi, non è stata scoperta alcuna prova che possa definitivamente dimostrare lo scenario dell'inflazione cosmica o escludere teorie alternative. Ma grazie ad a nuovo studio da un team di astronomi dell'Università di Harvard e dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), gli scienziati potrebbero avere un nuovo mezzo per testare una delle parti chiave del modello cosmologico del Big Bang.
Il loro articolo, intitolato ' Impronte digitali uniche di alternative all'inflazione nello spettro di potenza primordiale “, recentemente apparso online ed è in corso di valutazione per la pubblicazione nelLettere di revisione fisica. Lo studio è stato condotto da Xingang Chen e Abraham Loeb, rispettivamente docente presso l'Università di Harvard e Frank D. Baird Chair of Astronomy presso l'Università di Harvard, e Zhong-Zhi Xianyu, borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Harvard.
Per ricapitolare, in cosmologia fisica, la teoria dell'inflazione cosmica afferma che a 10-36pochi secondi dopo il Big Bang, la singolarità in cui tutta la materia e l'energia erano concentrate iniziò ad espandersi. Si ritiene che questa 'Epoca inflazionistica' sia durata fino al 10-33a 10-32secondi dopo il Big Bang; dopodiché, l'Universo iniziò ad espandersi più lentamente. Secondo questa teoria, l'espansione iniziale dell'Universo fu più veloce della velocità della luce.
La teoria che un'epoca del genere sia esistita è utile per i cosmologi perché aiuta a spiegare perché l'Universo ha quasi le stesse condizioni in regioni molto distanti l'una dall'altra. Fondamentalmente, se il cosmo ha avuto origine da un minuscolo volume di spazio che è stato gonfiato per diventare più grande di quanto possiamo osservare attualmente, spiegherebbe perché la struttura su larga scala dell'Universo è quasi uniforme e omogenea.
Tuttavia, questa non è affatto l'unica spiegazione di come sia nato l'Universo e la capacità di falsificare nessuno di essi è stata storicamente carente. Come ha detto il professor Abraham Loeb a Universe Today via e-mail:
“Sebbene molte proprietà osservate delle strutture all'interno del nostro universo siano coerenti con lo scenario di inflazione, ci sono così tanti modelli di inflazione che è difficile falsificarlo. L'inflazione ha anche portato alla nozione di multiverso in cui tutto ciò che può accadere accadrà un numero infinito di volte, e tale teoria è impossibile da falsificare attraverso gli esperimenti, che è il marchio di fabbrica della fisica tradizionale. Ormai esistono scenari in competizione che non comportano inflazione, in cui l'universo prima si contrae e poi rimbalza invece di partire da un Big Bang. Questi scenari potrebbero corrispondere agli attuali osservabili dell'inflazione'.
Per il bene del loro studio, Loeb e i suoi colleghi hanno sviluppato un modo indipendente dal modello per distinguere l'inflazione da scenari alternativi. Essenzialmente, propongono che i campi massicci nell'universo primordiale sperimenterebbero fluttuazioni quantistiche e perturbazioni di densità che registrerebbero direttamente la scala dell'Universo primordiale in funzione del tempo, cioè agirebbero come una sorta di 'orologio standard dell'Universo'.
Misurando i segnali che prevedono proverrebbero da questi campi, ipotizzano che i cosmologi sarebbero in grado di dire se eventuali variazioni di densità sono state seminate durante una fase di contrazione o espansione dell'Universo primordiale. Ciò consentirebbe loro di escludere efficacemente alternative all'inflazione cosmica (come la grande rimbalzo scenario). Come ha spiegato Loeb:
“Nella maggior parte degli scenari è naturale avere un campo enorme nell'universo primordiale. Le perturbazioni nel campo massivo su una particolare scala spaziale oscillano nel tempo come una palla che sale e scende in un potenziale pozzo, dove la massa determina la frequenza delle oscillazioni. Ma l'evoluzione delle perturbazioni dipende anche dalla scala spaziale in esame e dal fattore di scala di fondo (che aumenta esponenzialmente durante i modelli generici di inflazione ma diminuisce nei modelli in contrazione).”
Queste perturbazioni, ha detto Loeb, sarebbero la fonte di qualsiasi variazione di densità osservata dagli astronomi nell'Universo oggi. Il modo in cui queste variazioni sono state modellate può essere determinato osservando l'universo di fondo, in particolare se si stava espandendo o contraendo, cosa che gli astronomi possono distinguere.
'Nella mia metafora, il fattore di scala dell'universo sta influenzando la velocità con cui un nastro viene tirato mentre l'orologio lascia segni di graduazione su di esso', ha aggiunto Loeb. 'Il nuovo segnale che prevediamo è impresso su come il livello di non uniformità nell'universo cambia con la scala spaziale'.
Questa illustrazione mostra l'evoluzione dell'Universo, dal Big Bang a sinistra, ai tempi moderni a destra. Immagine: NASA
In breve, Loeb e i suoi colleghi hanno identificato un potenziale segnale che potrebbe essere misurato utilizzando gli strumenti attuali. Questi includono quelli che studiano il Cosmic Microwave Background (CMB) – come quelli dell'ESA Planckosservatorio spaziale – e quelli che hanno condotto sondaggi galattici – il Sloan Digital Sky Survey , il Telescopio per rilievi VLT , il Libellula telescopio, ecc.
In studi precedenti, è stato suggerito che le variazioni di densità nell'Universo primordiale potrebbero essere rilevate cercando prove di non-gaussinità, che sono correzioni per la stima della funzione gaussiana per la misurazione di una quantità fisica - in questo caso, la CMB. Ma come ha detto Loeb, questi devono ancora essere rilevati:
“Il nuovo segnale oscillatorio si trova nello spettro di potenza delle perturbazioni di densità primordiale (che viene misurato abitualmente dal fondo cosmico a microonde [CMB] o da indagini di galassie), mentre i precedenti suggerimenti in letteratura riguardavano effetti relativi alle non-gaussianeità, che sono molto più difficili da misurare (e non sono stati ancora rilevati). I risultati presentati nel nostro articolo sono molto tempestivi poiché vengono raccolti set di dati estesi da nuove osservazioni delle anisotropie CMB e indagini galattiche.
Capire come è iniziato il nostro Universo è forse la domanda più fondamentale nella scienza e nella cosmologia. Se applicando questo metodo, si possono escludere spiegazioni alternative su come è iniziato l'Universo, ci avvicinerà di un passo alla determinazione delle origini del tempo, dello spazio e della vita stessa. Le domande “da dove veniamo?” e 'come è iniziato tutto?' potrebbe finalmente avere una risposta definitiva!
Ulteriori letture: arXiv