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Oscilloni, le fluttuazioni dell’Universo primordiale

La figura mostra una simulazione delle perturbazioni primordiali note come oscilloni. Queste fluttuazioni avrebbero avuto luogo nella fase successiva al periodo inflazionistico.
Credit: Amin, et al. ©2012 American Physical Society

Onde ben localizzate che emergono e scompaiono senza dissipare energia, note come “oscilloni”, potrebbero aver dominato l’Universo primordiale subito dopo la fase inflazionistica. E’ quanto emerge da studi recenti condotti da alcuni fisici del MIT, dell’Università di Yale e dall’Università di Stanford che hanno realizzato una serie di simulazioni basate su diversi modelli inflazionistici. I risultati suggeriscono la formazione di una notevole quantità di oscilloni che potrebbero aver causato la formazione di ulteriori effetti gravitazionali durante le fasi iniziali della storia evolutiva dell’Universo, anche se non è ancora chiaro il fatto che tali effetti possano essere osservati direttamente oggi.

Così come viene spiegato nel loro articolo, queste onde denominate oscilloni sono eccitazioni massicce, di lunga durata, di un campo scalare e sono ben localizzate cioè non si disperdono come le solite perturbazioni prodotte dalla caduta, ad esempio, di un sasso in uno stagno. La particolarità di queste fluttuazioni è che esse possono essere presenti, in questo caso hanno la forma di una collina, o assenti, in questo caso hanno la forma di un cratere, mantenendo sempre lo stato del campo spazialmente uniforme. Inoltre, è stato notato che se non vengono disturbati, gli oscilloni possono continuare ad emergere e a scomparire oscillando per centinaia di migliaia di volte. Ma il risultato più importante che emerge dalle simulazioni è che il periodo successivo all’inflazione, cioè la fase di rapida espansione esponenziale che accadde subito dopo il Big Bang, viene seguito da una fase di auto-risonanza che genera un grande numero di oscilloni. E’ come se alla fine del periodo inflazionistico l’energia del campo inflatone, cioè il campo che ha causato l’inflazione producendo uno stato di oscillazione sincronizzata ed omogenea, andasse a frammentarsi formando tanti piccoli stati instabili e disomogenei: è proprio questo passaggio che i fisici chiamano auto-risonanza. Infine, le simulazioni suggeriscono che gli oscilloni sarebbero esistiti per un tempo necessario affinchè il volume di spazio aumentasse di un fattore 100 o, forse, più. Questo periodo dominato dalla presenza degli oscilloni potrebbe alterare la nostra visione dell’Universo tra l’epoca in cui termina l’inflazione e quella in cui diventa dominante la radiazione elettromagnetica. Infine, gli scienziati hanno trovato che questa fase dominata dagli oscilloni primordiali avrebbe influito anche sulle fluttuazioni di densità accelerando, per così dire, con la comparsa di nuovi effetti gravitazionali quei processi che portarono alla formazione delle prime strutture cosmiche.

ArXiv: Oscillons after Inflation

Il tempo, una ‘freccia’ verso il futuro

Questi sono anni d’oro per la cosmologia moderna perché stiamo acquisendo tutta una serie di informazioni grazie soprattutto all’enorme flusso di dati astronomici che ci arrivano continuamente dagli osservatori terrestri ma soprattutto dai telescopi spaziali. Tuttavia, parafrasando un noto proverbio, potremmo dire che non è tutta la materia che brilla a rappresentare l’Universo osservabile dato che essa costituisce appena il 4% del contenuto materia-energia. Oggi sappiamo, infatti, che circa il 96% dell’Universo è caratterizzato da due componenti dominanti, a cui gli scienziati hanno dato i termini materia scura ed energia scura, di cui ancora ignoriamo la loro vera origine e natura. L’una, la materia scura, funge da scheletro su cui si aggregano le galassie e gli ammassi di galassie mentre l’altra, l’energia scura, permea tutto lo spazio ed esercita una forza di tipo antigravitazionale creando sempre più spazi vuoti. Ma a questi due misteri cosmologici ne dobbiamo aggiungere un altro che è relativo all’asimmetria del tempo, oggi il tema principale di questo articolo. Perché ci ricordiamo il passato e non il futuro? Che relazione ha il tempo con l’entropia del “sistema Universo” e con la gravità? Direi che è arrivato il tempo di fare il punto su questi temi ma per tentare di rispondere a queste domande dobbiamo necessariamente andare alle origini, al momento della singolarità iniziale, il Big Bang, da dove tutto è cominciato, e da dove sono emersi lo spazio, la materia, l’energia e il tempo.

