La risoluzione limite dell’Universo

Siamo in grado di definire le dimensioni del puntino che compone il punto interrogativo? Che succede se ci spostiamo di qualche metro? Il dettaglio più fine che l’occhio umano è in grado di distinguere è la dimensione di un punto alla distanza di un metro: stiamo parlando di “risoluzione angolare”. La risoluzione migliore di un sistema ottico, come l’occhio, è data approssimativamente dal rapporto tra la lunghezza d’onda della luce incidente e la dimensione dell’apertura del sistema attraverso cui passa la luce. In astronomia, il concetto di risoluzione funziona allo stesso modo. Ciò spiega come mai si costruiscono telescopi sempre più grandi: non solo i telescopi più grossi raccolgono più luce, e perciò possono osservare sempre più lontano nello spazio, ma più grande è l’apertura dello strumento e, in linea di principio, migliore risulterà l’immagine. Oggi, però, un nuovo studio pubblicato da Eric Steinbring del National Research Council Canada suggerisce che l’Universo abbia in realtà una sorta di “risoluzione limite fondamentale”: in altre parole, non saremo mai in grado di vedere le galassie più distanti, così chiaramente come vorremmo, a prescindere dalle dimensioni del telescopio.

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I mini buchi neri di LHC: portali verso universi paralleli?

L’idea che esistano altri universi è alquanto affascinante, nonostante sia quasi impossibile verificarla sperimentalmente. Oggi, però, un gruppo di teorici ritiene che l’energia raggiunta con le prossime collisioni al Large Hadron Collider (LHC) permetterà di svelare l’esistenza di universi paralleli, se esistono.

È davvero discreta la struttura dello spaziotempo?

Partendo da questa domanda gli scienziati potrebbero unificare la meccanica quantistica con la relatività generale. Infatti, secondo le attuali assunzioni su cui si basano i modelli della gravità quantistica, lo spaziotempo avrebbe una struttura granulosa, un pò come la sabbia costituita dai granelli.

Holometer, un esperimento per studiare la natura dell’Universo

Se vedete in dettaglio lo schermo del vostro televisore noterete dei pixel, piccoli punti di dati che formano una immagine senza soluzione di continuità se ci allontaniamo. Gli scienziati ritengono che l’informazione contenuta nell’Universo sia contenuta allo stesso modo in una specie di “pixel spaziali” la cui dimensione naturale è 10 trilioni di trilioni di volte più piccola di un atomo, una distanza a cui i fisici si riferiscono in termini di scala di Planck.

Evidenza del Big Fix?

Ci sono ancora molte domande aperte a cui il modello standard non è in grado di rispondere. Una di queste riguarda il valore di aspettazione minimo del campo di Higgs nel vuoto rispetto alla scala di Planck. In un recente lavoro pubblicato su International Journal of Modern Physics A, tre fisici dell’Università di Kyoto in Giappone, considerano che la radiazione dello spazio sia funzione del valore di aspettazione di Higgs nel vuoto e mostrano come essa raggiunge un valore massimo attorno al valore osservato di 246 GeV. In altre parole, l’esistenza dei nuclei atomici gioca un ruolo cruciale nel massimizzare la radiazione tale che l’entropia totale relativa alle ultime fasi evolutive dell’Universo raggiunga un valore massimo (vedasi L’Universo si ‘consuma’ ad un ritmo elevato). Questa conclusione suggerisce l’evidenza del cosiddetto “Big Fix” secondo cui i parametri del modello standard sono fissati quasi in maniera naturale e in modo che la radiazione dell’Universo diventi massima.

International Journal of Modern Physics: Evidence of the big fix

arXiv: Evidence of the Big Fix

Le ‘tracce’ dell’inflazione impresse nella radiazione cosmica di fondo

La notizia annunciata dai ricercatori dell’Harvard CMB Group che lavorano all’esperimento BICEP2 in merito alla “prima evidenza diretta” del processo dovuto all’inflazione cosmica, ossia quel meccanismo fisico che avrebbe dato forma e volume al nostro Universo avvenuto in una piccolissima frazione di secondo subito dopo il Big Bang, ha fatto in queste ultime ore il giro del web e i vari media, sia quelli online che offline, si sono scatenati cercando di riportare il significato di una “scoperta” che, però, dovrà essere confermata. Qui di seguito proverò a fare il punto della situazione mettendo in evidenza l’importanza del risultato scientifico e quali potranno essere le sue implicazioni nell’ambito della cosmologia.

