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I sette ‘punti chiave’ del nostro Universo

Sin da quando si è originato circa 13,7 miliardi di anni fa, l’Universo continua ad affascinare e a rendere perplessi, allo stesso tempo, gli astronomi. Qui di seguito, vengono discussi alcuni punti sorprendenti e interessanti che caratterizzano il nostro Universo.


Credit: NASA / WMAP Science Team

Secondo le attuali osservazioni e misure effettuate con tecniche alquanto sofisticate, l’Universo emerse da una grande esplosione iniziale, il Big Bang, e ha una età di 13,7 miliardi di anni, con una incertezza di più o meno 130 milioni di anni. Gli astronomi hanno ricavato questo dato misurando la composizione della densità della materia e dell’energia che hanno permesso di determinare quanto rapidamente l’Universo si è espanso nel passato. In questo modo, gli scienziati sono risaliti all’epoca iniziale e hanno potuto calcolare il momento in cui è avvenuto il Big Bang. Il tempo trascorso tra l’esplosione iniziale fino ad oggi rappresenta l’età dell’Universo.


2.L’Universo sta diventando sempre più grande

Verso la fine degli anni ’20, Edwin Hubble fece una scoperta rivoluzionaria: egli trovò che lo spazio non è statico, ma si espande. Nonostante ciò, si pensava che con il passare del tempo la gravità dovuta alla materia presente nell’Universo avesse arrestato l’espansione al punto da causare una contrazione. Ma nel 1998, il telescopio spaziale Hubble permise di ottenere i primi dati sulle supernovae distanti trovando che, molto tempo fa, il tasso di espansione dell’Universo era molto più lento rispetto a quello di oggi. Questa sorprendente scoperta suggerì che doveva esistere una enigmatica forza, chiamata poi energia scura, che sta determinando una accelerazione al tasso di espansione dell’Universo. Mentre si ritiene che l’energia scura sia la causa che sta facendo allontanare le galassie le une dalle altre creando sempre più spazi vuoti, essa rimane comunque il mistero più profondo della cosmologia moderna.


3.L’espansione dell’Universo sta accelerando

Nel 1998, due gruppi di ricercatori annunciarono che non solo l’Universo è in espansione ma che sta accelerando e la causa principale è dovuta ad una enigmatica energia (scura) che permea tutto lo spazio allontanando sempre più le galassie le une dalle altre. L’espansione dell’Universo è in accordo con le equazioni della relatività generale di Einstein e, di recente, gli scienziati hanno ripreso il famoso concetto della costante cosmologica per spiegare questa strana forma di energia che sembra controbilanciare la gravità e causare l’espansione dello spazio ad un ritmo accelerato. Adam Riess, Brian Schmidt e Saul Perlmutter hanno vinto nel 2011 il Premio Nobel per la Fisica per avere scoperto indipendentemente, nel 1998, l’espansione accelerata dell’Universo.


4.La geometria dello spazio potrebbe essere euclidea

Credit: NASA / WMAP Science Team

La forma dell’Universo è influenzata dalla ‘battaglia cosmica’ tra la gravità, dovuta alla densità della materia, e il tasso di espansione dello spazio. Se la densità dell’Universo supera un certo valore critico, allora si dice che l’Universo è “chiuso”, come la superficie di una sfera. Ciò implica che l’Universo non è infinito e che non ha una fine. In questo caso, l’Universo arresterà alla fine la sua espansione ed inizierà a collassare su se stesso in un evento noto come Big Crunch. Se la densità dell’Universo è meno di quella critica, allora la forma geometrica dello spazio si dice “aperta”, come la superficie di una sella. In questo caso, l’Universo non ha confini o bordi e continuerà ad espandersi per sempre. Se poi la densità dell’Universo è esattamente pari a quella critica, allora la forma dello spazio sarà “piatta”, come la superficie di un foglio. In questa situazione, l’Universo non ha bordi o confini e si espanderà per sempre anche se il tasso di espansione si avvicinerà gradualmente allo zero dopo un quantità infinita di tempo. Misure recenti, eseguite dal satellite WMAP, suggeriscono che la geometria dello spazio è euclidea, cioè lo spazio è piatto, con un margine d’errore pari al 2 percento.


5.L’Universo è permeato da una sostanza invisibile

L’Universo è fatto di qualcosa che non vediamo. Di fatto, i pianeti, le stelle, le galassie costituiscono appena il 4 percento di ciò di cui è fatto l’Universo. L’altro 96 percento è rappresentato da qualcosa che gli astronomi non sono in grado ancora di comprendere e a cui essi hanno dato i termini di materia scura ed energia scura, i due misteri più profondi della moderna cosmologia. Nel caso della materia scura, la sua esistenza si basa sull’influenza gravitazionale che essa esercita sulla materia ordinaria.


