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

espansione cosmica
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.

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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.

tempo di PlankL’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:espansione A causa dell’espansione esponenziale una piccola porzione dell’universo quindi con dimensioni (lunghezza di Plank)dimensione

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

1036  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.

inflazioneSappiamo 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.

polarizzazione1I 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.
polarizzazione2Quello 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“.

polarizzazione3Il 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.

espansione cosmicaLa 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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Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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5 risposte a L’universo inflazionato – parte seconda: l’inflazione cosmica, la polarizzazione primordiale B

  1. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Chiarissimo- abbastanza chiaro per essere la materia complicata che e’..-.

    “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’”.

    E’ “l’orizzonte delle particelle”, l’universo osservabile e’ la massima distanza da cui le particelle(e percio’ anche i fotoni che veicolano l’informazione) raggiungono l’osservatore. E’ quel limite oltre il quale non vediamo il resto dell’universo.
    Kobe e’ stata una sonda in certo senso “eroica” quasi quanto Hubble, per aver individuato le disomogeneità’ nella radiazione di fondo, “spie” di quelle irregolarita’ che, nell’universo primordiale di 380mila anni dopo il big-bang, erano il seme dal quale si formarono gli ammassi delle galassie come li conosciamo oggi.

    ” E nemmeno lo scorrere del tempo era uniforme: in alcune situazioni accelerava, in altre rallentava…”. 13,8 miliardi di anni. Un tempo che di per sè e’ breve, se pensiamo solo che la Terra ha un terzo dell’eta’ dell’universo! Ma in epoche remote “tutto era piu’ concentrato” il tempo scorreva “piu’ lentamente” “, per l’influsso della gravità su di esso. In pochi minuti si sono succedute, all’inizio, delle vere e propprie ere, come l’era della radiazione, dei quark, l’era della formazione dei protoni e poi degli atomi. Poi si sono formati “insieme” parecchi grumi di materia evolutisi negli ammassi di galassie e nei superammassi, entita’ che continuano ad allontanarsi reciprocamente a velocità superiore a quella della luce, considerando pero’ le fasi di inflazione. Ecco che 13,8 miliardi di anni non sarebbero piu’ “troppo pochi”- per generare un universo cosi’ esteso-, in quanto certe cose sono avvenute relativamente piu’ in fretta.
    Io, personalmente, sono tentato di sospettare comunque che l’universo sia anche molto piu’ vecchio, oltre che molto piu’ esteso. Penso comunque che “Kobe” abbia misurato con molta precisione l’eta’ dell’universo. Ciao.

    Marghian

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    • bruce ha detto:

      Ancora grazie marghian. Il segreto di articoli “riusciti” è lavorarci sopra.
      Ci lavoro per giorni (non ho un … da fare tranne che portare il cane fuori e sbrigare le faccende di casa, da bravo casalingo) e li pubblico solo quando li ritengo comprensibili alla oramai nota e famosa nostra casalinga di Verona presa come riferimento (che comunque non legge ugualmente, ma questa è un’altra cosa😆 )

      Poi c’è il mio amico delle passeggiate mattutine e delle colazioni al bar, che lo utilizzo come altra cavia. Se capisce lui sono a posto. Ma ha poco interesse anche lui. Lo capisco dal fatto che ogni tanto cambio totalmente ragionamento e lui non se ne accorge. Allora penso che è meglio la nostra casalinga, almeno lei mette un “mi piace”. E così ascolto con educazione e tanta, tanta pazienza le sue teorie sulla dieta chimica e le cure mediche a base di ginnastica yoga. Per un amico faccio anche questo.

      Esatto, la dieta chimica. Non l’hai mai sentita? Non l’avevo mai sentita prima nemmeno io. Sarebbe una dieta a base di integratori minerali.
      A cosa seve? Boh! Lui dice che servono a meglio metabolizzare i cibi che mangiamo e ad equilibrare l’alimentazione. Per esempio si imbottisce di magnesio perchè (secondo lui) partecipa a più di 200 reazioni chimiche, si imbottisce di ferro perchè aiuta a …, il sodio che aiuta a …, il calcio che aiuta a …, lo zinco che aiuta a …, il fosforo che serve a …, l’argento ionico colloidale che serve a …, e poi vitamine, osteo integratori ecc. ecc.
      Praticamente è un vegetariano e utilizza gli integratori per compensare la mancanza di principi attivi.

