Nuovo metodo per sondare il Big Bang

Altro che “grand complications”: per cronometrare l’inizio dell’universo servono orologi quantistici primordiali standard. Si tratta di particelle subatomiche pesanti, ipotizzate da uno studio teorico per distinguere tra diversi modelli sull’origine dell’universo. Il commento di Fabio Finelli (INAF)

Una rappresentazione dell’evoluzione dell’universo
Una rappresentazione dell’evoluzione dell’universo

 

Se un noto artista italiano ha le idee chiare su quale sia il più grande spettacolo dopo il Big Bang, in un articolo in via di pubblicazione sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsun terzetto internazionale di cosmologi presenta le proprie idee su come sia possibile ricostruire indirettamente l’evento primordiale da cui l’universo ha avuto inizio, il cosiddetto Big Bang appunto, attraverso il beat di un metronomo assai particolare.

Big Bang, “il grande botto”, è in realtà un nomignolo dispregiativo appioppato a metà del secolo scorso a un modello cosmologico allora in elaborazione, basato sull’idea che l’universo iniziò ad espandersi in un preciso momento nel passato a partire da uno stato iniziale estremamente denso e caldo. Modello divenuto poi prevalente, anche grazie al sostegno di diverse evidenze osservative. Fondamentale la scoperta della radiazione di fondo cosmico (CMBcosmic microwave background), che possiamo immaginare come il “bagliore residuo” del Big Bang, generato a partire da circa 400.000 anni dopo l’inizio. Prima di allora radiazione e materia erano ancora strettamente accoppiate.

Proprio nella CMB i ricercatori sperano di trovare indizi che confermino l’incredibilmente rapida espansione iniziale dell’universo nei suoi primi istanti di vita, la cosiddetta inflazione, ad esempio attraverso la rilevazione delle finora inafferrabili onde gravitazionali (vedi qui su Media INAF il caso di BICEP2). Esistono tuttavia modelli teorici alternativi a quello dell’inflazione cosmica, che non richiedono condizioni iniziali per il Big Bang altrettanto estreme. Teorie come quella del “Big Crunch”, che prevede il collasso di un precedente universo come punto di partenza per il Big Bang.

Secondo gli autori del nuovo studio, esiste la possibilità di stabilire quale sia il modello giusto con l’utilizzo di particolari marcatempo, definiti orologi primordiali standard quantistici, che avrebbero un diverso “ticchettio” nel caso fossero stati forgiati attraverso un processo di inflazione cosmica, oppure passati attraverso un Big Crunch.

Crediti: Yi Wang e Xingang Chen
Crediti: Yi Wang e Xingang Chen

 

Per capire meglio di cosa si tratti, facciamo un passo indietro. «Oltre a stimare le abbondanze dei principali costituenti del nostro universo, come materia, energia oscura e barioni» spiega Fabio Finelli dell’INAF-IASF di Bologna, a cui abbiamo chiesto un commento sul nuovo studio, «i dati cosmologici più recenti ci forniscono un quadro sempre più accurato delle proprietà delle fluttuazioni primordiali di densità, che hanno dato origine alle strutture cosmiche mediante instabilità gravitazionale». In particolare, le misure effettuate dal satellite Planck dell’ESA sulle disomogeneità della radiazione di fondo cosmico hanno determinato con grande accuratezza l’impronta geometrica delle fluttuazioni quantistiche presenti alla nascita dell’universo.

L’inflazione e i modelli alternativi hanno predizioni simili per queste variazioni spaziali di densità, confortate anche dall’accordo con i dati osservativi disponibili. Le onde gravitazionali primordiali darebbero più informazioni, ma finora non sono mai state osservate. Gli autori del nuovo studio si sono accorti che esiste anche una misura temporale che risulterebbe differente da un caso all’altro, una sorta di orologio per misurare il passaggio del tempo all’inizio dell’universo.

Questi orologi primordiali standard sono in realtà delle particelle subatomiche “pesanti”, che si comportano come pendoli, oscillando avanti e indietro in modo universale e standard. L’avvio dell’oscillazione per queste particelle può avvenire in modo quanto-meccanico, senza spinta iniziale.

La CMB vista da Planck e WMAP. Crediti: ESA and the Planck Collaboration; NASA / WMAP Science Team
La CMB vista da Planck e WMAP. Crediti: ESA and the Planck Collaboration; NASA / WMAP Science Team

 

«Gli autori evidenziano come ipotetiche particelle di massa molto elevata siano, al pari delle onde gravitazionali, anch’esse molto sensibili all’evoluzione dell’universo durante la fase primordiale in cui vengono generate le fluttuazioni di densità», spiega Finelli. «L’impronta di queste particelle massive come modulazione dello spettro e modifica della statistica delle perturbazioni di densità potrebbe quindi aiutarci a capire la fase primordiale dell’universo in cui hanno avuto origine».

«I segnali di clock che stiamo cercando sono sottili strutture oscillatorie che dovrebbero manifestarsi nelle misurazioni della radiazione cosmica di fondo», dice uno degli autori, Yi Wang della Hong Kong University of Science and Technology. «Ogni scenario di universo primordiale prevede un modello unico di segnale».