6.L’Universo contiene l’eco della sua nascita

Simulazione della radiazione cosmica di fondo misurata dal satellite Planck.
Credit: ESA/Planck

La radiazione cosmica di fondo è fatta di echi di luce che sono emersi dall’esplosione iniziale che ha dato origine all’Universo, in seguito al Big Bang, circa 13,7 miliardi di anni fa. Oggi, essa permea l’intero spazio come una sorta di ‘velo di radiazione’. Attualmente, la missione del satellite Planck sta mappando il cielo nella banda delle microonde al fine di rivelare nuovi indizi su come si è originato l’Universo. Le osservazioni effettuate da Planck sono le più precise mai realizzate e perciò gli scienziati sperano di utilizzare i suoi dati in modo da definire alcuni punti ancora oscuri della cosmologia, come ad esempio capire meglio ciò che accadde immediatamente dopo il Big Bang all’Universo delle origini.


7.L’ipotesi degli universi multipli

Le ‘tracce’ lasciate dalle collisioni che sarebbero avvenute tra ‘bolle cosmiche’. Nell’immagine (in alto a sinistra) una collisione provoca una modulazione di temperatura nella radiazione cosmica di fondo (in alto a destra). La risposta alla collisione dovuta al “blob” è identificata in basso a sinistra le cui modulazioni nella radiazione cosmica di fondo sono simulate dall’algoritmo di calcolo nell’immagine in basso a destra.
Credit: S. M. Feeney

L’idea che viviamo in un multiverso, di cui il nostro Universo è uno dei tanti, proviene da una teoria chiamata “inflazione eterna”. Questa teoria suggerisce che subito dopo il Big Bang, lo spaziotempo si espanse in modi e in regioni diverse. Secondo la teoria, ciò diede luogo alla formazione di una serie di “universi-bolla” ognuno dei quali caratterizzati da proprie leggi fisiche (post). Tuttavia, questo concetto è ancora controverso ed è rimasto solamente teorico fino alla pubblicazione di studi recenti che tentano di fornire dei metodi per rivelare la presenza di eventuali universi vicini o paralleli. Infatti, alcuni scienziati hanno tentato di analizzare in maniera approfondita e dettagliata la radiazione cosmica di fondo alla ricerca di quelle “tracce” o “segni” che possano essere ricondotti ad ipotetiche collisioni tra due universi paralleli (post). Finora, però, non state trovate chiare evidenze che possano essere associate a tali eventi. In linea di principio, se due universi vicini venissero ad una collisione essi dovrebbero lasciare una serie di ‘tracce circolari’ rivelabili nella radiazione cosmica di fondo.


Per maggiori approfondimenti: Idee sull'Universo e Enigmi Astrofisici

Il nostro Universo potrebbe far parte di un multiverso più grande

E’ stato detto più volte che il nostro Universo potrebbe essere non l’unico ad esistere là fuori ma essere uno dei tanti infiniti universi che compongono quello che viene chiamato il “multiverso”. Nonostante questo concetto possa determinare una certa incredulità, esistono delle motivazioni fisiche che giustificano, per così dire, questa affermazione. Inoltre, dobbiamo dire che non esiste un solo modo per arrivare a questa conclusione perchè altre teorie puntano tutte, e in maniera indipendente, al concetto di multiverso. Molti teorici credono, di fatto, che l’esistenza di altri “universi nascosti” o non visibili è molto più probabile di quanto venga ipotizzato diversamente. Ecco qui di seguito le cinque teorie scientifiche più plausibili che suggeriscono l’esistenza del multiverso.


 Infiniti universi

Illustrazione artistica dello spaziotempo che si estende all’infinito.
Credit: Shutterstock/R.T.Wohlstadter

Gli scienziati non sono sicuri di quale sia la forma dello spaziotempo, anche se con ogni probabilità esso ha una geometria piatta o euclidea, e si estende all’infinito. Ma se il tessuto spaziotemporale si estende indefinitivamente, ci aspettiamo che in qualche punto deve cominciare a replicarsi perché esiste un numero finito di modi con cui le particelle si possono sistemare nello spazio e nel tempo. Dunque, se si guarda abbastanza lontano, in linea teorica dovremmo incontrare un’altra replica di noi stessi o, meglio, infinite repliche di noi stessi. Alcune di queste repliche gemelle faranno esattamente ciò che noi stiamo facendo adesso mentre le altre si comporteranno in maniera completamente diversa. Ora, dato che l’Universo osservabile si estende da quando la radiazione ha cominciato ad apparire e a diffondersi nello spazio circa 13,7 miliardi di anni fa, lo spaziotempo oltre questa distanza può essere considerato come un universo vicino che si è già separato. In questo modo, esisterebbe una moltitudine di universi vicini come una sorta di gigantesco insieme di tasselli (universi) che compongono il puzzle (multiverso).