      Ma porca puttana – gli dico – mangia come Cristo comanda e come Dio ti ha creato e lascia stare queste diete del c … che non hanno alcuna valenza scientifica, tanto i malanni ce li hai ugualmente.
      Ma lui, da bravo chimico va avanti nelle spiegazione. Quando morirò vado diretto in paradiso senza passare per il purgatorio, per meriti di amicizia e pazienza.
      Ciao

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      • MARGHIAN ha detto:

        Ciao Bruce. “…per meriti di amicizia e pazienza.”. La palma dell’amicizia insieme alla palma della pazienza allora. “Dieta chimica”, leggendoti -leggendo come il tuo amico la definisce il mio cervello ha pensato “ma le diete.non sono tutte chimiche?”. Ma poi ho capito-ammesso che la parole “capire” abia un senso in cose…senza senso. “a base di integratori minerali”. la conoscevo, per sentito dire, anche se non ne conoscevo il nome, “dieta chimica”.
        Io poi sono contrario al cosiddetto “salutismo” (intendiamoci, certi accorgimenti come andare in bici o fare una passeggiata o non fumare-anche se io fumo..- vanno bene), a quella esagerazione che porta chi la pratica..a vivere da malati per morire da sani, anzi a vivere da malati per morire comunque da malati (“tanto i malanni ce li hai ugualmente”). Poi, se in questo salutismo ci sono diete strane, “chimiche” e coso..addio.

        “Se capisce lui sono a posto”. Guarda, non lamentarti perche’ non hai a che fare con Andrea, un mio amico che mi fa delle domande perche’ “vuole sapere”. Per queseto il lo apprezzo, ma appena sente che la spiegazione travalica il suo senso della realta’ (per lui e’ strano, per esempio, che l’universo sia in espansione) mi interrompe e dice “che cavolate..”ne sparano gli scienziati..”. Al che’, io gli dico: “se per ogni cosa che ti spiego in base a cio’ che tu mi chiedi tu dici “che c…ate”, allora non tchiedermi piu’ nulla…”. Niente, ci ricasca: “Giove e’ un pianeta di gas?” “Ma che fesserie che dicono..”. Pensa che pazienza ci vuole…
        Meglio insegnare queste cose ad una classe di casalinghe😆 Ciao.

        Marghian

        Mi piace

  2. Massimiliano Cosmelli ha detto:

    in una mia riflessione “triggerata” da questo interessante articolo stavo pensando che il tempo potrebbe essere legato alla statistica nel senso che andare indietro nel tempo significa poter riprodurre una sequenza casuale esattamente come e’ avvenuta ammettiamo che lancio 1 milione di volte un dado e ottengo una certa sequenza composta di 1,2,3,4,5,6 lanciando il dado un altra volta e una altra volta ancora non si otterra’ di certo la stessa sequenza puo’ darsi che casualmente qualche volta si possa ripresentare, ma quanto piu’ la sequenza casuale e’ lunga e quanto piu’ improbabile e’ che si possa ripresentare la stessa identica sequenza.

    Questa potrebbe essere l’essenza della freccia del tempo, ossia la irriproducibilita’ di una sequenza casuale complessa?

    In tal caso tornare al passato significherebbe per l’Universo poter riprodurre esattamente una sequenza casuale gia’ sortita.

    All’inizio dei tempi, in un universo con bassa entropia (molto ordine) vi erano poche sequenze casuali complesse e quindi verosimilmente esistevano molti doppioni di eventi gia’ esistenti,
    ma dato che la loro produzione aumentava man mano che l’universo si stava “scompattando” e aumentava l’entropia esse divennero rapidamente irriproducibili e quindi aumentava il numero di eventi unici.

    In quei primi istanti in cui il tempo stava prendendo forma sarebbe stato difatti possibile tornare indietro nel tempo proprio grazie al fatto e sequenze casuali generate erano molto semplici e quindi facilmente riproducibili. Esistevano molti eventi indistinguibili; i primi quanti di tempo dunque potevano sembrare fluttuare avanti ed indietro tra passato e futuro.

    Via via invece che l’Universo andava evolvendosi diventava sempre piu’ difficile tornare nel passato e la freccia del tempo ha definitivamente puntato dal passato al futuro.

    Massimiliano

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