Il modello standard della cosmologia si basa su una serie di parametri che sono legati alla struttura e all’evoluzione dell’Universo. Questi parametri devono essere determinati dalle osservazioni, e non dalla/e teoria/e, e per fare questo occorre studiare ed analizzare la luce più antica che siamo in grado di osservare: la radiazione cosmica di fondo, una sorta di “eco primordiale” residuo della grande esplosione iniziale, il Big Bang. Essa contiene così tante informazioni al punto che rappresenta l’unica fonte da cui possiamo ricavare preziosi indizi sullo stato fisico in cui si trovava l’Universo delle origini circa 400 mila anni dopo il Big Bang. Negli ultimi vent’anni, una serie di esperimenti condotti dallo spazio mediante satelliti dedicati ci hanno fornito mappe del cielo della radiazione cosmica di fondo sempre più dettagliate. Esse vengono rappresentate in termini della distribuzione di minuscole variazioni di temperatura su varie scale angolari  e contengono così tante informazioni che gli scienziati sono stati in grado di misurare con una precisione senza precedenti il contenuto di materia e di energia di cui è composto l’Universo, di determinare la sua età e il tasso di espansione dello spazio. Ora, se da un lato la singolarità iniziale del Big Bang rappresenta il mistero più profondo della moderna cosmologia e rimane, al momento, inaccessibile, dall’altro gli scienziati vogliono capire come hanno avuto origine le strutture cosmiche da cui si sono formate nel corso del tempo le stelle, le galassie e gli ammassi di galassie. Oggi, i dati osservativi supportano uno scenario, noto come inflazione cosmica, in base al quale l’Universo subì una fase di improvvisa espansione esponenziale con una velocità superiore a quella della luce, in un piccolissimo intervallo di tempo che risulta difficile immaginare, cioè da 10^-36 a 10^-34 secondi subito dopo il Big Bang, durante il quale lo spazio aumentò il suo volume di almeno un fattore 10⁵⁰ estendendo quelle minuscole fluttuazioni quantistiche primordiali su scale cosmiche di cui possiamo vedere oggi le ‘tracce’ impresse nella radiazione cosmica di fondo. Comprendere, quindi, l’inflazione cosmica e soprattutto verificare se essa sia effettivamente avvenuta, rappresenta una sfida di fondamentale importanza per capire come si è formato l’Universo e, possibilmente, preservare il modello cosmologico standard al fine di dare una spiegazione quasi naturale all’isotropia della radiazione cosmica di fondo, alla geometria euclidea dello spazio e alle fluttuazioni di densità primordiali da cui hanno avuto origine le strutture cosmiche.

Per studiare queste “impronte digitali cosmiche”, e quindi verificare ‘indirettamente’ se il processo dell’inflazione sia avvenuto o meno, occorre studiare la luce più antica ed in particolare le sue proprietà di polarizzazione. A differenza delle minuscole variazioni della temperatura presenti nella radiazione cosmica di fondo, la radiazione polarizzata viene generata dalla diffusione dei fotoni a causa degli elettroni liberi. In generale, la polarizzazione ha due componenti geometriche (per convenzione diremo Nord-Sud e Est-Ovest) che dipendono dalla scelta arbitraria del sistema di coordinate. Esistono due direzioni che sono associate sia all’orientamento che all’ampiezza. Le ampiezze della polarizzazione sono modulate nello spazio dal piano dell’onda nel quale avviene l’oscillazione. Nella figura si vede che il piano nel quale oscilla l’onda è diretto lungo la direzione Nord-Sud. Se la polarizzazione è perpendicolare o parallela a questa direzione, essa viene chiamata modo-E, mentre invece se essa è ruotata di 45° viene chiamata modo-B. Le perturbazioni di densità generano polarizzazione parallela, e perciò modi-E, mentre le onde gravitazionali generano entrambe e perciò hanno una ulteriore componente B di polarizzazione. Dunque, i modi-B rappresentano un segnale dell’inflazione cosmica e sono determinati dalla densità delle onde gravitazionali primordiali. In particolare, la loro misura è estremamente complicata non solo dal fatto che il segnale associato al modo-E è relativamente più forte, ma anche da una serie di altri fattori che generano un grado di confusione.

Le figure illustrano due simulazioni relative ai modi-E (a sinistra) e ai modi-B (a destra) della polarizzazione. I modi-B hanno una proprietà speciale in quanto possiedono una direzione privilegiata.