Universi a bolle  

Illustrazione artistica del concetto di universi-bolla.
Credit: Shutterstock/Victor Habbick

Oltre all’ipotesi degli universi multipli che sono creati dal tessuto dello spaziotempo che si estende in maniera infinita, altri universi potrebbero emergere da quella che viene chiamata la “inflazione eterna”. Il modello dell’inflazione afferma che l’Universo subì una rapida espansione esponenziale subito dopo il Big Bang, aumentando il suo volume di spazio come un palloncino delle feste quando viene gonfiato. L’inflazione eterna, introdotta da Alexander Vilenkin, suggerisce un processo in base al quale in alcune porzioni dello spazio l’inflazione si arresta mentre in altre prosegue e questa situazione dà luogo alla formazione di tanti “universi a bolle” isolati. In questo modo, il nostro Universo, dove l’inflazione si è arrestata permettendo la formazione di stelle e galassie, è come una sorta di piccola bolla cosmica in un immenso oceano di spazio che contiene altri universi-bolla che stanno ancora subendo il processo d’inflazione. In alcuni di questi universi-bolla, le leggi e le costanti della fisica potrebbero essere differenti dalle nostre rendendo così gli altri universi decisamente strani o magari con forme di vita aliena bizzarre.


 Universi paralleli

Illustrazione artistica del concetto di universi-membrana che fluttuano in uno spazio multidimensionale.
Credit: Shutterstock/Sandy MacKenzie

Un’altra idea che emerge dalla teoria delle stringhe si basa sul concetto dei “brana-universi”, cioè universi paralleli che giacciono sulle superfici a 11 dimensioni note come “membrane” o più semplicemente “brane”. Questa teoria è stata introdotta da Paul Steinhardt e Neil Turok come alternativa al modello cosmologico standard al fine di superare il problema della singolarità iniziale del Big Bang. Dunque, secondo la teoria delle stringhe esistono altre dimensioni spaziali nascoste, rispetto alle tre dimensioni spaziali e a quella temporale a cui siamo abituati, che danno luogo a “brane” tridimensionali che fluttuano in uno spazio multidimensionale e dove in ciascuna di esse esiste un determinato universo. Possiamo immaginare che ogni universo-brana sia come una fetta di pane che fluttua in uno spazio multidimensionale assieme a tante altre fette di pane. Queste brane non sono sempre parallele tra loro e perciò, di tanto in tanto, esse collidono causando big bang multipli ognuno dei quali causa la nascita di un nuovo universo.


 Universi figli

Credit: NASA/JPL

La meccanica quantistica, che descrive il mondo degli atomi e delle particelle elementari, suggerisce un altro modo per la formazione degli universi multipli. La teoria descrive il mondo che ci circonda in termini di probabilità e non di certezze perciò le sue equazioni matematiche implicano che tutte le possibili combinazioni di una determinata situazione potranno verificarsi nei rispettivi singoli universi. Ad esempio, se arriviamo ad un incrocio dove possiamo andare a sinistra o a destra, l’Universo in cui viviamo potrebbe dar luogo, secondo la meccanica quantistica, a due “universi-figli”: uno in cui si procede a sinistra e un altro in cui si procede a destra. Inoltre, in ogni universo esiste una nostra copia testimone di ciò che accade dell’una o dell’altra situazione, la quale crede, anche se non correttamente, che la propria realtà sia l’unica che esista.


 Universi matematici

Credit: WGBH Educational Foundation

Gli scienziati hanno a lungo dibattuto sul fatto che la matematica sia semplicemente uno strumento utile per descrivere le leggi fisiche dell’Universo o se essa rappresenti effettivamente la realtà fondamentale per cui le nostre osservazioni dell’Universo siano in definitiva percezioni imperfette della sua vera natura matematica. Se è vero il secondo caso, forse la particolare struttura matematica che sta alla base del nostro Universo non è solamente l’unica opzione e perciò tutte le possibili strutture matematiche possono esistere nei rispettivi singoli universi.


Per maggiori approfondimenti: Enigmi Astrofisici. Dal Big Bang al Multiverso

Origins of the Expanding Universe: 1912-1932

On September 17, 1912, Vesto Slipher obtained the first radial velocity of a “spiral nebula” – the Andromeda Galaxy. Using the 24-inch telescope at Lowell Observatory, he followed up with more Doppler shifts, and wrote a series of papers establishing that large velocities, usually in recession, are a general property of the spiral nebulae. Those early redshifts were recognized as remarkable by Slipher, and were critical to the discovery of what came eventually to be called the expanding Universe. Surprisingly, Slipher’s role in the story remains almost unknown to much of the astronomical community. Continua a leggere Origins of the Expanding Universe: 1912-1932

Le 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna

La cosmologia studia l’Universo ma allo stesso tempo essa rappresenta una delle discipline più creative e bizzarre della scienza. I cosmologi spesso si ‘divertono’ ad introdurre delle ipotesi, modelli e teorie fantastiche e suggestive, nella maggior parte dei casi non verificabili sperimentalmente, che tentano comunque di dare una spiegazione scientifica sull’origine dell’Universo. Vediamo allora qui di seguito una breve presentazione delle 10 teorie più ‘creative’ della cosmologia moderna.

