Big Bang e inflazione cosmica: “reheating”, l’innesco dell’esplosione | Astrofisica

Chi non sarebbe curioso di sapere come si è originato tutto, dai pianeti, alle stelle, passando per le nostre fugaci esistenze? Di certo tantissimi grandi fisici come Stephen Hawking hanno lavorato per trovare una risposta a questo quesito che tutt’ora rimane in parte irrisolto. La più famosa teoria è sicuramente quella del Big Bang, la colossale esplosione che provocò l’espansione dell’universo da un singolo punto infinitamente denso e infinitamente caldo. Tuttavia oggi alcune teorie basate sull’inflazione cosmica mirano ad andare più in là del Big Bang: che cosa ha provocato l’esplosione?

Big Bang e inflazione: che differenza c’è?

Tutti conoscono bene o male il Big Bang: per molti anni si è creduto che l’universo fosse originariamente concentrato in spazio minuscolo, forse una singolarità gravitazionale simile a quella che dovrebbe trovarsi all’interno dei buchi neri; tutto d’un tratto circa 13 miliardi di anni fa successe qualcosa che fece esplodere – termine che indica semplicemente una rapidissima espansione di materia ed energia nello spazio vuoto – la singolarità dando origine all’universo. Ad avvalorare questa ipotesi ci sono alcune evidenze scientifiche come la radiazione cosmica di fondo che pervade tutto l’universo e la continua espansione dell’universo – anche se in questo caso bisogna andare più cauti dato il ruolo dell’energia oscura.

Con il termine inflazione cosmica di norma veniva indicata la fase iniziale del Big Bang, caratterizzata da un’espansione rapidissima (si stima un incremento del raggio dell’universo di 10³⁰ volte in circa 10^-30 secondi). Delle teorie più recenti hanno però separato il momento inflazione dal Big Bang stesso, connettendola invece agli istanti precedenti all’esplosione: l’estrema velocità di espansione è infatti correlata con alcune ipotesi sull’origine stessa del Big Bang. Prima dell’inflazione cosmica si ipotizza esistesse un sorta di poltiglia completamente omogenea in perfetto equilibrio che a causa di alcune fluttuazioni quantistiche diede origine al Big Bang. I dettagli sono molto complessi e non esiste ancora un modello universalmente accettato dell’inflazione cosmica, tuttavia un team di scienziati sembra essere riuscito a simulare di recente la fase di transizione tra la rapida espansione e Big Bang.

Le teorie più recenti separano la parte dell’inflazione cosmica dalla fase del Big Bang

Il “reheating”: tra Big Bang ed inflazione cosmica

Come già spiegato prima che il Big Bang desse inizio all’espansione dell’universo, i fisici ritengono che ci fosse in gioco un’altra fase più esplosiva dell’universo primordiale: l’inflazione cosmica, descritta nel precedente paragrafo. Potremmo definirla anche come l’innesco dei processi del Big Bang che invece è indica una fase di espansione meno violenta, durante la quale comincia la diversificazione dell’universo. Anche a un neofita possono sembra simili, i due processi sono notevolmente diversi dal punto di vista fisico e riuscire a relazionarli con un modello matematico plausibile sarebbe ovviamente una grande conquista. 

Oggi i fisici dell’MIT, Kenyon College e altri hanno simulato nel dettaglio la fase di transizione tra l’inflazione cosmica e il Big Bang. Questa fase, nota come “reheating” (letteralmente “preriscaldamento”), è cominciata al termine dell’inflazione e comprende processi che hanno trasformato la materia “fredda” e uniforme da cui si era originata l’inflazione nella poltiglia complessa ad elevatissima temperatura da avrebbe avuto origine il Big Bang. David Kaiser, professore di Storia della Scienza di Germeshausen e professore di fisica al MIT, afferma:

Il periodo di post-riscaldamento postinflazione stabilisce le condizioni per il Big Bang e, in un certo senso, accende “la miccia” al Big Bang . È questo periodo di transizione in cui si scatena l’inferno e la materia si comporta in modo tutt’altro che banale.

Animazione delle fluttuazioni quantisitche

Kaiser insieme al suo team ha simulato nel dettaglio come diverse forme di materia avrebbero interagito durante questo periodo caotico e misterioso alla fine dell’inflazione. Il gruppo ha scoperto che questa estrema trasformazione potrebbe sarebbe stata ancora più veloce ed efficiente se gli effetti quantistici avessero modificato il modo in cui la materia rispondeva alla gravità a energie molto elevate, allontanandosi dalla visione proposta nella relatività generale di Einstein, e così sono partiti gli esperimenti. Kaiser spiega:

Questo ci consente di raccontare una storia ininterrotta, dall’inflazione al periodo postinflazione, al Big Bang e oltre. Possiamo tracciare una serie continua di processi, tutti con spiegabili con la fisica nota, in modo da poter affermare che questo è un modo plausibile per spiegare come l’universo sia arrivato ad apparire come lo vediamo oggi.