Il modello cosmologico standard rappresenta il quadro migliore che ci permette di descrivere l’evoluzione dell’Universo subito dopo il Big Bang. Secondo questo modello, circa 13,7 miliardi di anni fa una grande esplosione diede origine allo spazio nel quale la materia, inizialmente presente sottoforma di un “plasma primordiale” di particelle e radiazione, si aggregò successivamente, man mano che lo spazio si espandeva e si raffreddava, per formare le prime stelle e le prime galassie dando luogo a tutte quelle strutture che possiamo ammirare oggi. Queste strutture sono “appoggiate”, per così dire, su una sorta di “impalcatura cosmica” costituita dalla cosiddetta materia scura, mentre lo spazio si espande, in maniera accelerata, creando sempre più vuoti grazie all’azione esercitata da una forma di energia misteriosa, chiamata energia scura, che permea tutto lo spazio e la cui densità non sembra diminuire. In tutto ciò c’è qualcosa che non riusciamo a comprendere, un problema cosmologico noto come asimmetria del tempo. E’ noto dalle leggi della fisica che ai livelli più fondamentali i fenomeni fisici non distinguono tra passato e futuro eppure l’Universo “neonato”, caldo, denso ed omogeneo, è completamente diverso da quello di oggi, freddo, diradato ed eterogeneo. Se utilizziamo il linguaggio della termodinamica, possiamo dire che agli inizi l’Universo era ordinato ed è diventato sempre più disordinato nel corso della sua evoluzione. In tal senso, l’asimmetria del tempo, nota anche come “freccia del tempo” che punta dal passato al futuro, rappresenta la caratteristica più bizzarra che i cosmologi non riescono ancora a spiegare del tutto.

Ma allora da dove cominciamo? Proviamo a partire dalle leggi fisiche a noi note e consideriamo una grandezza fisica che abbiamo imparato a studiare sin dal liceo: l’entropia. Di solito per esprimere il concetto della freccia del tempo, i fisici prendono in considerazione il secondo principio della termodinamica che afferma che in un sistema chiuso l’entropia non diminuisce mai. Di fatto, a scuola ci insegnano che l’entropia è la misura del disordine di un sistema fisico ma, per essere più precisi, dobbiamo ricordare che nel 19° secolo Ludwig Boltzmann spiegò l’entropia in termini di distinzione tra il microstato ed il macrostato di un oggetto. In altre parole, ad un particolare macrostato corrispondono tanti microstati diversi, dunque possiamo dire che l’entropia equivale al numero di microstati diversi che corrispondo allo stesso macrostato. Se, ad esempio, immaginiamo di versare latte nel caffè, avremo tantissimi modi di distribuire le molecole in modo tale che latte e caffè siano completamente mescolati e ce ne saranno relativamente pochi tali che il latte sia separato dal caffè. Questo vuol dire allora che la miscela, latte e caffè, avrà una entropia maggiore. Infatti, gli stati ad entropia maggiore risultano molti di più di quelli che hanno una entropia minore semplicemente perché sono più probabili ed è per questo motivo che il latte si mescola al caffè e non succede mai che se ne separi. Qualcuno di voi ha avuto questa seconda esperienza? Credo proprio di no! Ma se aspettassimo un tempo molto lungo tale per cui le molecole si separino spontaneamente dalla miscela forse dovremmo attendere un tempo maggiore rispetto all’età stessa dell’Universo proprio per il fatto che questo processo è statisticamente improbabile. Chi vuole provare? Questi ragionamenti ci portano a concludere che la freccia del tempo descrive la tendenza dei sistemi fisici ad evolvere verso uno dei numerosi stati naturali caratterizzati da una elevata entropia.