1. Brane in collisione

Il nostro Universo potrebbe essere racchiuso in una sorta di gigantesca membrana che fluttua in uno spazio multidimensionale e che ciclicamente va in rotta di collisione con la membrana di un universo parallelo? Secondo il modello del ‘mondo-brana’ della teoria delle stringhe, esistono altre dimensioni spaziali extra dello spazio che sono solamente raggiungibili dai gravitoni mentre noi siamo confinati nel nostro universo-brana caratterizzato dalle tre dimensioni a cui siamo abituati. Neil Turok dell’Università di Cambridge e Paul Steinhardt dell’Università di Princeton hanno provato a spiegare il Big Bang come conseguenza della collisione di due brane. Queste collisioni si ripetono e danno luogo ad un nuovo ‘big bang’ perciò, se il modello ciciclo è corretto, il nostro Universo e gli altri universi potrebbero essere eterni (vedasi Idee sull’Universo).

2. Universi che evolvono

Quando la materia viene compressa fino a raggiungere densità estreme al centro di un buco nero, essa può rimbalzare all’indietro e dar luogo ad un ‘nuovo universo neonato’. Qui, le leggi della fisica potrebbero essere differenti rispetto a quelle dell’universo da cui si origina e ciò determina una sorta di evoluzione di universi, una idea suggerita da Lee Smolin del Perimeter Institute. Gli universi in cui esistono tanti buchi neri produrranno tanti universi neonati e alla fine essi saranno la popolazione dominante del multiverso. Se poi viviamo in un universo tale da possedere leggi e costanti fisiche che ottimizzano la produzione dei buchi neri, questa rimane una domanda aperta.

3. Uno spaziotempo superfluido

Una delle teorie più avanzate della moderna cosmologia suggerisce che lo spaziotempo è in definitiva una sostanza superfluida che ‘scorre’, per così dire, con una viscosità nulla. Dunque, se l’Universo è dotato di un moto di rotazione, allora lo spaziotempo superfluido dovrebbe essere caratterizzato da vortici, secondo Pawel Mazur dell’Università della Carolina del Sud e George Chapline del Lawrence Livermore Laboratories. Questi vortici rappresenterebbero quei ‘siti cosmici’ dove si sono formate le prime strutture che hanno successivamente dato luogo alla formazione delle galassie. Mazur suggerisce che il nostro Universo sarebbe nato dal collasso gravitazionale di una stella dove la combinazione della materia stellare con lo spazio superfluido avrebbero dato luogo all’energia scura, quella misteriosa forza che sta causando una accelerazione all’espansione dell’Universo.

4. Il ‘nostro’ Universo

Perché il nostro Universo possiede le “giuste” leggi della fisica da permettere l’esistenza della vita? Se le costanti fisiche fossero poche non avremmo più stelle, o materia o e, forse, l’Universo durerebbe solo un battito di ciglia. Una risposta a questa domanda è il principio antropico: in altre parole, l’Universo che vediamo deve ospitare la vita altrimenti noi non saremmo qui ad osservarlo. Di recente, questa idea ha avuto molti consensi perché il modello dell’inflazione cosmica suggerisce che dovrebbero esistere una infinità di universi là fuori e la teoria delle stringhe indica che questi infiniti universi devono essere caratterizzati da altrettante infinite leggi fisiche. Bisogna, però, dire che molti cosmologi non accettano il principio cosmologico perchè da un lato non si tratta di vera e propria scienza e dall’altro non fornisce  previsioni che possono essere verificate sperimentalmente.

5. Una questione di gravità

La materia scura potrebbe non essere in definitiva una sostanza fisica ma legata ad un diverso comportamento della forza di gravità. La teoria MOND (MOdified Newtonian Dynamics), proposta da Mordehai Milgrom, suggerisce che la gravità non diventa più debole con l’aumentare della distanza così come vuole la legge della gravitazione universale. Questa sorta di ‘gravità potente’ potrebbe sostituirsi alla materia scura che tiene unite le galassie e gli ammassi di galassie visto che altrimenti si disperderebbero nello spazio. Una nuova formulazione della teoria MOND, consistente con le osservazioni, ha raccolto vari consensi da parte degli scienziati nonostante non descriva alcune proprietà della radiazione cosmica di fondo.

6. Un ‘fantasma’ cosmico

Tre misteri della cosmologia moderna potrebbero essere considerati come un tutt’uno. Dopo la revisione della teoria della relatività generale, un gruppo di fisici hanno trovato una strana sostanza che emerge dalla loro teoria: il cosiddetto “condensato fantasma”. Questa sostanza è in grado di produrre una forza gravitazionale repulsiva che guida, per così dire, l’inflazione cosmica per poi generare una accelerazione dello spazio che viene attribuita all’energia scura. In più, se questa sostanza si aggrega può formare la materia scura (vedasi Enigmi Astrofisici).