Le prime fasi di reheating dovrebbero essere contrassegnate da risonanze. L’universo primordiale è formato di materia ad alta energia che si agita avanti e indietro in sincronia con sé stessa attraverso ampie distese di spazio, portando a una produzione esplosiva di nuove particelle. Tale comportamento non durerà per sempre, e, una volta iniziato, trasferendo energia a una seconda forma di materia, le sue oscillazioni diventeranno più increspate e irregolari nello spazio. Volevamo misurare quanto tempo ci sarebbe voluto affinché quell’effetto risonante si spezzasse e che le particelle prodotte si disperdessero e arrivassero a una sorta di equilibrio termico, che ricorda le condizioni del Big Bang.

Le simulazioni del “reheating”

Con delle simulazioni al computer i ricercatori hanno quindi rappresentato un grande reticolo su cui hanno mappato le diverse forme di materia e misurato come la loro energia e la loro distribuzione cambiavano nello spazio e nel tempo in diverse condizioni controllate. Le condizioni iniziali della simulazione erano basate su un particolare modello inflazionistico –  un insieme di ipotesi su come la distribuzione della materia nell’universo primordiale potrebbe essersi comportata durante l’inflazione cosmica. Gli scienziati hanno scelto quel particolare modello perché attualmente è quello che sembra combaciare meglio con le misurazioni fatte sulla radiazione cosmica di fondo, emessa circa 380.000 anni dopo il Big Bang e contenente alcune interessanti tracce del periodo inflazionistico.

Le simulazioni hanno mappato il comportamento della materia classificandola in due tipi di particelle dominanti durante l’inflazione; queste particelle sono risultate molto simili al Bosone di Higgs recentemente scoperto a Ginevra. Prima di eseguire le loro simulazioni, il team ha aggiunto un leggero “aggiustamento” alla descrizione della gravità del modello. Mentre la materia ordinaria che vediamo oggi risponde alla gravità proprio come predisse Einstein nella sua teoria della relatività generale, la materia a energie molto più elevate, come ciò che si pensa esistesse durante l’inflazione cosmica, dovrebbe comportarsi in modo leggermente diverso, interagendo con la gravità in modi che sono definiti dalla meccanica quantistica e dalle interazioni su scala atomica – non ancora perfettamente concordi con la relatività generale.

La rilevazione del Bosone di Higgs al CERN di Ginevra

La gravità ai tempi dell’origine dell’universo

Nella teoria della relatività generale di Einstein, la forza di gravità è rappresentata come una costante, con ciò che i fisici chiamano accoppiamento minimo, nel senso che, indipendentemente dall’energia di una particolare particella, risponderà agli effetti gravitazionali con una forza impostata da una costante universale. Tuttavia, alle energie molto elevate che sono previste nell’inflazione cosmica, la materia interagisce con la gravità in un modo leggermente più complicato. Gli effetti della meccanica quantistica prevedono che la forza di gravità possa variare nello spazio e nel tempo quando interagisce con la materia ad altissima energia, un fenomeno noto come accoppiamento non minimo.

Kaiser e i suoi colleghi hanno integrato un termine di accoppiamento non minimo al loro modello inflazionistico e hanno osservato come la distribuzione di materia ed energia è cambiata mentre hanno aumentato o diminuito questo effetto quantico. Alla fine hanno scoperto che più forte era l’effetto gravitazionale modificato dagli effetti quantistici, tanto più veloce l’universo passava dalla materia fredda e omogenea dell’inflazione a forme molto più diversificate e più calde tipiche del Big Bang. Aggiustando il valore degli effetti quantistici i ricercatori hanno potuto creare un modello dove la fase di reheating avveniva in 2-3 e-folds – ovvero il tempo impiegato dall’universo per triplicare le sue dimensioni -, come indicherebbero le stime reali. Kaiser conclude:

Il “reheating” è stato un periodo “folle”, quando tutto è andato in tilt. Mostriamo che la materia stava interagendo così fortemente in quel momento che avrebbe potuto anche rilassarsi altrettanto rapidamente, preparando magnificamente il palco per il Big Bang. Non sapevamo che fosse così, ma è quello che sta emergendo da queste simulazioni, tutte basate sulla fisica nota. Questo è ciò che è eccitante per noi.

Lo spaziotempo nella relatività generale è modellato come un tessuto quadrimensionale continuo, ma questo va in contrasto con la meccanica quantistica

In definitiva questo lavoro rappresenta una tappa fondamentale che collega la fase di inflazione cosmica – quella che ha portato l’equilibrio omogeneo iniziale in una condizione di instabilità – alla fase del Big Bang. Il “reaheating” è stato fondamentale nella creazione delle particelle fondamentale e dell’universo così come lo conosciamo. E la cosa più entusiasmante è che questo modello nasce totalmente dalla fisica nota, dimostrando quanto siano avanzate e potenti le conoscenze a nostra disposizione e contemporaneamente mostrando che c’è ancora molto da scoprire su di esse. Dalla sezione scienze è tutto! Continuate a seguirci per tante altre news!