Un altro problema che non comprendiamo è il comportamento dell’entropia quando è presente la gravità. Secondo la teoria generale della relatività, la gravità viene spiegata come la distorsione dello spaziotempo che crea attorno a sé un corpo dotato di grande massa. Purtroppo non abbiamo ancora una teoria della gravità su scale atomiche che spieghi in maniera soddisfacente lo spaziotempo. Tuttavia, sappiamo, approssimativamente, come evolve l’entropia in presenza della gravità. Nell’esempio precedente della tazzina di caffè, dove la gravità si può considerare trascurabile, la distribuzione uniforme delle particelle ha una entropia elevata ed il sistema si trova in equilibrio. Anche se le particelle vengono rimescolate, esse sono già mescolate a sufficienza ed in maniera omogenea che da un punto di vista macroscopico non sembra accadere nulla. Se, invece, la gravità diventa importante allora una distribuzione omogenea avrà una entropia più bassa per un determinato volume fissato. In questo caso, il sistema non è in equilibrio. Dunque sappiamo che la gravità fa si che le particelle si aggreghino per formare strutture complesse come pianeti, stelle, galassie e l’entropia aumenta di conseguenza in accordo con il secondo principio della termodinamica. Oggi sappiamo che lo spazio si espande accelerando grazie all’azione esercitata dall’energia scura che se non diventerà meno densa porterà le galassie sempre più lontane le une dalle altre al punto che esse non saranno più visibili. Insomma, pare che l’Universo diventerà un posto desolato, sempre più vuoto e solo allora si potrà raggiungere lo stato di massima entropia. Solo allora l’Universo raggiungerà l’equilibrio e non succederà più nulla. Ma questo significa che lo spazio vuoto ha sorprendentemente il valore massimo di entropia, è un po’ come dire che la libreria più disordinata è quella più vuota.

Ma torniamo alla parte più strana e cioè alla netta differenza che esiste tra passato e futuro. Crediamo che l’entropia dell’Universo alle origini sia stata estremamente bassa, le particelle erano distribuite in maniera omogenea, poi essa ha acquisito un valore medio, man mano che lo spazio ha cominciato ad espandersi, mentre si formavano le strutture irregolari che osserviamo oggi come stelle, galassie e ammassi, per raggiungere alla fine uno stato di massima entropia, quando cioè lo spazio diventerà sempre più vuoto. Ma la domanda rimane: perché il passato deve essere così diverso dal futuro? In realtà non lo sappiamo. Ciò che possiamo dire è che o consideriamo l’asimmetria temporale come una proprietà intrinseca dell’Universo che è impossibile da spiegare oppure dobbiamo ancora capire più in profondità le proprietà dello spazio e del tempo. Alcuni cosmologi hanno tentato di spiegare l’asimmetria del tempo dovuta all’inflazione, il modello introdotto da Alan Guth in base al quale l’Universo appena nato subì improvvisamente una rapida espansione esponenziale che diede “forma”, per così dire, al volume dello spazio spiegando così alcune proprietà osservative come, ad esempio, l’eccezionale uniformità della densità di materia in regioni dello spazio lontane tra loro. Ma questo processo viene invocato come una sorta di trucco per spiegare l’asimmetria temporale.

Un’altra spiegazione dell’asimmetria del tempo è quella di considerare il passato non necessariamente diverso dal futuro. Forse, il passato più distante, come il futuro, è di fatto uno stato caratterizzato da un valore elevato di entropia. Ma se è così, lo stato caldo e denso, cioè l’Universo delle origini, non sarebbe il vero inizio bensì uno stato di transizione tra due fasi della sua storia. Alcuni modelli ipotizzano che l’Universo abbia subito una sorta di “rimbalzo”. Prima di questo evento, lo spazio si stava contraendo e anziché collassare in una singolarità sono intervenuti di proposito alcuni processi fisici, che coinvolgono la gravità quantistica, o la teoria delle stringhe, o le dimensioni extra, o ancora qualche fenomeno di natura esotica, che hanno “salvato” la situazione e l’Universo è riemerso attraverso il Big Bang in tutto ciò che vediamo oggi. Tuttavia, questi modelli cosmologici del rimbalzo non spiegano la freccia del tempo.

Un’altra soluzione all’enigma dell’asimmetria del tempo si basa sull’ipotesi secondo la quale oggi noi vediamo solo una piccola zona della situazione complessiva il cui paesaggio più vasto è completamente simmetrico rispetto al tempo. In questo modello, nello spazio vuoto le fluttuazioni quantistiche in entrambe le direzioni del tempo, passato e futuro, danno luogo a tanti universi neonati, ognuno dei quali è caratterizzato da una freccia del tempo, che a loro volta si svuotano e generano altri universi. Su scale cosmologiche estremamente grandi, un tale tipo di universo apparirebbe statisticamente simmetrico rispetto al tempo. Il concetto di un universo con una freccia del tempo invertita potrebbe sembrare bizzarro e preoccupante. Cosa accadrebbe se incontrassimo un viaggiatore del tempo che proviene da questo tipo di universo: ricorderebbe il futuro? In realtà questo tipo di incontri sono altamente improbabili, dato che stiamo parlando di universi infinitamente lontani, addirittura prima del Big Bang. Tra noi e questi universi, sembra esistere una sorta di “terra di nessuno” dove il tempo non scorre per niente, cioè non esiste la materia e l’entropia non si evolve. Un essere che vivrebbe in questo universo dove la freccia del tempo è diretta verso il passato, non nascerebbe vecchio né morirebbe giovane. Dal suo punto di vista il tempo scorrerebbe in modo convenzionale, il nostro passato sarebbe il suo futuro e viceversa. Comunque sia, possiamo stare tranquilli dato che un incontro di questo tipo è del tutto ipotetico, noi non possiamo certamente raggiungerli nè loro possono raggiungere noi.