7. Un ‘piccolo’ universo

La mappa a ‘spot’ della radiazione cosmica di fondo presenta una peculiarità sorprendente: ci sono pochi ‘spot’ di grande dimensione. Una possibile spiegazione è data dal fatto che l’Universo potrebbe essere ‘piccolo’, così piccolo che, tornando all’epoca in cui si è originata la radiazione cosmica, non è stato in grado di trattenere, per così dire, questi enormi ‘blob’. Se ciò è vero, questo vuol dire che lo spazio si deve essere ‘riavvolto’, in qualche modo, su se stesso. Ma l’ipotesi più strana è che l’Universo abbia una forma a imbuto. La curvatura dello spazio piegata all’indietro potrebbe determinare la forma geometrica degli spot di piccole dimensioni facendogli assumere forme più ellittiche come quelle ossevate.

8. Più veloci della luce

Come mai regioni opposte dell’Universo mostrano lo stesso aspetto? E’ un vero e proprio enigma dato che le regioni più distanti dell’Universo osservabile oggi non dovrebbero essere state mai in contatto tra loro. Anche se andiamo all’inizio del tempo quando queste aree di cielo si trovavano molto vicine tra loro, si pensa che non ci sia stato abbastanza tempo per cui la luce, o forse qualcosa d’altro che ignoriamo, abbia viaggiato da una regione all’altra. E questo discorso vale anche per la distribuzione della temperatura e della densità. Si pensa che una soluzione è che la luce si sia propagata molto più velocemente, anche se per ammettere una tale ipotesi dovremmo rovesciare la teoria della relatività.

9. Neutrini sterili  

La materia scura potrebbe essere costituita dalle particelle più elusive che siano mai state immaginate: i neutrini sterili. Si tratta di particelle ipotetiche, più pesanti, insomma una specie di cugini dei normali neutrini che dovrebbero interagire con la materia solo attraverso effetti di tipo gravitazionale, un processo che li rende essenzialmente difficili da rivelare. Nonostante ciò, i neutrini sterili potrebbero avere le giuste proprietà per formare la cosiddetta materia scura “tiepida” e muoversi con velocità dell’ordine di qualche chilometro al secondo. Queste particelle esotiche potrebbero poi aiutare, per così dire, la formazione delle stelle e dei buchi neri nell’Universo primordiale e potrebbero essere la causa che spinge le stelle di neutroni a girovagare attorno alla nostra galassia.

10. Come nel film..Matrix 

Forse, il nostro Universo non è reale. Il filosofo Nick Bostrom ha suggerito una ipotesi in base alla quale noi viviamo all’interno di una simulazione creata al computer. Insomma, gli universi sarebbero delle simulazioni e dunque noi siamo abbastanza fortunati a vivere all’interno di una di esse. Ma allora, tutte le stranezze cosmologiche, come la materia scura o l’energia scura, sono semplicemente degli artefatti creati apposta per mascherare alcune inconsistenze che sono presenti nella simulazione.

More info: New Scientist

A caccia dei misteri della cosmologia: la fisica di frontiera

A volte capita che gli scienziati si mettano a ridere, per così dire, quando si trovano di fronte a sfide che sembrano insormontabili. E’ il caso di quello che oggi gli astronomi considerano, forse, il più grande enigma della cosmologia moderna, l’energia scura, quella misteriosa forza che sta causando l’espansione accelerata dell’Universo (per un approfondimento vedasi Enigmi Astrofisici).

La gente non accetta il termine ‘gravità repulsiva’ dato che la caratteristica principale della gravità è, come sappiamo tutti, la sua attrazione. Dunque cosa vuol dire gravità repulsiva, forse è la stessa teoria che è repulsiva?” scherza Michael Turner direttore del Kavli Institute for Cosmological Physics  che è stato il primo a coniare il termine “energia scura” che lui stesso considera il mistero più profondo di tutta la Scienza. Risolvere questo ed altri enigmi astrofisici richiede la collaborazione di menti geniali che vadano oltre i limiti di quelle che sono le attuali teorie. Grazie ad un finanziamento di circa 17 milioni di dollari che sarà donato dalla National Science Foundation, l’Istituto Kavli si occuperà di materia scura e della teoria dell’inflazione accogliendo le menti più brillanti presso il Centro della Fisica di Frontiera. “Si tratta di tre pilastri fondamentali della moderna cosmologia che ci stanno portando verso una nuova fisica” afferma Turner. Oggi, l’Istituto Kavli sta lanciando la sua sfida del secondo decennio grazie alla collaborazione di 21 scienziati provenienti dagli USA e di 15 istituti tra i quali l’Argonne National Laboratory e il Fermi National Accelerator Laboratory. In particolare, i ricercatori degli istituti Kavli e Argonne svilupperanno alcune simulazioni su larga scala e nuovi e più sensibili rivelatori che saranno installati presso il South Pole Telescope (SPT) che studia la radiazione cosmica di fondo. I ricercatori dell’Istituto Kavli si concentreranno inoltre sul problema dell’energia scura raccogliendo dati sia dal telescopio SPT che dalla Dark Energy Survey. Quest’ultimo progetto, guidato dal Fermilab, raccoglierà dati da circa 300 milioni di galassie che sono distribuite su in intervallo temporale che copre due-terzi di storia dell’Universo. Lo scopo sarà proprio quello di misurare gli effetti dell’energia scura, importanti soprattutto per capire l’evoluzione futura ed il destino del nostro Universo.