Ora, nonostante gli eccellenti risultati ottenuti recentemente dal satellite Planck, esistono tutta una serie di programmi scientifici condotti da terra, come ad esempio il South Pole Telescope in Antartide, l’Atacama Cosmology Telescope e lo strumento Q/U Imaging Experiment Telescope in Cile, che hanno lo scopo, tra l’altro, di fornire ulteriori dati che non sono stati ottenuti dai satelliti, in particolare per quanto riguarda le misure della polarizzazione dei modi-B. Dunque, nel caso dello strumento BICEP2, il cui obiettivo è quello di misurare i modi-B della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo con la migliore sensibilità mai raggiunta prima, il gruppo di ricercatori che lavorano all’esperimento hanno annunciato, nei giorni scorsi, di aver rivelato la “prima evidenza ‘diretta’ dell’inflazione cosmica”, misurando cioè un segnale decisamente più forte di quello previsto dai modelli e che certamente segnerà una svolta verso la quale i teorici dovranno dirigersi per affinare la ricerca nell’ambito della cosmologia inflazionistica e della gravità quantistica. Inoltre, il risultato implicherebbe che la scala del processo dell’inflazione cosmica sia circa un fattore 100 al di sotto della scala di Planck, che definisce il limite di validita’ delle leggi fisiche a noi note, cioè meccanica quantistica e relatività.

Naturalmente, prima di dichiarare che si tratti di un grande annuncio o di una grande scoperta, anche da parte dei ricercatori più attenti, bisogna ricordare che i dati dovranno essere confermati e analizzati prima che si possano considerare una prova definitiva ed inconfutabile. Di seguito, le reazioni degli ottimisti e di coloro più cauti che si sono pronunciati sui risultati del gruppo di Harvard.

• Gli ottimisti:

“This is huge, as big as it gets” —Marc Kamionkowski in The New York Times

“I think that if this stays true, it will go down as one of the greatest discoveries in the history of science.” —Max Tegmark in The New York Times

“The implications for this detection stagger the mind. We are measuring a signal that comes from the dawn of time.” —Jamie Bock in Quanta magazine

“If confirmed, it would be one of the absolute greatest discoveries in cosmology.” —Frank Wilczek in Quanta

“When I got the call, I had to ask if it was real. To me, this is bigger than the Higgs boson.” —Marc Kamionkowski in Time

“If this holds, it’s huge, comparable in magnitude to the discovery of the Higgs boson. Probably even more exciting because of the surprise element.” —Adam Falkowski in his blog “Résonaances”

“If it’s confirmed by other groups, it’s worth a Nobel.” —Avi Loeb in Time

“It’s just amazing. You can see back to the beginning of time.” —Lawrence Krauss to the AP

“In some [models of inflation], the waves are so weak they could never be detected. To see them turn up is beautiful.” —Alan Guth, one of the pioneers of inflation, in Time

“Although I’m trying to be sober, it’s extremely exciting to think that we may be seeing a new relic from 10-37seconds after the Big Bang, and even more so to think that I may have had some sort of role in the advance.” —Kamionkowski in Quanta

“It teaches us something crucial about how our universe began. It’s an amazing achievement that we humans, doing science systematically for just a few hundred years, can extend our understanding that far.” —Sean Carroll to CNN

“We have for the first time a detection for the mythical gravity wave signal that people have been searching for so hard, for so long.” —Clem Pryke, co-author of the new study, to CNN

•  I più cauti:

My role in this process has been to remain calm at all times. The time to celebrate, I think, will be once we have published our results and presented them to the scientific community. —John Kovac, leader researcher of the BICEP2 group, in Nature

The BICEP result, if correct, is a spectacular and historic discovery… In fact, it all seems far too good to be true. And perhaps it is: check back after another experimental team is able to check the BICEP findings, and then we can really break out the champagne. —Liam McAllister at The Reference Frame

If this is true, this is a moment of understanding of nature of such a magnitude that it just overwhelms and let’s just hope that it’s not a trick. —Andrei Linde, another pioneer of inflation, to CNN

“If this holds” is the central question now. This sort of experiments is difficult and subject to pesky instrumental effects and systematic effects due to foreground emission. It’s not impossible that BICEP screwed up; in fact, experts point out some worrying aspects of the data…So I would say at this point it’s fifty-fifty. —Adam Falkowski in his blog “Résonaances”

“So we will need to wait and see before we jump up and down.” —Lawrence Krauss in The New York Times

