Durante il prossimo decennio, i cosmologi cercheranno di osservare i primi momenti dell'Universo, sperando di dimostrare una teoria popolare. Cercheranno onde gravitazionali estremamente deboli per misurare la luce primordiale, cercando prove convincenti per la teoria dell'inflazione cosmica, che propone che una fluttuazione di densità casuale e microscopica nel tessuto dello spazio e del tempo abbia dato alla luce l'Universo in un grande caldo botto circa 13,7 miliardi di anni fa. Un nuovo strumento chiamato polarimetro viene collegato al South Pole Telescope (SPT), che opera a lunghezze d'onda submillimetriche, tra microonde e infrarossi sullo spettro elettromagnetico. La teoria della relatività generale di Einstein prevede che l'inflazione cosmica dovrebbe produrre le onde di gravità deboli.
La teoria dell'inflazione propone un periodo di espansione estremamente rapida ed esponenziale dell'Universo durante i suoi primi momenti prima della più graduale espansione del Big Bang, durante la quale la densità di energia dell'universo era dominata da un tipo cosmologico costante di energia del vuoto che in seguito decadde per produrre la materia e le radiazioni che riempiono la rivista spaziale.
Nel 1979, il fisico Alan Guth propose la teoria dell'inflazione cosmica, che prevede anche l'esistenza di un numero infinito di universi. Sfortunatamente, i cosmologi non hanno modo di testare quella previsione particolare.
“Poiché questi sono universi separati, per definizione ciò significa che non possiamo mai avere alcun contatto con loro. Nulla di ciò che accade ha alcun impatto su di noi ", ha affermato Scott Dodelson, scienziato del Fermi National Accelerator Laboratory e professore di astronomia e astrofisica all'Università di Chicago.
Ma c'è un modo per sondare la validità dell'inflazione cosmica. Il fenomeno avrebbe prodotto due classi di perturbazioni. Le prime, fluttuazioni nella densità delle particelle subatomiche si verificano continuamente in tutto l'universo e gli scienziati le hanno già osservate.
"Di solito si stanno solo svolgendo su scala atomica. Non li notiamo nemmeno, "ha detto Dodelson. Ma l'inflazione estenderebbe istantaneamente queste perturbazioni in proporzioni cosmiche. “Quell'immagine funziona davvero. Possiamo calcolare come dovrebbero apparire quelle perturbazioni, e si scopre che hanno esattamente ragione a produrre le galassie che vediamo nell'universo. "
La seconda classe di perturbazioni sarebbero le onde di gravità: distorsioni di Einstein nello spazio e nel tempo. Anche le onde gravitazionali verrebbero promosse a proporzioni cosmiche, forse anche abbastanza forti da consentire ai cosmologi di rilevarle con telescopi sensibili sintonizzati sulla frequenza appropriata delle radiazioni elettromagnetiche.
Se il nuovo polarimetro è abbastanza sensibile, gli scienziati dovrebbero essere in grado di rilevare le onde.
"Se rilevi le onde di gravità, ti dice molto sull'inflazione per il nostro universo", ha dichiarato John Carlstrom dell'Università di Chicago, che ha sviluppato il nuovo strumento. Carlstrom ha detto che il rilevamento delle onde escluderebbe varie idee in competizione per l'origine dell'universo. "Ci sono meno di un tempo, ma non prevedono che tu abbia un big bang così estremo e caldo, questa fluttuazione quantistica, per cominciare", ha detto. Né avrebbero prodotto onde gravitazionali a livelli rilevabili.
Una simulazione a questo collegamento ritrae le distorsioni nello spazio e nel tempo su scala subatomica, il risultato di fluttuazioni quantistiche che si verificano continuamente in tutto l'universo. Verso la fine della simulazione, l'inflazione cosmica inizia ad allungare lo spazio-tempo alle proporzioni cosmiche dell'universo.
I cosmologi usano anche l'SPT nella loro ricerca per risolvere il mistero dell'energia oscura. Una forza repulsiva, l'energia oscura allontana l'universo e travolge la gravità, la forza attrattiva esercitata da tutta la materia.
L'energia oscura è invisibile, ma gli astronomi sono in grado di vedere la sua influenza su ammassi di galassie che si sono formate negli ultimi miliardi di anni.
L'SPT rileva la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), il bagliore del big bang. I cosmologi hanno estratto una fortuna di dati dal CMB, che rappresentano i potenti tamburi e le corna della sinfonia cosmica. Ma ora la comunità scientifica ha le orecchie rivolte ai toni di uno strumento più sottile - onde gravitazionali - che stanno alla base del CMB.
"Abbiamo questi componenti chiave per la nostra immagine dell'universo, ma non sappiamo davvero quale sia la fisica che produce nessuno di loro", ha detto Dodelson di inflazione, energia oscura e ugualmente misteriosa materia oscura. "L'obiettivo del prossimo decennio è quello di identificare la fisica".
Fonte: Università di Chicago