Dalle fluttuazioni quantistiche primordiali verso la ricerca di una ‘nuova’ fisica

L’inflazione, quel brevissimo periodo di tempo in cui secondo la teoria l’Universo si è espanso in maniera esponenziale raggiungendo la sua forma attuale, rimane ancora uno dei grandi enigmi della moderna cosmologia (vedasi anche Enigmi Astrofisici). Durante questo piccolissimo intervallo di tempo, durato meno di una frazione di secondo e in cui le dimensioni dello spazio sono aumentate di un fattore circa 1078, sono avvenute altre cose molto interessanti. Si tratta delle fluttuazioni quantistiche dello spazio vuoto ossia le fluttuazioni di temperatura della radiazione cosmica di fondo che hanno prodotto in seguito le prime strutture che osserviamo oggi come galassie e/o ammassi di galassie. Ma secondo uno studio recente, alcuni teorici ritengono di aver capito il significato di quelle fluttuazioni primordiali, quello che i cosmologi chiamo lo spettro di potenza del periodo inflazionistico, dove è necessario introdurre piccole correzioni in modo da poter verificare sperimentalmente una serie di modelli della gravità quantistica includendo anche la teoria delle stringhe.

ArXiv: Model Independent Signatures of New Physics in the Inflationary Power Spectrum

Higgs o non Higgs, questo è il problema!

L’immagine mostra la simulazione al rivelatore ATLAS relativa al decadimento di un bosone di Higgs che determina la produzione di due raggi-gamma.
Credit: CERN/LHC

Il prossimo 4 luglio il CERN organizzerà a Ginevra un seminario allo scopo di annunciare gli ultimi risultati dei due più importanti esperimenti del Large Hadron Collider (LHC), ATLAS e CMS, in merito alla ricerca del bosone di Higgs. I fisici saranno dunque in attesa di capire che cosa è stato effettivamente osservato [LIVE WEBCAST].

