Secondo il modello cosmologico del Big Bang, il nostro Universo iniziò 13,8 miliardi di anni fa, quando tutta la materia e l'energia del cosmo iniziarono ad espandersi. Si ritiene che questo periodo di "inflazione cosmica" sia ciò che spiega la struttura su larga scala dell'Universo e perché lo spazio e lo Sfondo cosmico a microonde (CMB) sembrano essere sostanzialmente uniformi in tutte le direzioni.
Tuttavia, ad oggi, non è stata scoperta alcuna prova che possa sicuramente provare lo scenario di inflazione cosmica o escludere teorie alternative. Ma grazie a un nuovo studio di un team di astronomi dell'Università di Harvard e del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian (CfA), gli scienziati possono disporre di un nuovo mezzo per testare una delle parti chiave del modello cosmologico del Big Bang.
Il loro articolo, intitolato "Impronte digitali uniche di alternative all'inflazione nello spettro di potere primordiale", è recentemente apparso online ed è stato preso in considerazione per la pubblicazione nella Lettere di revisione fisica. Lo studio è stato condotto da Xingang Chen e Abraham Loeb - docente senior presso l'Università di Harvard e Frank D. Baird Chair of Astronomy presso l'Università di Harvard, rispettivamente - e Zhong-Zhi Xianyu, borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Harvard.
Ricapitolando, nella cosmologia fisica, la teoria dell'inflazione cosmica afferma che a 10-36 pochi secondi dopo il Big Bang, la singolarità in cui era concentrata tutta la materia e l'energia cominciò ad espandersi. Si ritiene che questa "epoca inflazionistica" sia durata fino al 10-33 a 10-32 secondi dopo il Big Bang; dopodiché, l'Universo iniziò ad espandersi più lentamente. Secondo questa teoria, l'espansione iniziale dell'Universo era più veloce della velocità della luce.
La teoria dell'esistenza di un'epoca simile è utile per i cosmologi perché aiuta a spiegare perché l'Universo ha quasi le stesse condizioni in regioni molto distanti tra loro. Fondamentalmente, se il cosmo avesse origine da un piccolo volume di spazio che è stato gonfiato per diventare più grande di quello che possiamo attualmente osservare, spiegherebbe perché la struttura su larga scala dell'Universo è quasi uniforme e omogenea.
Tuttavia, questa non è affatto l'unica spiegazione di come l'Universo è diventato, e la capacità di falsificare qualcuno di loro è stata storicamente carente. Come il professor Abraham Loeb ha detto a Space Magazine via e-mail:
“Sebbene molte proprietà osservate delle strutture all'interno del nostro universo siano coerenti con lo scenario di inflazione, ci sono così tanti modelli di inflazione che è difficile falsificarlo. L'inflazione ha anche portato alla nozione del multiverso in cui tutto ciò che può accadere accadrà un numero infinito di volte e tale teoria è impossibile da falsificare attraverso esperimenti, che è il marchio della fisica tradizionale. Ormai ci sono scenari in competizione che non comportano inflazione, in cui l'universo prima si contrae e poi rimbalza invece di iniziare un Big Bang. Questi scenari potrebbero corrispondere alle attuali osservabili dell'inflazione. "
Per motivi di studio, Loeb e i suoi colleghi hanno sviluppato un modo indipendente dal modello di distinguere l'inflazione da scenari alternativi. Sostanzialmente, propongono che enormi campi nell'universo primordiale sperimenterebbero fluttuazioni quantistiche e perturbazioni della densità che registrerebbero direttamente la scala dell'Universo primordiale in funzione del tempo - cioè, agirebbero come una sorta di "orologio standard dell'Universo".
Misurando i segnali che prevedono provenire da questi campi, ipotizzano che i cosmologi sarebbero in grado di dire se eventuali variazioni di densità sono state seminate durante una fase di contrazione o espansione dell'Universo primordiale. Ciò consentirebbe loro di escludere alternative all'inflazione cosmica (come lo scenario del Big Bounce). Come ha spiegato Loeb:
“Nella maggior parte degli scenari è naturale avere un campo enorme nell'universo primordiale. Le perturbazioni nel campo massiccio su una particolare scala spaziale oscillano nel tempo come una palla che va su e giù in un potenziale pozzo, dove la massa determina la frequenza delle oscillazioni. Ma l'evoluzione delle perturbazioni dipende anche dalla scala spaziale considerata e dal fattore di scala di fondo (che aumenta esponenzialmente durante i modelli generici di inflazione ma diminuisce nei modelli contrattuali). ”
Queste perturbazioni, ha affermato Loeb, sarebbero la fonte di eventuali variazioni di densità osservate dagli astronomi nella rivista Space. Il modo in cui queste variazioni sono state modellate può essere determinato osservando l'universo di sfondo, in particolare se si stesse espandendo o contraendo, che gli astronomi possono distinguere.
"Nella mia metafora, il fattore di scala dell'universo sta influenzando la velocità con cui un nastro viene tirato mentre l'orologio lascia segni di spunta su di esso", ha aggiunto Loeb. "Il nuovo segnale che prevediamo è impresso su come il livello di non uniformità nell'universo cambia con la scala spaziale."
In breve, Loeb e i suoi colleghi hanno identificato un potenziale segnale che potrebbe essere misurato utilizzando gli strumenti attuali. Questi includono quelli che hanno studiato il Cosmic Microwave Background (CMB), come quello dell'ESA Planck osservatorio spaziale - e quelli che hanno condotto indagini sulla galassia - Sloan Digital Sky Survey, VLT Survey Telescope, Dragonfly Telescope, ecc.
In studi precedenti, è stato suggerito che le variazioni di densità nell'universo primordiale potrebbero essere rilevate cercando prove di non-gaussianità, che sono correzioni per la stima della funzione gaussiana per la misurazione di una quantità fisica - in questo caso, il CMB. Ma come dice Loeb, questi devono ancora essere rilevati:
"Il nuovo segnale oscillatorio si trova nello spettro di potenza delle perturbazioni della densità primordiale (che viene misurato abitualmente dal fondo cosmico a microonde [CMB] o indagini sulla galassia), mentre i precedenti suggerimenti in letteratura riguardavano effetti legati alle non gaussianità, che sono molto più difficile da misurare (e non sono stati ancora rilevati). I risultati presentati nel nostro documento sono di grande attualità, poiché nuovi insiemi di dati vengono raccolti da nuove osservazioni sulle anisotropie del CMB e sulle indagini sulla galassia. "
Comprendere come è iniziato il nostro Universo è forse la domanda fondamentale nella scienza e nella cosmologia. Se applicando questo metodo, si potranno escludere spiegazioni alternative su come è iniziato l'Universo, ci farebbe un passo avanti verso la determinazione delle origini del tempo, dello spazio e della vita stessa. Le domande "da dove veniamo?" e "come è iniziato tutto?" potrebbe finalmente avere una risposta definitiva!
