Inflazione Cosmologica e Onde Gravitazionali

Polarizzazione radiazione di fondo cosmico

Modi E e B della polarizzazione della radiazione di fondo cosmico come misurati da BICEP2 (fonte: Risultati BICEP2)

Recente è la notizia della scoperta di tracce di onde gravitazionali nella radiazione di fondo cosmico (CMB) che confermerebbero le teorie dell’inflazione cosmologica ricavate dall’analisi del segnale osservato con il radiotelescopio del programma BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). Essendo l’argomento complicato e siccome questo spazio non si rivolge solo ad un pubblico di fisici, andiamo con ordine, tentando di chiarire quanto più possibile la questione. Rimandiamo, comunque, ad eventuali discussioni sul forum dubbi e ragionamenti.

L’Inflazione Cosmologica.

Inflazione Cosmologica

Illustrazione semplificata delle diverse fasi dell’universo. (fonte: Wikipedia)

Iniziamo con il capire cos’è l’inflazione cosmologica. È un evento avvenuto nei primissimi istanti successivi al Big Bang in cui si è avuta un’espansione esponenziale dello spazio di un fattore di circa un miliardo di miliardi di miliardi:
1000000000000000000000000000

Più o meno come se un oggetto delle dimensioni di un nucleo atomico diventasse tanto grande da occupare l’orbita della Terra attorno al Sole in un tempo di circa 10^{-32}s, cioè la decima parte di un millesimo di milliardesimo di milliardesimo di milliardesimo di secondo:
0,00000000000000000000000000000001s

L’inflazione cosmologica è un argomento di ricerca molto recente ed attivo nel quale non sono pochi i punti ancora oscuri. Ad esempio, le cause non sono ancora note. In effetti esistono diverse teorie che producono effetti simili ma che possono basarsi su meccanismi anche abbastanza diversi. Queste teorie, in ogni caso, furono introdotte negli anni ’80 del secolo scorso per risolvere alcuni problemi presenti nella cosmologia standard. Ad esempio, uno di questi problemi riguarda l’omogeneità della radiazione di fondo cosmico (della quale trovate già una discussione aperta qui). In sintesi, se osserviamo due punti di questa radiazione in posizioni diametralmente opposte rispetto a noi e che è possibile dimostrare che, secondo la cosmologia standard pre-inflazionaria, non possono aver scambiato informazioni tra di loro, troveremo che la loro temperatura è simile entro un fattore di circa centomila. La domanda, quindi, è: com’è possibile che queste due regioni dell’universo primordiale, che non possono essere entrate in contatto in precedenza, abbiano la stessa temperatura?

Altra domanda riguarda la curvatura dell’universo. Dalle misure effettuate finora, si ricava che l’universo a grande scala sia quasi piatto. In termini cosmologici, dire che l’universo è piatto significa che con il passare del tempo l’espansione dell’universo tenderà a rallentare, annullandosi, senza però invertire la direzione diventato, quindi, un collasso. Ma le teorie cosmologiche standard ci spiegano che, a meno che l’universo primordiale non fosse incredibilmente piatto, per la qual cosa dovremmo imporre delle condizioni incredibilmente stringenti sulle condizioni dell’universo appena nato, l’universo dovrebbe tendere o verso una geometria aperta o verso una chiusa, ossia o espandersi indefinitamente, con un’espansione che non si annullerà mai, oppure dovrebbe collassare su se stesso.

Esistono anche altre circostanze per cui i conti della cosmologia standard non tornano, ma che non citerò perché ritengo necessitino spiegazioni troppo tecniche per un pubblico non informato di alcuni aspetti della fisica moderna. Per chi avesse comunque curiosità a riguardo, lascio qui il link alla pagina wikipedia relativa all’inflazione cosmologica.

Dall’inflazione, però, ci si aspetta anche alcune caratteristiche necessarie perché l’universo attuale sia come lo vediamo ora. Ad esempio, una richiesta è la fase di reheating, ossia una fase di riscaldamento dell’universo successiva all’inflazione, con produzione di particelle. Il motivo è molto semplice: vista l’espansione drammatica avvenuta durante l’inflazione, la materia presente prima dell’inflazione cosmologica sarebbe stata drasticamente diluita, perciò si ha bisogno di un meccanismo che permetta di ripopolare l’universo. Ma dall’inflazione cosmologica ci si aspetta anche un altro aspetto: la produzione di onde gravitazionali.