Non sappiamo ancora cosa accadrà mercoledì 4 luglio”, afferma Ian Hinchliffe, un fisico teorico della Divisione di Fisica presso il Dipartimento di Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory a capo del gruppo dei fisici americani nell’ambito della partecipazione all’esperimento ATLAS. “Credo che si tratti di un momento molto importante al CERN e, forse, siamo arrivati ad un primo traguardo dopo tanti anni di intenso lavoro”. Lo scorso Dicembre, entrambi i rivelatori riportarono due segnali, con un leggero eccesso rispetto al rumore di fondo, consistenti con quanto ci si aspetta per il bosone di Higgs. Nella primavera di quest’anno, gli esperimenti di LHC sono ripartiti con un livello di energia più alto e i dati sono raddoppiati. Tuttavia, anche se entrambi gli esperimenti dovessero confermare ciò che hanno rivelato lo scorso anno con i nuovi dati, nessuno è certo di affermare che si tratti in definitiva del bosone di Higgs. Ma alcuni scienziati si pongono nuove domande sulle implicazioni che la scoperta o meno del bosone di Higgs possa avere, oltre a spiegare l’origine della massa delle particelle, per risolvere uno dei più grandi enigmi della cosmologia moderna: l’inflazione cosmica. I cosmologi ritengono che la particella o il campo di forze che si cela dietro l’inflazione, l’inflatone, abbia una proprietà alquanto insolita: esso genera un campo gravitazionale repulsivo. Per far sì che lo spazio aumenti il proprio volume in un intervallo di tempo molto piccolo, i teorici ipotizzano che l’energia del campo deve essersi modificata attraverso lo spazio nel corso tempo, cioè da un valore elevato ad un valore più basso quando alla fine del processo l’espansione inflazionistica è terminata. Ora, il punto è che non sappiamo ancora molto sull’inflazione e alcuni critici si domandano se effettivamente sia avvenuta. Per discriminare tra vari scenari, i cosmologi hanno cominciato ad analizzare i dati della radiazione cosmica di fondo che, però, non ci permettono di avere indizi definitivi sulla natura stessa dell’inflazione cosmica. Altri teorici, invece, ritengono che LHC potrebbe essere la chiave di svolta per capire se il periodo della rapida espansione esponenziale dello spazio sia effettivamente avvenuto, anche se alcuni scettici sono convinti che ciò non sarà possibile in quanto le energie in gioco per poter “verificare” l’inflazione sono dell’ordine di 1050 volte superiori a quelle di LHC. Ma dato che l’intensità del campo inflatone si è modificata diminuendo nel corso del tempo, gli scienziati ritengono che LHC abbia comunque quell’energia necessaria per riprodurre i momenti finali dell’epoca inflazionistica. “L’idea che il bosone di Higgs possa guidare l’inflazione è possibile solo se la sua massa cade all’interno di un determinato intervallo di valori che sono osservabili da LHC”, spiega Mikhail Shaposhnikov della École Polytechnique Fédérale di Lausanne in Svizzera. Inoltre, c’è da dire che non solo il campo inflatone ma anche il campo di Higgs si è modificato nel tempo. Ora, l’inventore, per così dire, della teoria inflazionistica, Alan Guth, ha assunto originariamente che l’inflazione fosse guidata da un campo di Higgs che emerge nell’ambito di una teoria di grande unificazione. La parte interessante dei modelli inflazionistici che si basano sul campo di Higgs è che tali modelli potrebbero spiegare l’inflazione proprio nell’ambito del modello standard delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali. Tuttavia, quando si prendono in considerazione questi modelli, l’energia del campo di Higgs decresce troppo rapidamente e perciò non è in grado di generare quelle fluttuazioni che sono osservate nella radiazione cosmica di fondo. Dunque, occorre ammettere l’esistenza di altri campi per tener conto di tutti gli effetti dovuti all’inflazione. Ad esempio, un modello inflazionistico di Higgs proposto da Shaposhnikov e Fedor Bezrukov dell’University of Connecticut elimina il problema di introdurre campi di forze extra e suggerische che Higgs interagisce con la gravità in maniera diversa rispetto alle altre particelle. Ciò permetterebbe al campo di Higgs di mantenere la sua energia più a lungo in modo da determinare l’Universo che osserviamo oggi. Anupam Mazumdar della Lancaster University in Inghilterra suggerisce, invece, che altre particelle potenzialmente rivelate da LHC potrebbero fornirci nuovi indizi sull’inflazione. Questi modelli alternativi si basano sulla supersimmetria, la teoria che correla i due tipi fondamentali di particelle, cioè i fermioni e i bosoni. La rivelazione da parte di LHC delle cosiddette “s-particelle” sarebbe un passo importante per la soluzione di un altro grande enigma della cosmologia legato alla materia scura di cui il neutralino, un tipo di s-particella, potrebbe essere un buon candidato. Secondo Mazumdar, se l’inflatone è una s-particella allora l’energia del campo inflatone deve essere terminata con un valore basso di densità di energia potenzialmente rivelabile da LHC; nel caso contrario, l’inflatone può aver generato un rapporto di densità di materia normale su materia scura più basso rispetto a quello che osserviamo oggi nell’Universo. “In definitiva, se LHC rivelerà il bosone di Higgs e nient’altro, per me l’inflazione può essere spiegata in termini del campo di Higgs”, afferma Shaposhnikov. “Se poi LHC rivelerà le particelle supersimmetriche o un nuovo fenomeno fisico, secondo me il modello non sarà poi così attraente. Vedremo cosa accadrà dopo il seminario del 4 luglio!”. Ad ogni modo, Guth crede che molto probabilmente l’energia del campo inflatone vada ben al di là di quelle che sono le capacità di LHC. “Anche se non lo sappiamo, rimane tuttavia molto eccitante il fatto che LHC possa rivelare quei campi di forze che hanno causato l’inflazione” dichiara Guth.

Certo è che qualsiasi notizia arrivi dal CERN il prossimo 4 luglio, gli indizi e le indicazioni finora ottenuti sono proprio all’inizio della ricerca del bosone di Higgs. Si tratta di un lungo viaggio di scoperte verso una fisica ancora inesplorata nell’ambito della supersimmetria, della materia scura, dei mini buchi neri, delle dimensioni extra dello spazio e di altri fenomeni di cui ignoriamo totalmente la loro origine e natura [LIVE WEBCAST].

Per approfondire questo ed altri argomenti: Enigmi Astrofisici – Dal Big Bang al Multiverso

Esplorando l’Universo delle origini

Cosa è accaduto durante il Big Bang? Come ha avuto l’origine del tempo? Queste sono solo alcune delle domande a cui potrebbe fornire una risposta la prossima missione spaziale che avrà il compito di analizzare la radiazione fossile generata dalla grande esplosione iniziale spingendosi indietro nel tempo fino al primo trilionesimo di secondo dopo il Big-Bang.