Per concludere, forse l’idea della freccia del tempo come caratteristica osservabile del nostro Universo può fornirci degli indizi sulla natura dell’Universo non osservabile. Infatti, se l’Universo osservabile fosse tutto ciò che esiste allora sarebbe impossibile spiegare in maniera naturale la freccia del tempo. Se, però, l’Universo attorno a noi è solo una piccola porzione di un paesaggio più vasto, possiamo avere nuove possibilità di esplorare quello che non riusciamo a vedere oggi. In altre parole, possiamo considerare il nostro orizzonte come un pezzo di un puzzle di un sistema più grande la cui entropia aumenta senza limiti sia verso il passato che verso il futuro.

Sì certo, tutto molto bello, ma come facciamo ad osservare la freccia del tempo? Beh, basta versare del latte in una tazzina di caffè e mescolare, questa azione ci porterà direttamente alle origini dell’Universo e, forse, oltre i suoi confini.

Una sequenza di collisioni tra universi multipli

I ‘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

Il miglior modello per descrivere la nascita e l’evoluzione del nostro Universo è noto come modello cosmologico standard, in base al quale lo spazio, il tempo, la materia e l’energia si originarono da una colossale esplosione iniziale, il Big Bang, seguita da un periodo di rapida espansione accelerata, l’inflazione. Forse, questo è stato solo l’inizio ma da qualche tempo gli scienziati si chiedono cosa sia successo prima, insomma quali sono state le condizioni iniziali dalle quali ha avuto origine l’Universo dove viviamo.

Con uno studio recente condotto da un gruppo di ricercatori guidato da Stephen Feeney (articolo scientifico 1articolo scientifico 2), sono stati rivelati nella radiazione cosmica di fondo quattro “tracce” circolari la cui formazione risulta statisticamente improbabile. I ricercatori ritengono che queste “impronte” possano essere associate a quattro interazioni che il nostro Universo avrebbe avuto nel passato con altri universi. Se ciò si dimostrerà vero, potrebbe essere la prima evidenza che i multiversi sono una realtà. L’idea che esistano tanti universi non è nuova dato che gli scienziati hanno già suggerito che viviamo in una sorta di multiverso che consiste di infiniti universi. Il concetto di multiverso nasce dall’idea della cosiddetta ‘inflazione eterna’ in cui parti diverse dello spazio sono soggette a diverse fasi inflazionarie creando un insieme di “bolle cosmiche” ognuna delle quali rappresenta un universo caratterizzato da proprie leggi fisiche. Come suggerisce il termine, l’inflazione eterna avviene infinite volte, crea infiniti universi che danno luogo al multiverso. Questi infiniti universi vengono chiamati “universi a bolle” anche se hanno forme non esattamente rotonde o circolari, e possono muoversi facendo sì che, di tanto in tanto, accadano delle collisioni con altre bolle cosmiche. Queste collisioni producono delle increspature all’interno dell’universo bolla e possono apparire come “tracce” nella radiazione cosmica di fondo, anche se queste idee devono comunque essere verificate sperimentalmente.

Gli scienziati sperano che la ricerca di queste collisioni delle bolle cosmiche fornisca degli indizi sulla storia dell’Universo a prescindere dal fatto che esse siano, o meno, reali. Comunque sia, l’assenza di queste tracce nella radiazione cosmica di fondo implicherebbe porre limiti più stringenti ai modelli che si basano sull’inflazione eterna. Se poi si dimostrerà il contrario, avremo acquisito non solo nuove informazioni sul nostro Universo ma addirittura sull’esistenza di un possibile multiverso.

