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L’origine dell’Universo secondo la gravità quantistica a loop

Image credit: Thomas Fuchs

Secondo il modello cosmologico standard, l’Universo ebbe origine da una grande esplosione iniziale, il Big Bang, circa 13-14 miliardi di anni fa. Alcuni istanti dopo, l’Universo subì una rapida espansione, nota come inflazione, che diede forma, per così dire, allo spazio cosmico. Durante questo periodo, emersero minuscole fluttuazioni di energia che, successivamente, diedero luogo a tutte quelle strutture cosmiche che oggi possiamo ammirare sottoforma di galassie e ammassi di galassie. Nonostante questo modello sia in grado di descrivere in prima approssimazione l’evoluzione dell’Universo primordiale, nessuno è in grado di spiegare come hanno avuto origine queste fluttuazioni primordiali. Ma di recente, tre fisici avrebbero scoperto la chiave per risolvere questo enigma attraverso la formulazione di una teoria in cui la gravità dovrebbe mostrare lo stesso comportamento bizzarro basato sull’incertezza che regna nel mondo delle particelle subatomiche.

La cosmologia standard, che si basa sulla relatività generale, non è in grado di spiegare l’origine delle fluttuazioni dato che viene meno quando consideriamo scale molto piccole, tipiche del mondo degli atomi. Durante il brevissimo ed infinitesimale intervallo di tempo prima che avesse luogo l’inflazione, noto come era di Planck, l’intero Universo era compresso in una regione di spazio molti ordini di grandezza più piccola di quella che occupa un atomo. Se tentiamo di applicare la relatività a questa situazione, le sue previsioni non hanno più senso fisico dato che portano a valori infiniti della densità di energia. Dunque, per estendere i concetti di Einstein a queste situazioni estreme i ricercatori hanno sviluppato una teoria denominata loop quantum gravity. Sin dagli anni ’80, Abhay Ashtekar, attualmente alla Pennsylvania State University, trasformò in qualche modo le equazioni di Einstein per renderle compatibili nell’ambito della fisica quantistica. Ma ci fu un prezzo da pagare. Infatti, come conseguenza di questa manipolazione matematica si trovò che lo spazio non era più liscio, continuo e regolare, come nel caso del mondo infinitamente grande, ma consisteva di tante unità discrete, denominate loop o anelli, e che la sua struttura microscopica poteva fluttuare contemporaneamente tra tutta una serie di stati multipli. Nel corso degli ultimi anni, i fisici hanno dichiarato che se, e con un grande “se” dato che non abbiamo ancora evidenze sperimentali, la teoria della gravità quantistica a loop si dimostrerà corretta allora il Big Bang dovrebbe essere stato originato da un vero e proprio Big Bounce associato ad un precedente universo che si trovava nella fase di collasso gravitazionale. Oggi, però, Ashtekar e i suoi collaboratori sono convinti che questa tecnica, attraverso la quale è possibile estendere i concetti della relatività generale verso gli istanti primordiali della storia dell’Universo, possa riempire il divario tra il Big Bounce, cioè l’era di Planck, e il momento in cui ha origine l’inflazione non solo ma grazie ad essa è possibile spiegare anche la formazione di tutte quelle fluttuazioni senza le quali non si sarebbero formate nel corso del tempo le strutture cosmiche fino ad arrivare persino a noi stessi. Queste fluttuazioni primordiali sarebbero perciò la naturale conseguenza delle fluttuazioni quantistiche che esistevano già all’epoca del Big Bounce. “I nostri risultati forniscono una estensione autoconsistente dell’inflazione fino alla scala di Planck” dichiara Ashtekar. “Il fatto che la gravità quantistica abbia lasciato oggi una sorta di ‘impronta digitale’ sulle strutture cosmiche è alquanto sorprendente ed elegante” dichiara Jorge Pullin della Louisiana State University, un esperto di gravità quantistica a loop e buchi neri. Neil Turok, direttore del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, afferma invece che i ricercatori hanno bisogno di introdurre tutta una serie di “assunzioni artificiose” per poter procedere indietro nel tempo dal momento in cui avviene l’inflazione fino a epoche più remote. “La gravità quantistica a loop è interessante”, dice Turok, “ma non si tratta ancora di una vera e propria teoria e perciò bisogna stare attenti a non prendere sul serio certe sue predizioni”. 