Mentre gli scienziati stanno dibattendo sulle questioni teoriche, uno nuovo e sofisticato strumento di indagine scientifica potrebbe fornire la “prima evidenza diretta” sulla nascita dell’Universo. Una volta entrato nella fase operativa, il Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS), costato circa 7 miliardi di dollari, comincerà ad esplorare la radiazione fossile del fondo al fine di studiare la presenza di tracce di radiazione polarizzata che gli scienziati credono sia un segnale del passaggio di onde gravitazionali che a causa dell’espansione dell’Universo hanno prodotto delle distorsioni nella struttura dello spaziotempo. “Ciò rappresenta un grande passo nella capacità di effettuare misure sperimentali” dichiara l’astrofisico Charles Bennett della John Hopkins University. “Avremo la possibilità, si spera, di ottenre una immagine ‘diretta’ di come doveva apparire l’Universo durante quelle epoche primordiali. In altre parole, stiamo cercando qualcosa come 30 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto in presenza di altri segnali che creano un forte disturbo” spiega Alan Kogut della NASA, responsabile del progetto noto come PIPER, uno strumento di tipo CLASS a bordo di un pallone aerostatico. “E’ peggio che la ricerca dell’ago nel pagliaio e con la debolissima radiazione che riusciremo a catturare saremo in grado di avere nuove informazioni su come è nato Universo” aggiunge Bennett. CLASS e PIPER sono gli strumenti di nuova generazione che saranno dedicati all’analisi dellaradiazione cosmica di fondo generata dal Big-Bang così come hanno già fatto in precedenza il Cosmic Background Explorer (COBE) e il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). “In termini della teoria inflazionistica“, conclude Bennett, “potrei definire questa missione come la più importante e la più significativa di tutte, quella che dovrebbe fornirci la prova provante“.

L’Universo in un ‘buco di tarlo’

Una recente ipotesi teorica suggerisce che il nostro Universo risiedere all’interno di un “buco di tarlo”, o wormhole, che a sua volta sarebbe parte di un buco nero supermassiccio che si trova all’interno di un universo ancora più grande. Questo scenario in cui l’Universo è nato all’interno di un wormhole, altresì noto come ponte di Einstein-Rosen, è stato avanzato dal fisico teorico Nikodem Poplawski dell’Indiana University il quale, basandosi sulla geometria euclidea, ha costruito un modello per descrivere il moto geodetico di una particella nel campo gravitazionale di un buco nero.

Nello studiare il moto radiale attraverso l’orizzonte degli eventi relativo a due tipi di buchi neri, uno di tipo Schwarzschild e l’altro di tipo Einstein-Rosen, entrambi i quali rappresentano soluzioni matematiche della relatività generale, Poplawski ammette che solo un esperimento o una osservazione possono rivelare il moto di una particella che cade in un buco nero. Inoltre, egli afferma che dato che gli osservatori possono solamente vedere le regioni esterne di un buco nero, quelle più interne non possono essere osservate a meno che un osservatore non vi entri o non risieda all’interno di esso. “Questa condizione sarebbe soddisfatta se il nostro universo fosse all’interno di un buco nero che esista, a sua volta, all’interno di un universo più grande” afferma Poplawski. “Dato che la teoria della relatività generale di Einstein non sceglie una direzione preferenziale del tempo, se un buco nero si forma dal collasso gravitazionaledella materia attraverso l’orizzonte degli eventi nel futuro, allora il processo inverso è possibile. In altre parole, questo processo descriverebbe la formazione di un “buco bianco” con la materia che emerge dall’orizzonte degli eventi nel passato, come l’Universo in espansione”. Un buco bianco è connesso a un buco nero mediante il ponte di Einstein-Rosen, appunto il wormhole, e rappresenta ipoteticamente l’inversione temporale di un buco nero. L’idea di Poplawski vuole che tutti i buchi neri, non solo quelli del tipo Schwarzschild o del tipo Einstein-Rosen, abbiano i ponti di Einstein-Rosen, ognuno con un proprio universo che si è formato contemporaneamente con il buco nero. “Da ciò segue che il nostro Universo potrebbe essersi formato all’interno di un buco nero che esiste all’interno di un altro universo più grande” spiega Poplawski. Dunque, applicando il modello del collasso gravitazionale isotropo di una sfera e le attuali leggi della fisica agli altri buchi neri, l’ipotesi di assumere la nascita del nostro Universo all’interno di un buco di tarlo permetterebbe di risolvere i problemi che gli scienziati si trovano ad affrontare con il Big Bang e con il problema relativo alla perdita di informazione del buco nero che prevede, infatti, che tutta l’informazione contenuta nella materia sia persa quando essa attraversa l’orizzonte degli eventi, sfidando le leggi della meccanica quantistica. Infine, lo stesso Poplawski è convinto che il suo modello potrebbe spiegare l’origine dell’inflazione cosmica.

C’è da dire, però, che una delle proprietà note sui wormhole è che sono altamente instabili e dovrebbero collassare istantaneamente anche quando la più piccola quantità di materia, come un singolo fotone, provi ad attraversarlo. Ma come si fa a provare tutto ciò? Bene, per vedere se un oggetto può viaggiare attraverso un wormhole, l’osservatore dovrebbe stare all’interno dello stesso dato che le regioni interne non possono essere osservate dall’esterno. Una possibile soluzione è che un certo tipo di materia esotica potrebbe non fare collassare il wormhole perciò dovremmo creare o essere fatti di materia esotica per mantenerlo aperto. Ma, come afferma lo stesso Poplawski, se il wormhole fa parte di un buco nero che si trova all’interno di un universo ancora più grande allora il processo potrebbe funzionare.

[Abstract: Radial motion into an Einstein–Rosen bridge]