L’universo inflazionato – parte seconda: l’inflazione cosmica, la polarizzazione primordiale B

Sicuramente avete già visto da qualche parte questa figura ma non sapete che roba sia. Né avete capito cosa sono questi trattini messi lì in modo disordinato. Tranquilli. Non siete gli unici. E’ successo anche ad un mio amico con tanto di laurea.

Potrei liquidare la questione, come ho fatto con il mio amico che poco gradisce le spiegazioni, dicendo che l’immagine rappresenta i raggi della luce primordiale a conferma della teoria della inflazione cosmica o se preferite la espansione esponenziale dell’universo. La teoria che spiega l’attuale grado di omogeneità dell’Universo.
Con voi invece ho un conto in sospeso dal precedente post.

Cosa c’entrano questi raggi con l’inflazione cosmica, penserete?
Andiamo per ordine. Il punto di partenza era questo: l’universo ci appare uguale da qualsiasi parte lo osserviamo, isotropo ed omogeneo in un sistema adiabatico.
Perché? – si sono domandati i fisici.
Perché ogni regione dello spazio doveva essere calda esattamente come qualsiasi altra regione dello spazio anche lontanissima?

Per dare una spiegazione facciamo un passo indietro.
Siamo nel 1964, un anno in cui sono successe tante cose incredibili da condizionare i successivi 50 anni.

Nel 1964 Higgs ipotizzò l’esistenza di una particella che prese il suo nome. Lo stesso anno gli ingegneri Penzias e Wilson (che nel 1978 vinsero il Nobel per la scoperta) scoprirono accidentalmente un rumore che proveniva in modo “uniforme” da qualsiasi direzione dello spazio. Era il suono dell’universo primordiale all’età di 380.000 anni circa. Il residuo fossile dell’energia rilasciata al momento del Big Bang.

La scoperta e la conferma dell’esistenza della radiazione cosmica di fondo a microonde ebbe anche il merito di indicare chiaramente il Big Bang come la migliore teoria sull’origine e sull’evoluzione dell’universo.

Successivamente il satellite Cobe, lanciato nel 1989, fece un’analisi più precisa. Scoprì che la radiazione cosmica di fondo non era perfettamente uniforme come rilevato inizialmente.
Dopo Cobe, il satellite che ha studiato nel dettaglio la radiazione fossile è stato WMAP.

La immagine che vediamo è la mappa della radiazione di fondo ricavata dal satellite Wmap che ci svela i dettagli dei primi attimi di vita dell’Universo.

Le chiazze che vanno dal giallo al rosso, corrispondenti a zone leggermente più fredde e altre a zone più calde, rappresentano i “semi” da cui si sarebbero formati gli ammassi di galassie, le galassie.

Cosa c’entra la radiazione cosmica di fondo con l’universo inflazionato che stiamo trattando? –  immagino  vi state domandando di nuovo.
Ora lo scopriamo.

La mappa rappresenta il più dettagliato disegno, a tutto cielo, della radiazione cosmica di fondo. È un risultato che ci svela i dettagli dei primi attimi di vita dell’Universo e  per primo attimo, in ambito cosmologico, è da prendere abbastanza alla lettera: si parla di 10^-30 secondi dopo il Big Bang.

In un certo senso la radiazione di fondo ci dice che il nostro cosmo avrebbe esattamente 13,81 miliardi di anni, con un’incertezza statistica attorno a cinquanta milioni di anni, e che nell’attimo della esplosone l’universo non era per niente omogeneo come lo vediamo ora.

Durante il Big Bang, l’universo visibile era concentrato in un punto molto più piccolo di un atomo. Su questo stadio primordiale non sappiamo praticamente nulla, perché le nostre teorie falliscono in condizioni così estreme. Possiamo soltanto dire che, in quelle primissime fasi, l’universo era composto da un concentrato caldissimo di energia, soggetto a fluttuazioni di natura “quantistica”, cioè dovute al fatto che nel mondo microscopico non c’è mai nulla di perfettamente fermo, ma tutto si muove come in un calderone d’acqua in continua ebollizione. Il Big Bang poteva essere assimilato ad un plasma incandescente.

Le fluttuazioni primordiali – interviene il mio cane che ne sa di meccanica quantistica – in questo plasma quantistico erano così intense da sconvolgere lo spazio e il tempo, per cui dovevano esserci zone e momenti in cui le distanze si accorciavano, altre in cui si allungavano. E nemmeno lo scorrere del tempo era uniforme: in alcune situazioni accelerava, in altre rallentava. Forse ogni tanto si creavano perfino minuscole macchine del tempo capaci di raggiungere il passato!

Ed ecco – continuo io – che nel 1980, Alan Guth, del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge (USA), ipotizzò che il cosmo avrebbe attraversato, pochissimi istanti dopo il Big Bang, una fase di “espansione esponenziale”, che lo fece passare, in poche decine di trilionesimi di trilionesimi di trilionesimi di secondo, da dimensioni subatomiche a quelle di un campo da calcio e via via sempre più grande.

L’idea di base dell’inflazione è che prima dell’inizio del Big Bang, ma dopo il tempo di Planck (dove h è la costante di Plank, G è la costate gravitazionale e c è la velocità della luce), l’universo si sia trovato in uno stato quantico e che in esso abbia luogo un’espansione esponenziale del tipo: A causa dell’espansione esponenziale una piccola porzione dell’universo quindi con dimensioni (lunghezza di Plank)

in un tempo, ancora fuori dalla portata dei nostri strumenti di misura, che durò un niente: indicativamente

10^–36  secondi

cioè 0,00… 01 secondi, scritto con 36 zeri, si è espanso a dimensioni superiori a quelle dell’orizzonte attuale.
In una fase immediatamente successiva, e per un tempo altrettanto breve, l’universo esplose in modo iperbolico, espandendosi di 10⁴⁰  volte.
Per capirci meglio è come un pixel di una foto che viene enormemente ingrandito ma tutto rimane enormemente omogeneo.

