Quei ‘fossili’ cosmici dell’Universo primordiale

Circa 13,8 miliardi di anni fa, il nostro Universo emerse da una sorta di “puntino quantico” il cui volume si espanse, secondo alcune stime, di un milione di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di trilioni di volte in meno di un miliardesimo di un trilionesimo di trilionesimo di secondo. Da qui in poi, l’Universo continuò ad espandersi ad un ritmo meno violento, almeno secondo le leggi della fisica così come le conosciamo. Questa è la storia dell’inflazione cosmica, la versione più moderna del modello del Big Bang. Questa singola fase di rapida espansione esponenziale dell’Universo descrive molto bene gli attuali dati cosmologici e tiene conto dell’immensità dello spazio, della sua regolarità e forma geometrica spazialmente piatta su larga scala e della mancanza di direzioni privilegiate. Tuttavia, l’inflazione non spiega come e perchè abbia avuto inizio l’Universo. Le domande che essa solleva, e cioè perchè si ebbe questa rapida espansione dello spazio, come sia avvenuta o che cosa sia eventualmente accaduto prima, hanno confuso gli scienziati sin da quando venne proposta la teoria negli anni ’80.

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Esplorando i ‘limiti’ del sapere astronomico

Fino a quale distanza possiamo osservare l’Universo? Quali sono i limiti delle scale miscroscopiche verso le quali ci possiamo spingere? Ancora, quali sono i limiti fondamentali che siamo in grado di raggiungere? Sono solo alcune delle domande a cui tenteranno di dare delle risposte un gruppo di scienziati australiani che sono riuniti in questi giorni all’Australian Academy of Science a Canberra, in Australia, in una conferenza dal titolo The Edges of Astronomy.

Un solo universo o infiniti universi?

Ricollegandomi al precedente post sul tema degli universi multipli, dove ho discusso il concetto di multiverso, volevo segnalare oggi l’interessante libro di Alex Vilenkin, Un solo mondo o infiniti? Alla ricerca di altri universi, edito da Cortina Raffaello .

Vilenkin è uno dei cosmologi di fama mondiale. Egli ha scritto una lunga serie di articoli che riguardano il modello dell’espansione inflazionistica che si basano sull’idea secondo cui l’Universo potrebbe contenere alcuni difetti topologici dovuti a transizioni di fase, così come vengono descritte dalla teoria delle particelle  e dalla cosmologia quantistica. Oggi il modello inflazionistico mette in risalto una serie di domande quali: Perché lo stato fisico primordiale era così caldo e denso? Come e perché l’Universo si è espanso? Cosa c’era prima del Big Bang? “Il nostro orizzonte cosmico è di 13,7 miliardi di anni-luce e oltre questo orizzonte ci potrebbero essere, forse, altri universi con leggi fisiche completamente diverse dal nostro“, dice Vilenkin. A differenza dei suoi predecessori, egli promuove il concetto d’inflazione eterna e le sue implicazioni che essa determina per il principio antropico. L’idea di Vilenkin è che l’inflazione abbia avuto un inizio ma rimane eterna, producendo in continuazione universi paralleli come vere e proprie “bolle cosmiche”. “Si ritiene che l’inflazione sia quasi terminata nella nostra regione di Universo mentre invece continua in altre regioni dello spaziotempo dando luongo ad un numero infinito di bolle“, aggiunge Vilenkin. Quasi metà del libro è dedicato alla descrizione del modello cosmologico standard e la sua estensione all’espansione inflazionistica. In molti modelli inflazionistici c’è un argomento associato alle fluttuazioni quantistiche di un campo scalare, l’inflatone, per cui ci saranno sempre regioni dello spaziotempo che sono soggette all’inflazione e altre in cui essa non avviene e, in un sottoinsieme di queste, esisteranno universi che hanno proprietà piuttosto simili al nostro Universo. Dunque, date le assunzioni basi della teoria quantistica dei campi, l’inflazione eterna sembra quel processo più ragionevole rispetto ai tanti modelli inflazionistici proposti anche se non è del tutto assodato. Se l’inflazione eterna ha luogo, allora Vilenkin è convinto che esisteranno infinite configurazioni di universi ognuno dei quali saranno caratterizzate da proprie costanti fisiche della natura. Se tutto questo poi sia vero oppure no dipenderà dal modello, dalla natura stessa del campo inflatone e dai dettagli della teoria quantistica della gravità. A tal proposito, Vilenkin affronta una parte del libro dando una breve descrizione della teoria delle stringhe. Ma a mio parere, non ci dobbiamo dimenticare che la Fisica è una disciplina osservativa, basata sul metodo sperimentale. Oggi non siamo in grado di osservare altri big bang o regioni di spazio soggette ad una eventuale inflazione. Se queste esistono, si troveranno comunque al di fuori del nostro orizzonte osservativo, perciò sarà difficile verificare la loro presenza.

