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Focus sull’Universo primordiale

Il satellite Planck ha trascorso più di quattro anni nello spazio per catturare la luce più antica che siamo in grado di osservare: stiamo parlando della radiazione cosmica di fondo. Essa riempie tutto lo spazio e ci offre una sorta di istantanea di come appariva l’Universo circa 380 mila anni dopo il Big Bang. I dati di Planck hanno fatto luce, è il caso di dirlo, non solo sullo stato fisico e sull’evoluzione dell’Universo primordiale, ma anche sulla materia scura, quell’enigmatica componente che rappresenta lo ‘scheletro cosmico’ su cui sono distribuite le galassie e gli ammassi di galassie. Inoltre, i dati di Planck avvalorano l’inflazione cosmica, cioè quella fase di espansione esponenziale, avvenuta 10-35 secondi dopo il Big Bang, in cui l’Universo passò dalle dimensioni di un protone a quelle che, al di fuori di ogni comprensione, lo caratterizzano oggi.

Ad una recente teleconferenza, ospitata dalla Kavli Foundation, hanno partecipato alcuni esperti cosmologi, come George Efstathiou dell’Università di Cambridge, direttore del Kavli Institute for Cosmology e uno dei leader della missione Planck, e Paul Steinhardt, direttore del Princeton Center for Theoretical Science presso l’Università di Princeton e uno degli architetti del modello inflazionario, per discutere e capire meglio gli ultimi risultati di Planck e le loro implicazioni per ciò che riguarda l’inflazione cosmica.

Quello che segue è un breve riassunto di una intervista a Efstathiou da parte della Kavli Foundation.

D: Nel 2013 e ora quest’anno, il consorzio Planck ha fornito una forte evidenza sperimentale a favore dell’inflazione. Ci può spiegare in breve questi risultati e perché sono importanti?

GE: Il modello dell’inflazione cosmica permette di fare tutta una serie di predizioni. Ad esempio, la geometria dello spazio dovrebbe essere vicina a quella euclidea, cioè essere piatta, e ciò si deve riflettere nelle fluttuazioni che vediamo nella radiazione cosmica di fondo. Con i primi dati di Planck, quelli del 2013, abbiamo verificato alcuni aspetti del modello con una precisione molto elevata andando ad analizzare su tutto il cielo le minuscole variazioni di temperatura della radiazione fossile. Con i dati del 2015, abbiamo migliorato la precisione di quelle misure e abbiamo aggiunto quelle relative alla polarizzazione della radiazione cosmica. Queste misure di polarizzazione sono estremamente importanti perché ci dicono quale era la struttura dello spazio durante le fasi primordiali. Esistono varie possibilità. Ad esempio, in alcuni modelli che sono supportati da teorie multi-dimensionali, come la teoria delle stringhe, le cosiddette “stringhe cosmiche” potrebbero essere state prodotte nell’Universo primordiale e dovrebbero generare un diverso schema di fluttuazioni. Ma non vediamo alcuna evidenza di queste stringhe cosmiche o altri tipi di difetti topologici. Ciò che abbiamo trovato è che ogni cosa è consistente, con una precisione elevata, con i più semplici modelli inflazionari. Perciò, ora possiamo dire che l’Universo è spazialmente piatto con una precisione dell’ordine dello 0,5%. Si tratta di un sostanziale miglioramento su ciò che sapevamo prima di Planck.

D: Ha definito l’inflazione come una sorta di teoria dei cartoni. Cosa intende?

GE: Non comprendiamo ancora la fisica fondamentale che avrebbe causato l’inflazione nè tanto meno comprendiamo i dettagli di come funziona. Il modello più semplice dell’inflazione richiede che l’Universo primordiale contenga ciò che chiamiamo un campo scalare. Questo campo permea tutto lo spazio ed è responsabile di una sua iper espansione con una velocità superiore a quella della luce. Inoltre, come tutti i campi quantistici, esso contiene delle fluttuazioni quantistiche. Sono queste minuscole fluttuazioni che, una volta ‘stirate’ dall’inflazione, hanno generato la struttura che vediamo oggi nell’Universo, compresi pianeti, stelle e galassie. È un modello semplicistico di inflazione cosmica. La domanda è: Che cosa è esattamente questo campo scalare? La risposta è: Non lo sappiamo! Esistono diverse teorie ma si tratta di speculazioni. È per questo motivo che ho definito il modello una ‘teoria dei cartoni’ perché non sappiamo, al livello fondamentale, come funziona il meccanismo che ha prodotto quel rapido periodo di espansione esponenziale. Ciò di cui abbiamo bisogno sono dati sperimentali migliori che ci dicano come appariva l’Universo primordiale in modo che, si spera, ci possano guidare verso una teoria più fondamentale dell’inflazione.

