SCIENZA E RICERCA

Nascita dell'universo: una fotografia

Nel pomeriggio del 17 marzo la collaborazione Bicep2, formata da un team di scienziati provenienti da diverse università statunitensi, ha annunciato la prima osservazione dei cosiddetti “modi B di polarizzazione” della radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Background, o CMB).

“Dietro il linguaggio tecnico dell’annuncio – afferma il cosmologo padovano Sabino Matarrese – si cela una scoperta di portata epocale per la scienza, con profonde conseguenze per la nostra comprensione dell’universo primordiale e ripercussioni importanti su altri campi di studio, in particolare la fisica delle particelle elementari”. Potrebbe infatti trattarsi di una prova decisiva della correttezza della teoria dell’inflazione cosmica primordiale, proposta intorno all’inizio degli anni Ottanta del secolo scorso per risolvere alcuni paradossi apparenti della teoria del Big Bang: in particolare quello dell’uniformità dell’universo su grande scala (in qualunque direzione lo si guardi, infatti, esso manifesta sempre le stesse caratteristiche di fondo) e quello della sua piattezza (il fatto cioè che la geometria dello spazio sia quella euclidea). Tra gli artefici di questa teoria vale la pena ricordare Aleksei Starobinsky, Alan Guth e Andrei Linde.

Matarrese lavora da 30 anni alla teoria dell’inflazione, e coordina un gruppo di cosmologi del Dipartimento di Fisica e astronomia dell’università di Padova – che comprende i ricercatori Nicola Bartolo e Michele Liguori, oltre a una schiera di giovani post-doc e dottorandi di varie nazionalità – che collabora attivamente alla missione Planck dell’Agenzia Spaziale Europea (Esa): una delle più importanti degli ultimi anni nell’ambito dello studio del Cmb.

 “L’idea alla base dell’inflazione – continua Matarrese – è che l’universo abbia attraversato una fase iniziale di espansione accelerata, generata dall’energia di un campo quantistico scalare nello stato di vuoto, detto inflatone”. Tale espansione porta una regione di spazio di dimensioni infinitamente piccole (dell’ordine di 10-24 cm, cioè un milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro) a crescere esponenzialmente fino a coincidere con l’intero universo osservabile, la cui estensione è di circa 1.023 km. La durata temporale dell’intero processo inflazionario sarebbe invece stata dell’ordine di un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo.

In questo suggestivo scenario, tutte le strutture che osserviamo nel cosmo (stelle, galassie, ammassi di galassie...) si sarebbero formate per collasso gravitazionale a partire da piccolissime irregolarità iniziali nella densità di materia, a loro volta generatesi dalle fluttuazioni quantistiche dell’inflatone. La generazione dell’intero universo, su scale di miliardi di anni luce, sarebbe quindi partita da scale microscopiche, governate dalle leggi della meccanica quantistica.

Negli anni successivi all’iniziale proposta della teoria inflazionaria si affiancò una precisa predizione, passibile di verifica sperimentale: la generazione di onde gravitazionali primordiali. Queste possono essere pensate come distorsioni dello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce. L’unico modo di rilevarle è però quello di osservarne l’effetto sulla radiazione cosmica di fondo a microonde: un segnale elettromagnetico che permea lo spazio e che si è formato circa 380.000 anni dopo il Big Bang, vera e propria ‘fotografia’ delle prime fasi dell’universo (formatosi circa 13,7 miliardi di anni fa). L’effetto delle onde gravitazionali inflazionarie sul fondo cosmico è quello di produrre polarizzazione, cioè una ‘direzione preferenziale’ di oscillazione del campo elettromagnetico. L’osservazione di tale effetto costituisce tuttavia una sfida sperimentale estremamente ardua, sia a causa della debolezza del segnale, sia per la presenza di sorgenti di polarizzazione del fondo cosmico diverse da quella dovuta alle onde gravitazionali primordiali

Un elemento cruciale per permettere questo tipo di misure è costituito dal fatto che la struttura spaziale del campo di polarizzazione da onde gravitazionali primordiali è distinguibile da quella prodotta da altre sorgenti. Tale struttura prende il nome di modo B di polarizzazione: proprio quello osservato da Bicep2, un telescopio operante al Polo Sud, e di cui si parlava all’inizio. “L’osservazione ha una portata enorme – osserva Sabino Matarrese –: non solo conferma la correttezza della teoria inflazionaria, con tutte le sue profonde conseguenze, ma fornisce anche una scala di  energia e di tempo a cui si è realizzata l’espansione esponenziale dell’universo. Il livello di polarizzazione osservato porta infatti a concludere che il processo sia avvenuta all’energia di 1016 GeV, quando l’universo aveva 10-34 secondi”.

Tali conclusioni potranno avere anche profonde ripercussioni sulla fisica teorica delle particelle elementari. “La scala di energia osservata – spiega il ricercatore Nicola Bartolo – è proprio quella indicata dalle cosiddette Teorie di Grande Unificazione, dove si realizza l’unione di tre delle quattro forze fondamentali (elettromagnetismo, forza nucleare debole e forza nucleare forte) in unica forza”. Si tratta di livelli enormi di energia, totalmente inaccessibili ai grandi acceleratori di particelle: la più forte evidenza sperimentale, allo stato attuale, di fisica al di là del Modello standard delle particelle elementari (il cui definitivo trionfo è stato recentemente coronato dalla scoperta del bosone di Higgs).

Naturalmente la scoperta andrà confermata con verifiche e osservazioni da parte di altri gruppi di ricerca, “non avremo però bisogno di aspettare molto tempo per la conferma definitiva – afferma il ricercatore Michele Liguori –. Il livello di polarizzazione osservato è infatti accessibile da parte del satellite Planck, che sulla questione porterà un essenziale verifica indipendente dei risultati di Bicep2, estendendo l’ambito delle scale angolari analizzate per la verifica degli effetti delle fluttuazioni gravitazionali primordiali, e contando anche su un numero maggiore di frequenze”. L’analisi dei dati in polarizzazione di Planck è tuttora in corso, e i risultati ufficiali sono attesi tra alcuni mesi. “Ci sono ottime probabilità che la scoperta di Bicep2 venga confermata – dice Sabino Matarrese – proiettando la cosmologia in una nuova era”. “Potrebbe inoltre dare anche un forte impulso – conclude Michele Liguori – sia a nuove missioni spaziali per lo studio della polarizzazione del CMB che alla ricerca diretta delle onde gravitazionali, sia da terra (si pensi ai rivelatori come Virgo a Pisa e Ligo a Hanford e a Livingston negli USA) che dallo spazio (la futura missione eLISA, preparata da LISA Pathfinder)”. 

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