Porzioni di spazio molto più piccole di un nucleo atomico furono, così, proiettate su scala cosmica.

Questa fase si chiama “inflazione”. 

Cosa significa?
Questo brevissimo periodo, iniziato 10^–35 secondi dopo la nascita dell’Universo e durato intorno ai 10^–36 secondi, sarebbe stato capace di moltiplicare il fattore di scala cosmico, cioè la distanza che separa due qualsiasi punti (galassie) dell’Universo, di un fattore superiore a 10⁴⁰ volte (1 seguito da 40 zeri) .

Quali sono le conseguenze?

• un contemporaneo raffreddamento della materia primordiale;
• una pressoché totale scomparsa delle fluttuazioni di materia eventualmente presenti nella fase anteriore;
• un appiattimento della curvatura iniziale dello spazio tridimensionale, fino a valori compatibili con le osservazioni attuali; quest’ultimo fenomeno è paragonabile all’appiattimento locale della superficie bidimensionale di una sfera sottoposta a espansione.

Ok, ritorniamo alla nostra radiazione di fondo per scoprire la relazione con la inflazione.

Sappiamo che la radiazione di fondo è il primo segnale elettromagnetico emesso dal Big Bang. Esso viaggia indisturbato da 13,7 miliardi di anni e per la precisione da 380mila anni dopo il big Bang: dall’istante in cui nuclei ed elettroni, combinandosi, hanno dato origine agli atomi, spalancando così la finestra che ha reso l’universo trasparente.

Ora il problema che si pone è come verificare una ipotesi come questa della inflazione su una cosa che non possiamo vedere perché è precedente alla formazione della luce.

L’idea era quella di osservare gli effetti dell’inflazione.
Secondo la relatività generale di Einstein un evento così violento (Big Bang) avrebbe generato delle spaventose onde gravitazionali, disturbi dello spazio tempo che si propagano nello spazio come onde.
Ma siccome non siamo stati in grado di rilevarle direttamente si è cercato di trovarle proprio sulla radiazione cosmica di fondo.
Si è cercato in definitiva di scoprire come le onde gravitazionali abbiano influenzato la polarizzazione della luce, cioè la direzione in cui si propaga in un campo elettrico.
Come?
Ecco la scoperta.

I raggi di luce polarizzati normalmente sotto gli effetti di onde gravitazionali tendono a disporsi a vortice in “modo B“.
Gli scienziati hanno quindi dedotto come le polarizzazioni dell’intera radiazione elettromagnetica primordiale si sarebbero disposte.
Quello che rimaneva da fare era osservare di nuovo il fondo cosmico con un telescopio talmente forte che mostrasse anche le polarizzazione della luce.

Questo è stato fatto dai ricercatori di Bicep2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), con un telescopio sensibile alle microonde installato in Antartide, rilevando quello che viene chiamata “polarizzazione primordiale B“.

Il telescopio Bicep2 avrebbe catturato un’istantanea di queste onde gravitazionali primordiali, così come si presentavano 380 mila anni dopo il Big Bang, quando le stelle non si erano ancora formate e la materia era disseminata nello spazio sotto forma di “brodo” primordiale di plasma.

Le onde gravitazionali avrebbero, così, disposto i raggi di luce polarizzati esattamente  in “modo B” come rappesentati dalla figura in alto.

L’importanza sta nel fatto che finora esiste solo una rilevazione (indiretta) delle onde gravitazionali; e poi perché sarebbe la prima prova di un evento, “l’inflazione cosmica” finora soltanto prevista teoricamente.

Bene, con questo sono arrivato alla fine: abbiamo parlato della teoria della inflazione a giustificazione della omogeneità dell’universo e della prova della sua esistenza con la scoperta delle onde gravitazionali promordiali.

La domanda è ora: questa mappa corrisponde alle previsioni?
Diciamo che ci va molto vicino. Ora sta agli altri scienziati scoprire se questa si può chiamare scoperta. In questo caso si sarà aggiunto un nuovo tassello alla conoscenza.

Ma non andate via, ora vi dico dell’altro. Anzi vi faccio una domanda che ha sempre a che fare con la inflazione.
Secondo voi l’universo è tutto quello che vediamo. L’universo è racchiuso in quello che comunemente è noto come orizzonte cosmico?

Se la risposta è no, avete indovinato.
Secondo le teorie più recenti, la luce ha cominciato a propagarsi nell’universo almeno 13,2 miliardi di anni fa, dopo la cosiddetta “dark age” , ovvero una fase primordiale in cui, data l’enorme densità dell’universo neoformato, non sarebbero ancora esistiti fotoni liberi e, quindi, sorgenti luminose.
Questa fase non dovrebbe essere durata più di 0,5 miliardi di anni

Avete capito bene: la luce si è “accesa” ben 0,5 miliardi di anni dopo il Big Bang.
Cosa significa?

Poiché l’inflazione avvenne a una velocità superiore a quella della luce, la radiazione luminosa non riuscì a tenere il passo con essa. Si creò quindi uno scarto fra la porzione di universo raggiunta dalla luce e il cosmo nella sua totalità. E con l’espansione successiva, tuttora in corso, lo scarto si è mantenuto.

Nessuno strumento è in grado di vedere che cosa c’è al di là della porzione raggiunta dalla luce, ma si stima che oltre quel confine ci siano ancora miliardi di anni luce di universo ‘non osservabile’.
Forse 50.

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