D: Questo vuol dire che il prossimo passo sarà più di tipo sperimentale che teorico?

GE: E’ una domanda interessante. Secondo me, il vero progresso richiede esperimenti perché per studiare l’Universo delle origini dobbiamo affrontare energie talmente enormi di qualsiasi altra cosa siamo in grado di analizzare in laboratorio qui sulla Terra. Quando si fa questo salto gigantesco, davvero non sappiamo come possono apparire le cose. Ciò lascia aperte tantissime possibilità. Ad esempio, le dimensioni extra predette dalla teoria delle stringhe sono nascoste su scala umana perciò non le vediamo. Devono essere molto piccole, compattificate in qualche modo, ma come non lo sappiamo. Dunque, dal punto di vista della teoria, ci sono adesso tante opzioni. Inoltre, in cosmologia, stiamo parlando di situazioni estremamente dinamiche. Ogni cosa cambia molto rapidamente ed è complicato analizzarla teoricamente. C’è sempre la possibilità che qualche nuovo spunto teorico ci permetterà di restringere queste opzioni. Credo, però, che dovremo realizzare gli esperimenti, se possiamo, in modo che possano restringere appunto le varie opzioni. Se avessimo rivelato le onde gravitazionali (primordiali), questa misura ci avrebbe permesso di restringere di molto le varie opzioni. Ad esempio, ci avrebbe fornito degli indizi sulla scala delle energie dell’inflazione. In più, ogni livello misurabile e associabile alle onde gravitazionali dovrebbe stabilire una sorta di collegamento empirico con la gravità quantistica. La gravità quantistica, che dovrebbe descrivere la gravità secondo i principi della meccanica quantistica, è un obiettivo molto importante al livello sperimentale, uno di quelli che è possibile raggiungere mediante esperimenti con una precisione elevata. Credo che saranno gli sviluppi tecnologici che ci faranno fare il salto di qualità da cui sarà possibile ricavare preziosi indizi relativi alle fasi estremamente energetiche dell’Universo primordiale.

D: I risultati di Planck ci stanno aiutando a comprendere la vera natura della materia scura. Che cosa abbiamo imparato dalla missione del satellite dell’ESA?

GE: Cosa sappiamo? In realtà, siamo ancora molto lontani. Il candidato principale è un tipo di particella predetta dalla supersimmetria, una estensione del modello standard secondo cui per ogni particella nota esiste una ‘superpartner’. Se la teoria è giusta, queste particelle supersimmetriche dovrebbero essere osservate da LHC. Ma finora non le abbiamo viste. Dunque, la materia scura rimane ancora un mistero e poi Planck non ha rivelato segnali riconducibili a questa enigmatica componente. La supersimmetria predice che le particelle di materia scura dovrebbero occasionalmente interagire con altre particelle di materia scura e produrre un lampo di energia, in un processo chiamato annichilazione. Tuttavia, non lo vediamo. Ma non è poi così sorprendente, forse questo processo si ‘nasconde’. Forse, i futuri esperimenti sulla radiazione cosmica di fondo potrebbero osservare l’annichilazione della materia oscura ma finora Planck non ha rivelato alcun segnale di questo tipo. Abbiamo analizzato attentamente i neutrini, minuscole particelle elusive e sfuggenti che appaiono in tre ‘sapori’. Per quanto ne sappiamo, non esistono altri tipi di neutrini che potrebbero tener conto della materia scura. Inoltre, c’è da dire che gli scienziati stanno tentando di determinare la massa di queste particelle. Sappiamo da altri esperimenti qual è il valore minimo della loro massa, mentre Planck ha permesso di porre ad essa un limite superiore. Anche qui stiamo restringendo le varie opzioni e si spera che saremo in grado di fissare una volta per tutte la massa di queste misteriose particelle dell’Universo. Alcuni teorici hanno suggerito che la materia scura e l’energia scura potrebbero interagire in qualche modo. Ma anche in questo caso, per quanto ne sappiamo, l’energia scura è costante perciò non c’è alcuna evidenza di una possibile interazione con la materia scura.

