C'è un buco nella storia di come è nato il nostro universo. Innanzitutto, l'universo si è gonfiato rapidamente, come un pallone. Quindi, tutto è andato a gonfie vele.
Ma come sono collegati questi due periodi ha eluso i fisici. Ora, un nuovo studio suggerisce un modo per collegare le due epoche.
Nel primo periodo, l'universo è cresciuto da un punto quasi infinitamente piccolo a quasi un ottilione (ovvero 1 seguito da 27 zeri) volte di dimensioni in meno di un trilionesimo di secondo. Questo periodo di inflazione è stato seguito da un periodo di espansione più graduale, ma violento, che conosciamo come il Big Bang. Durante il Big Bang, una palla di fuoco incredibilmente calda di particelle fondamentali - come protoni, neutroni ed elettroni - si è espansa e raffreddata per formare gli atomi, le stelle e le galassie che vediamo oggi.
La teoria del Big Bang, che descrive l'inflazione cosmica, rimane la spiegazione più ampiamente supportata di come è iniziato il nostro universo, eppure gli scienziati sono ancora perplessi dal modo in cui questi periodi di espansione completamente diversi sono collegati. Per risolvere questo enigma cosmico, un team di ricercatori del Kenyon College, del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e della Leiden University olandese hanno simulato la transizione critica tra inflazione cosmica e Big Bang, un periodo che chiamano "riscaldamento".
"Il periodo di post-riscaldamento post-inflazione crea le condizioni per il Big Bang e, in un certo senso, mette il 'botto' nel Big Bang", ha dichiarato David Kaiser, professore di fisica presso il MIT, in una nota. "È questo periodo di bridge in cui si scatena l'inferno e la materia si comporta in modo tutt'altro che semplice."
Quando l'universo si espanse in un lampo di secondo durante l'inflazione cosmica, tutta la materia esistente si diffuse, lasciando l'universo un luogo freddo e vuoto, privo della minestra calda di particelle necessaria per accendere il Big Bang. Durante il periodo di riscaldamento, si ritiene che l'inflazione a propulsione energetica si decomponga in particelle, ha affermato Rachel Nguyen, dottoranda in fisica all'Università dell'Illinois e autrice principale dello studio.
"Una volta prodotte quelle particelle, rimbalzano e si scontrano, trasferendo slancio ed energia", ha detto Nguyen a Live Science. "Ed è quello che termalizza e riscalda l'universo per stabilire le condizioni iniziali per il Big Bang."
Nel loro modello, Nguyen e i suoi colleghi hanno simulato il comportamento di forme esotiche di materia chiamate inflatoni. Gli scienziati pensano che queste ipotetiche particelle, simili in natura al bosone di Higgs, abbiano creato il campo energetico che ha guidato l'inflazione cosmica. Il loro modello ha mostrato che, nelle giuste condizioni, l'energia degli inflatoni poteva essere ridistribuita in modo efficiente per creare la diversità delle particelle necessarie per riscaldare l'universo. Hanno pubblicato i loro risultati il 24 ottobre sulla rivista Physical Review Letters.
Un crogiolo per la fisica delle alte energie
"Quando studiamo l'universo primordiale, quello che stiamo realmente facendo è un esperimento di particelle a temperature molto, molto elevate", ha dichiarato Tom Giblin, professore associato di fisica al Kenyon College in Ohio e coautore dello studio. "La transizione dal periodo inflazionistico freddo al periodo caldo è quella che dovrebbe contenere alcune prove chiave su quali particelle esistano realmente in queste energie estremamente elevate."
Una domanda fondamentale che affligge i fisici è come la gravità si comporta alle energie estreme presenti durante l'inflazione. Nella teoria della relatività generale di Albert Einstein, si ritiene che tutta la materia sia influenzata dalla gravità allo stesso modo, in cui la forza di gravità è costante indipendentemente dall'energia di una particella. Tuttavia, a causa dello strano mondo della meccanica quantistica, gli scienziati pensano che, a energie molto elevate, la materia reagisca diversamente alla gravità.
Il team ha incorporato questo assunto nel loro modello modificando la forza con cui le particelle interagivano con la gravità. Scoprirono che più aumentavano la forza di gravità, più efficientemente gli inflatoni trasferivano energia per produrre lo zoo di particelle di materia calda trovate durante il Big Bang.
Ora, hanno bisogno di trovare prove per sostenere il loro modello da qualche parte nell'universo.
"L'universo racchiude così tanti segreti codificati in modi molto complicati", ha detto Giblin a Live Science. "Il nostro compito è conoscere la natura della realtà inventando un dispositivo di decodifica - un modo per estrarre informazioni dall'universo. Usiamo simulazioni per fare previsioni su come dovrebbe essere l'universo in modo da poter iniziare effettivamente a decodificarlo. Questo periodo di riscaldamento dovrebbe lasciare un'impronta da qualche parte nell'universo. Dobbiamo solo trovarla. "
Ma trovare quell'impronta potrebbe essere complicato. La nostra prima occhiata all'universo è una bolla di radiazione rimasta da alcune centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang, chiamato sfondo cosmico a microonde (CMB). Eppure il CMB suggerisce solo lo stato dell'universo durante quei primi secondi critici della nascita. Fisici come Giblin sperano che le future osservazioni delle onde gravitazionali forniranno gli indizi finali.