Qual è l’epoca ‘migliore’ per studiare l’Universo?

Tutti sappiamo che l’Universo è un ‘luogo’ fantastico, complesso, meraviglioso, riempito, per così dire, da miliardi di galassie che, a loro volta, si raggruppano per formare gli ammassi di galassie. Queste enormi strutture su larga scala si sono evolute nel corso di quasi 14 miliardi di anni cominciando ad apparire come piccole fluttuazioni di densità di materia man mano che lo spazio si espandeva. Oggi, nonostante siamo in grado di ottenere informazioni indirette sulle condizioni iniziali dell’Universo osservando la sua struttura su larga scala, ci si chiede se siamo nella fase giusta della storia dell’evoluzione cosmica o se, invece, bisogna aspettare ancora qualche miliardo di anni per poter comprendere, direi quasi in maniera definitiva, come è nato l’Universo.

Secondo alcuni calcoli realizzati dall’astrofisico teorico Avi Loeb emerge che il tempo ‘ideale’ per studiare il cosmo risale ad oltre 13 miliardi di anni fa, cioè appena 500 milioni di anni dopo il Big Bang. Ciò implica che man mano che il tempo trascorre l’informazione che siamo in grado di ottenere dall’epoca primordiale dell’Universo viene a mancare. Nonostante ciò possiamo mettere a confronto due processi che permettono di definire quale è, per così dire, il ‘momento migliore’ per studiare il cosmo. Nella fase primordiale della storia dell’Universo, l’orizzonte cosmico è molto più vicino perciò l’informazione che possiamo derivare risulta minima. Man mano, però, che l’Universo evolve l’informazione diventa sempre più importante dato che c’è quel tempo necessario affinchè la luce si propaghi dalle regioni più remote dello spazio fino a raggiungere i nostri telescopi. Ad ogni modo, nelle fasi iniziali e in quelle più evolute della storia cosmica, la materia ha tutto il tempo di collassare per formare le strutture legate dalla forza di gravità. Per fare una analogia, questo processo di collasso gravitazionale rende "fangose" le acque dello ‘stagno cosmico’ poiché si perde l’informazione relativa alle condizioni iniziali presenti sulle piccole scale. Loeb si è posto la seguente domanda: ma quando si hanno le condizioni ottimali per studiare l’Universo? La risposta suggerisce un tempo dell’ordine di 500 milioni di anni dopo il Big Bang, cioè l’epoca in cui si formavano le prime stelle e le prime galassie. Questo periodo non è del tutto casuale. Dato che l’informazione relativa all’Universo delle origini si perde nel momento in cui si sono formate le galassie, il periodo migliore per osservare le perturbazioni cosmiche coincide con quello associato alla formazione delle prime stelle. Ma non è troppo tardi. Oggi, gli astronomi possono ancora ricavare le informazioni relative all’Universo primordiale grazie alle osservazioni nella banda radio ed in particolare alla lunghezza d’onda di 21cm che è associata all’emissione dell’idrogeno e che era presente durante le epoche iniziali. Le onde radio hanno impiegato più di 13 miliardi di anni per raggiungere i nostri strumenti e questo ci permette di ‘vedere’ come si mostrava l’Universo da giovane. Dall’altro lato, l’espansione accelerata dello spazio renderà il quadro più ‘tetro’, per così dire, per i cosmologi del futuro. Poiché l’Universo si espande in maniera accelerata, le galassie si allontanano sempre più le une dalle altre, creando spazi sempre più vuoti, e un giorno esse si troveranno ben al di là del nostro orizzonte osservativo. Nel futuro, la luce che sarà emessa da quelle galassie estremamente distanti non ci raggiungerà mai più. Dunque in un epoca compresa tra 10 e 100 volte l’età attuale dell’Universo, i nostri colleghi astronomi del futuro non saranno più in grado di osservare le galassie. Insomma, per concludere, è proprio il caso di dire che se vogliamo imparare qualcosa sull’Universo delle origini, dobbiamo guardare adesso prima che sia troppo tardi.

ArXiv: The Optimal Cosmic Epoch for Precision Cosmology