D: Non possiamo trascurare l’argomento delle onde gravitazionali soprattutto dopo l’annuncio che fu dato qualche tempo fa dal gruppo di ricercatori che lavorano all’esperimento BICEP2. Proprio qualche settimana fa, l’analisi congiunta dei dati Planck/BICEP2/Keck ha confermato il fatto che il presunto segnale primordiale rivelato da BICEP2 è stato contaminato dalla polvere interstellare della Via Lattea, perciò le onde gravitazionali rimangono elusive. Cosa implica la mancata scoperta per la futura ricerca delle onde gravitazionali?

GE: Quando il gruppo di BICEP2 annunciò i risultati, rimasi molto scioccato. Il segnale rivelato dai ricercatori di Harvard era davvero significativo. Noi di Planck avevamo già analizzato i dati del 2013 e mettemmo un limite all’intensità che avrebbe avuto il segnale gravitazionale. Le misure di BICEP2 suggerivano che l’intensità del segnale fosse superiore di un fattore 2 rispetto a questo limite. Dunque, se BICEP2 avesse realmente rivelato le onde gravitazionali, sarebbe stata richiesta una fisica alquanto ‘strana’ ed inaspettata per giustificare i diversi risultati. Dal punto di vista sperimentale, i dati di BICEP2 sono molto interessanti, i ricercatori hanno davvero rivelato qualcosa. Quel qualcosa potrebbe essere riconducibile alle onde gravitazionali oppure potrebbe essere dovuto alla polvere interstellare, facendo così confondere i loro dati. Ora, l’esperimento BICEP2 osserva una piccola porzione di cielo e il rapporto segnale/rumore di Planck non è molto grande. A quel punto, decidemmo di collaborare migliorando il rapporto segnale/rumore dovuto alla polvere, correlando le loro mappe con le nostre. Il risultato di questa analisi congiunta è che non abbiamo una evidenza statisticamente significativa che sia riconducibile ad un segnale dovuto alla propagazione di onde gravitazionali primordiali. Ciò risolve il conflitto con i dati originali di Planck. E, nel quadro generale, è una buona notizia perché non implica la necessità di richiedere una ‘nuova’ fisica per riconciliare i risultati dei due esperimenti. A questo punto, siamo in una situazione dove abbiamo un limite all’intensità del segnale delle onde gravitazionali e quel numero è consistente con i risultati di Planck. Esso non esclude in tutti i modi le onde gravitazionali. Se si guarda all’analisi congiunta, si vede che le onde gravitazionali devono essere lì appena sotto il livello che abbiamo fissato. Se questo è vero, non passerà molto tempo prima di rivelarle. Perciò mi aspetto degli sviluppi molto importanti in futuro.

The Kavli Foundation: Planck Space Telescope Brings Early Universe into Focus

Nel seguente video, George Efstathiou, Clement Pryke e Paul Steinhardt discutono gli ultimi risultati di Planck e ciò che essi implicano per la teoria dell’inflazione, per la nostra comprensione dell’Universo primordiale e per i futuri esperimenti.


2:30 Quale evidenza per l’inflazione?
4:15 Come sono progettati questi esperimenti?
6:10 Cosa dovranno tener conto gli esperimenti del futuro alla luce di questi risultati?
7:20 Quali sono le ultime dalla missione Planck?
11:00 Qual è la prospettiva di un teorico in merito all’inflazione?
34:10 Esiste una misura sperimentale a favore dell’inflazione?
42:50 C’è abbastanza informazione nella radiazione fossile per comprendere il nostro Universo?

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