I dati raccolti finora, secondo gli autori, non sono sufficientemente accurati per potere individuare tali piccole variazioni. Tuttavia è plausibile che entro il prossimo decennio tutta una serie di esperimenti in corso o in via di realizzazione permetteranno di valutare la fondatezza della nuova ipotesi.

Inoltre, siccome gli orologi primordiali standard sarebbero un componente della “teoria del tutto“, trovarli aiuterebbe a fornire supporto per la fisica oltre il Modello Standard ad un scala di energie inaccessibile per gli acceleratori terrestri.

Articolo originale QUI.

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8 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Se ben si capisce, la ricerca di una prova indiretta dell'esistenza di queste particelle come traccia nella CBR ne confermerebbe la realtà inquadrandole in una teoria unificata delle forze fondamentali e nello stesso tempo darebbe una definitiva conferma/confutazione della Teoria inflazionaria? Grazie per la risposta.

  2. Volevo chiedere: da come ho capito l esperimento verte sulla possibilità di spiegare le prime fasi dell universo utilizzando come spiegazione l esistenza di un possibile big crunch pre big bang anziché utilizzando l inflazione.
    ho capito bene?
    Se sì, volevo sapere, ma in che modo un possibile big crunch può sostituire l inflazione?

  3. Premetto che trovo questa ricerca molto molto interessante e di natura davvero innovativa. Credo però che l'articolo INAF sia stato tradotto male, o quantomeno è stato interpretato male il contenuto dell'articolo originale.

    Mi permetto di rispondere ai ragazzi e di spiegare cosa è stato detto in modo errato.
    @Ares1973, non tanto la ricerca delle particelle in sè, oramai probabilmente estinte, ma delle tracce oscillatorie che esse avrebbero prodotto all'epoca di ultimo scattering. Bisognerà però aspettare missioni successive per ottenere il livello di precisione richiesto per rilevare eventuali tracce di questo tipo. Se dovessero essere trovate, crollerebbe la teoria inflazionaria.
    @DarknessLight, l'inflazione è allo stato attuale solo un modello, non è confermata. Il motivo per cui introduciamo l'inflazione è per spiegare la presenza delle disomogeneità nella CBR. Quello che manca sostanzialmente a grande supporto dell'inflazione è la rilevazione dei modi B, le onde gravitazionali ipoteticamente prodotte da questo tipo di fenomeno. Tuttavia queste disomogeneità della CBR possono essere riprodotte anche da altri modelli, e questo del Big Crunch + Big Bang è una tra le possibili diverse alternative proposte. L'articolo però non è riferito a questo modello del big crunch precedente al big bang, ma a qualcos'altro. E qui c'è stato un errore da parte di chi ha scritto l'articolo divulgativo.

    Il motivo per cui dobbiamo ad oggi prendere in considerazione la possibilità di modelli diversi dall'inflazione è che non abbiamo ancora una evidenza osservativa (cioè i modi B) che possa confutare molti altri modelli.
    Da quello che ho potuto capire visionando l'articolo in prestampa elettronica QUI, praticamente tutti i modelli proposti di universo primordiale (compreso quello inflazionario) contengono un termine che produce campi cosiddetti massivi, o equivalentemente ad elevata energia. A questi campi sono associate particelle che generano determinati tipi di oscillazioni quantistiche.

    Adesso viene il punto cruciale in questo discorso. Per ricapitolare dunque ho detto che queste particelle e le loro oscillazioni sono presenti comunque a prescindere in tutti i modelli proposti. Cos'è allora che permette di discriminare un modello dall'altro? E' l'entità di queste oscillazioni che dipende dal tipo di modello di universo primordiale utilizzato, ed ecco perchè se riuscissimo a misurarle potremmo capire quale dei modelli proposti è quello più vicino alla realtà.

    Se dunque ad esempio misurassimo che le oscillazioni di queste particelle corrispondano a quelle previste dal modello big crunch + big bang, potremo allora concludere che l'universo è in realtà provenuto da una fase precedente di contrazione. Viceversa, se queste oscillazioni fossero ben riprodotte dal modello inflazionario, allora andremo ad avvalorare l'inflazione. Di base allo stato attuale non possiamo dire altro, solo che serviranno strumenti ben più adeguati per misurare un tale livello di dettaglio nelle disomogeneità della CBR.

    Il motivo per cui questa ricerca è importante è che apre una nuova strada per confutare/confermare le teorie dell'universo primordiale...almeno fin tanto che non riveleremo i modi B.

  4. Grande Red...Comunque, semplicemente penso trattasi di dovere per chi è del mestiere. Mi rendo conto che spesso si può fraintendere un lavoro nel tradurlo, oppure come credo sia accaduto in questo caso, si può tradurre male da un altro articolo divulgativo. Ho controllato infatti il testo pubblicato in origine da Gaetano e ho visto che li il discorso fila. Per sicurezza ho anche visionato l'articolo originale e quindi temo sia stato l'autore di Media INAF ad aver fatto un pò di pasticci in questo caso .