ArXiv 1: First Observational Tests of Eternal Inflation

ArXiv 2: First Observational Tests of Eternal In ation: Analysis Methods and WMAP 7-Year Results

Alla ricerca della vita in altri universi

Da oltre cinquant’anni una delle domandi più affascinanti a cui gli astronomi cercano di rispondere riguarda il fatto se siamo soli nell’Universo, se c’è qualcuno lì fuori che attende di essere trovato. In alcuni precedenti post ho parlato del programma SETI e di pianeti extrasolari intendendo la ricerca della vita nell’Universo come noi la conosciamo, o meno, sia in termini dell’esistenza di civiltà intelligenti che di forme di vita più elementari. Ma oggi ci spingiamo oltre e ci chiediamo se questo problema si possa estendere al di fuori dell’Universo in cui viviamo, cioè se ha senso domandarsi che la vita può esistere, in qualche modo, in altri universi.

La necessità di rispondere a questa domanda nasce dal problema di capire il significato più intrinseco della costante cosmologica per cui alcuni scienziati, come Steven Weinberg e Martin Rees, hanno preso in considerazione il cosiddetto principio antropico. Infatti, se assumiamo che il nostro Universo è uno dei tanti infiniti multiversi che sono disconnessi dal nostro, ognuno dei quali è caratterizzato da proprie costanti della natura e dove l’energia del vuoto assume valori diversi, ci si chiede quale dovrebbe essere il valore della costante cosmologica affinchè in uno dei tanti universi evolva la vita. Di recente, Alejandro Jenkins ,dell’Università Statale della Florida, e Gilad Perez, del Weizmann Institute of Science in Israele, hanno introdotto una ipotesi provocativa in base alla quale l’esistenza di forme di vita intelligenti, cioè capaci di studiare i processi fisici, impone dei limiti sulle possibili leggi fisiche. “La nostra vita qui sulla Terra, e tutto ciò che conosciamo dell’Universo intorno a noi, dipende da un preciso insieme di condizioni che ci permettono di esistere“, dice Jenkins. “Per esempio, se le forze fondamentali della natura fossero state leggermente diverse, con ogni probabilità gli atomi non si sarebbero formati”, continua Jenkins. “Dunque come mai deve essere così?

Il modello dell’espansione inflazionaria, sviluppato negli anni ’80 allo scopo di risolvere alcuni problemi della cosmologia osservativa, ci dice che il nostro Universo è uno dei tanti che è emerso dal vuoto primordiale. Anche se non abbiamo modo di vedere gli altri universi è plausibile ritenere che questi abbiano proprie leggi fisiche. Dunque non sarebbe un mistero il fatto che noi viviamo in un universo, diciamo, “raro” dove le condizioni fisiche sono quelle ideali per permettere l’esistenza della vita. E’ un po’ come cercare la vita su altri mondi alieni e chiedersi come mai sul nostro pianeta esistano le condizioni giuste per lo sviluppo di forme organiche. In questo senso, Jenkins e Perez hanno provato a modificare le leggi fondamentali della fisica assumendo di “togliere”, per così dire, l’elettromagnetismo o la gravità e vedere cosa succede. In alcuni casi i risultati permettono, sia pure ipoteticamente e con condizioni decisamente differenti da quelle presenti nel nostro Universo, la possibilità che la vita possa esistere in altri universi anche se essi sono caratterizzati da complicate e differenti strutture fisiche. Il fatto poi di capire che tipo di vita ci dobbiamo aspettare è un’altra storia. Questo ci porta a chiedersi se effettivamente il principio antropico sia o meno utile quando pensiamo a ciò che il multiverso potrebbe in definitiva contenere.

Naturalmente si tratta di idee speculative, sebbene alquanto intriganti, che i cosmologi cercano di portare avanti per avere una visione più grande così come l’idea, in particolare, dell’esistenza di universi parallelirisulta a molti scienziati alquanto affascinante. Ritornando alla costante cosmologica, possiamo concludere dicendo che gli universi in cui l’energia del vuoto è molto più grande sono comuni ma si espandono troppo rapidamente per formare stelle, pianeti e la stessa vita, mentre invece gli universi il cui valore dell’energia del vuoto è troppo piccolo sarebbero rari, dunque il nostro Universo sarebbe quello ottimale dove la costante cosmologica assume un valore compatibile con quello attuale. Ma allora siamo soli? Forse i risultati di Jenkins e Perez potrebbero indicare il fatto che il nostro Universo non sia abbastanza “regolato”, per così dire, per permettere lo sviluppo della vita come si è creduto in precedenza.