Full story: The missing epoch
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WMAP, pubblicati i dati finali dopo nove anni di osservazioni

Sin da quando è stato lanciato nel lontano 2001, il satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ha rivoluzionato la nostra visione dell’Universo, rafforzando un modello cosmologico mediante il quale gli astronomi possono oggi spiegare tutta una serie di osservazioni. La missione spaziale, guidata da Charles L. Bennett della Johns Hopkins University, ha permesso di determinare, con un elevato grado di precisione, non solo l’età dell’Universo ma anche la densità degli atomi, la densità di tutta la materia non composta da atomi, l’epoca di formazione delle prime stelle, localizzando persino quei ‘siti cosmici’ dove la materia si è aggregata per formare successivamente le galassie e gli ammassi di galassie.

In breve, le osservazioni di WMAP ci hanno fornito l’informazione sui suddetti parametri con un livello di accuratezza circa 70 mila volte superiore facendo della cosmologia una scienza di precisione. Oggi, trascorsi due anni da quando il satellite è andato in pensione, Bennett e il suo gruppo scientifico hanno pubblicato i risultati finali della missione dopo nove anni di osservazioni. “Si tratta quasi di un miracolo” spiega Bennett. “L’Universo sembra racchiudere una sorta di codice personale che si cela nella radiazione cosmica di fondo e quando lo abbiamo decodificato abbiamo rivelato la sua storia e il suo contenuto. E’ davvero sorprendente come ogni cosa vada nel suo posto”. L’immagine ottenuta da WMAP che fotografa l’Universo da ‘giovane’, all’età di appena 375 mila anni dopo il Big Bang, ci permette di porre dei limiti su ciò che potrebbe essere accaduto prima e su ciò che accaduto miliardi di anni dopo quel momento. Il modello cosmologico standard, noto anche come Big Bang, che afferma che l’Universo delle origini era estremamente caldo e denso e che poi si è raffreddato in seguito alla sua espansione, è fortemente supportato dai dati di WMAP. Inoltre, le osservazioni di WMAP vanno a favore di un altro modello, l’inflazione, che descrive gli attimi immediatamente dopo la grande esplosione iniziale. Il modello inflazionistico afferma che l’Universo subì una rapida espansione esponenziale causando un incremento del proprio volume di spazio dell’ordine di circa un trilione di trilione di volte in meno di un trilionesimo di trilionesimo di secondo. In seguito a questa immane variazione di volume dello spazio, si generarono piccolissime fluttuazioni di densità che alla fine crebbero portando alla formazione delle galassie. Le misure estremamente precise di WMAP relative alle fluttuazioni di densità della materia hanno confermato determinate previsioni della versione più semplice del modello inflazionistico: in altre parole, le fluttuazioni seguono una curva a campana che ha le stesse proprietà su tutto il cielo; inoltre, la mappa del cielo contiene in ugual numero regioni più calde e più fredde. Infine, i dati di WMAP confermano alcune previsioni in base alle quali l’ampiezza delle variazioni di densità su larga scala è leggermente maggiore rispetto a quella su scale più piccole e che la forma dello spazio segue le leggi della geometria euclidea. Di recente, lo stesso Stephen Hawking ha commentato alla rivista New Scientist che l’evidenza trovata da WMAP a favore dell’inflazione è stata la scoperta più emozionante in tutta la sua carriera di fisico.

L’Universo è fatto dal 4,6% di atomi, una frazione maggiore, il 24%, è composta da materia invisibile, denominata materia scura, mentre la parte rimanente e la più dominante, il 71%, è una forma di energia, una sorta di anti-gravità, chiamata energia scura, che permea tutto lo spazio e sembra guidare l’espansione accelerata dell’Universo. Grazie alle osservazioni di WMAP è stato possibile risalire all’epoca di formazione delle prime stelle, ossia quando l’Universo aveva una età di circa 400 milioni di anni. Uno degli obiettivi scientifici del telescopio spaziale di nuova generazione James Webb sarà quello di esplorare in dettaglio questa particolare epoca della storia cosmica per ricavare ulteriori indizi sulla formazione delle stelle più antiche. “L’ultima parola di WMAP segna la fine dell’inizio nella nostra ricerca verso la comprensione dell’Universo” commenta Adam Riess, premio Nobel per la Fisica nel 2011 per aver scoperto gli effetti dovuti all’energia scura sull’espansione dello spazio. Insomma, WMAP ha aperto le porte alla cosmologia di precisione, dunque l’Universo non sarà più lo stesso come prima.


Il video seguente illustra i risultati di WMAP commentati da Charles Bennett


arXiv: Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results

arXiv: Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results