Cosa Sono le Onde Gravitazionali?

Le onde gravitazionali, come ho già scritto in questo topic, sono onde di metrica dello spazio-tempo causate dal movimento, con determinate caratteristiche, di masse. Infatti la massa di un oggetto curva lo spazio-tempo, e così come una bacchetta che batte la membrana di un tamburo dà origine a delle onde che generano il suono che arriva alle nostre orecchie, in maniera simile masse in movimento generano delle onde nel tessuto dello spazio-tempo.

Finora non è stato ancora possibile osservarle direttamente, nonostante siano molti gli strumenti a caccia di questi segnali (un esempio italiano è Virgo), che la teoria della relatività ci descrive come segnali molto deboli, anche se si sono già ottenute osservazioni indirette di queste onde. Una di queste, che ha fatto ottenere il premio Nobel a Russel Hulse e Joseph Taylor nel 1993, riguarda l’osservazione di un sistema binario formato da due stelle di neutroni che orbitano attorno al comune centro di massa.
Immagine

Due oggetti massicci che ruotano attorno al centro di massa possono generare onde gravitazionali la cui energia è a discapito dell’energia cinetica dei due oggetti, che quindi perdono velocità e tendono a spiraleggiare verso il centro di massa. Questa perdita di energia è stata infatti misurata e risulta in linea con le previsioni teoriche legate alla generazione di onde gravitazionali.

Studi di cosmologia sulla radiazione di fondo cosmico, hanno trovato che, qualora onde gravitazionali fossero state generate nell’universo primordiale, ad esempio a causa dell’inflazione cosmologica, queste avrebbero dovuto lasciare proprie tracce nella polarizzazione della radiazione della CMB. In particolare si cercavano particolari disegni della polarizzazione della radiazione, disegni riconducibili agli effetti delle onde gravitazionali.

Qual è, quindi, l’importanza di questa scoperta?

La scoporta ha valore rispetto più aspetti. Per prima cosa risulta essere una conferma dell’esistenza delle onde gravitazionali, perché ciò che si legge dalla polarizzazione della radiazione di fondo cosmico è un effetto di questi oggetti previsti e descritti dalla Relatività Generale ma non ancora osservati direttamente.

Altra importanza sta nel fatto di aver potuto osservare un fenomeno, ossia la presenza di onde gravitazionali nell’universo primordiale, tanto primordiale che abbiano potuto avere un effetto sulla CMB, previsto dalle teorie dell’inflazione cosmologica.

Infine, assunta un’epoca nel giovanissimo universo in cui ci sia stata questa espansione portentosa, queste tracce delle onde gravitazionali possono darci informazioni sulle loro intensità e quindi di quali modelli che descrivono l’inflazione cosmologica, che ricordo essere più di uno, siano più adatti a descrivere anche questi effetti, con la possibilità, quindi, di ottenere anche ulteriori informazioni su cosa stesse accadendo in quell’epoca e come fosse il nostro universo.

Nota:

Essendo le misure di BICEP2 le prime a portare all’attenzione risultati del genere, bisogna andarci cauti. In particolare c’è bisogno che siano raccolte altre misure da esperimenti diversi, che potrebbero confermare o smentire quelli attuali e che, in ogni caso, ci diranno di più su questo aspetto sensazionale della cosmologia degli ultimi anni.

 
About the author

Pasquale

Triennale in Fisica alla Federico II di Napoli e Magistrale in Astronomia ed Astrofisica a La Sapienza di Roma, ora mi ritrovo in Canada, alla University of Lethbridge, come studente di dottorato in Fisica Teorica. Il mio lavoro di ricerca al momento concerne un'estensione del principio di indeterminazione di Heisenberg, suggerita da diverse teorie di Gravità Quantistica, e l'applicazione di questa estensione a diversi sistemi quantistici, alla ricerca di nuovi fenomeni che possano essere osservati e che possano quindi permettere di fare valutazioni sulla modifica stessa e sulle teorie di di Gravità Quantistica.

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