“We should be skeptical. Alone this finding is tantalizing, but not definitive.” —Lawrence Krauss in Wired

Insomma, mai come oggi, siamo interessati a rispondere ad alcune delle domande più fondamentali sulla natura dell’Universo: Come appariva l’Universo all’inizio dei tempi? Come ha fatto l’Universo ad evolvere verso lo stato fisico attuale? Lo studio della polarizzazione ci permette di ricavare molte più informazioni di quelle che possiamo ottenere dalla mappa relativa alle fluttuazioni di temperatura. La futura ricerca dei modi-B associati alla propagazione delle onde gravitazionali impresse nella radiazione cosmica di fondo rappresenta uno strumento di vitale importanza perchè ci permette di discriminare o affinare i vari modelli che tentano di descrivere l’origine dell’Universo. Nel frattempo, rimaniamo in attesa dei nuovi dati di Planck proprio sulla polarizzazione. Le sorprese non mancheranno.

CfA: First Direct Evidence of Cosmic Inflation (News Conference Video)

arXiv: BICEP2 I: DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES

Alcuni articoli sul web:

• “first direct evidence of cosmic inflation” BICEP2 results
• Space Ripples Reveal Big Bang’s Smoking Gun
• Physicists Detect Gravity Waves, Lifting the Veil on the Beginning of the Universe
• ‘Huge’ Physics Finding Supports Big Bang Theory
• Astronomers Find the Twisted Fingerprints of Inflation in the Background Glow of the Universe
• Gravitational Waves in the Cosmic Microwave Background
• Inflated Timescales
• Cosmologists Finally Capture an Elusive Signal From the Beginning of Time
• Initial Conditions
• Stephen Hawking claims victory in gravitational wave bet
• Onde gravitazionali dal big bang: cosa ha scoperto BICEP2 e perché è importante?
• BICEP2 updates

Per maggiori approfondimenti su questo e altri argomenti: L’Universo Infante

Cosa accadde prima del Big Bang?

Illustrazione del modello del Big Bounce.
Credit: Scientific American

Nonostante il Big Bang rimanga il più profondo degli enigmi della moderna cosmologia, gli scienziati vogliono spingersi oltre al punto da sviluppare un approccio matematico che potrebbe essere in grado di spiegare ciò che accadde prima del Big Bang.

Secondo la teoria generale della relatività, lo spazio è continuo e può essere suddiviso all’infinito in tante regioni sempre più piccole. L’idea che sta alla base della meccanica quantistica è che determinate quantità fisiche esistono sottoforma di pacchetti discreti (quanti) piuttosto che in un continuo. Inoltre, questi quanti e i fenomeni fisici ad essi associati possono esistere solo su una scala estremamente piccola, la scala di Planck. Finora, la meccanica quantistica non è stata in grado di proporre un modello della ‘gravità quantizzata’. La teoria detta loop quantum gravity (LQG) è, di fatto, un tentativo di formulare la descrizione della gravità su scale quantistiche. Essa rappresenta lo spazio come una sorta di rete composta da tanti campi gravitazionali eccitati a forma di inviluppi che si intersecano. Questo insieme viene chiamato spin network e la sua evoluzione nel tempo viene chiamata spin foam. La teoria LQG non solo fornisce un quadro matematico ben preciso dello spazio e del tempo ma ci permette di avere soluzioni matematiche ad una serie di problemi legati ai buchi neri e alla singolarità del Big Bang. Sorprendentemente, la LQG ci dice che il Big Bang è stato in realtà un Big Bounce, cioè non una singolarità ma un continuo dove il collasso gravitazionale di un universo precedente causò la comparsa del nostro Universo. Di recente, un gruppo di ricercatori europei ha dato il via ad un progetto noto come Effective Field Theory For Loop Quantum Gravity (EFTFORLQG) per sviluppare una teoria che possa, in qualche modo, riconciliare i concetti classici della relatività generale con quelli della meccanica quantistica. I risultati ottenuti finora sono andati ben oltre le aspettative al punto che la LQG si presenta oggi come uno dei modelli più competitivi per descrivere la struttura quantistica dello spazio e del tempo compatibile con i concetti della relatività generale. Le implicazioni sono estremamente importanti perchè permettono potenzialmente di risolvere tutta una serie di enigmi del nostro Universo.

Maggiori approfondimenti: Enigmi Astrofisici – Dal Big Bang al Multiverso