Come era l’universo prima del Big Bang?

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Un team di scienziati ha proposto un nuovo test per verificare l’inflazione cosmica, la teoria secondo la quale l’universo si è espanso notevolmente di dimensioni in una frazione di secondo dopo il Big Bang. Il loro obiettivo è quello di dare una risposta ad una domanda di vecchia data: come era l’universo prima del Big Bang?

L è generalmente accettata perché risolve alcuni importanti misteri sulla struttura e l’evoluzione dell’universo, c’è però da dire che anche altre teorie molto diverse possono spiegare questi misteri. In alcune di queste teorie, lo stato dell’universo prima del Big Bang, il cosiddetto universo primordiale, si stava contraendo invece di espandersi, e il Big Bang sarebbe quindi parte di un Big Bounce.

Per stabilire quale di queste teorie possa essere giusta, si è ricorso alla questione della falsificabilità, cioè se una teoria può essere testata per dimostrarla potenzialmente falsa. Alcuni ricercatori, tra cui Avi Loeb del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) di Cambridge, Massachusetts, hanno sollevato preoccupazioni circa l’ipotesi dell’inflazione cosmica, suggerendo che la sua apparentemente infinita adattabilità rende quasi impossibile testarla adeguatamente.

La falsificabilità dovrebbe essere un segno distintivo di qualsiasi teoria scientifica. La situazione attuale dell’inflazione è che è un’idea così flessibile, non può essere falsificata sperimentalmente“, ha detto Loeb. “Non importa quale valore si utilizzi per alcuni attributi osservabili, ci sono sempre alcuni modelli di inflazione che possono spiegarlo”.

Ora, un gruppo di scienziati guidati dal CfA Xingang Chen, insieme a Loeb e Zhong-Zhi Xianyu del Dipartimento di Fisica dell’Università di Harvard, hanno applicato un’idea che chiamano “orologio standard primordiale alle teorie non inflazionistiche, e stabilito un metodo che può essere utilizzato per falsificare sperimentalmente la teoria dell’inflazione cosmica. Lo studio apparirà in Physical Review Letters come suggerimento degli editori.

Nel tentativo di trovare alcune caratteristiche che possono separare l’inflazione dalle altre teorie, il team ha iniziato identificando la proprietà di definizione delle varie teorie, l’evoluzione delle dimensioni dell’universo primordiale. “Ad esempio, durante l’ inflazione, la dimensione dell’universo cresce esponenzialmente“, ha detto Xianyu. “In alcune teorie alternative, la dimensione dell’universo cresce molto lentamente, mentre in altre accade molto velocemente.

Gli attributi proposti finora per le misurazioni, di solito hanno difficoltà a distinguere tra le diverse teorie perché non sono direttamente correlate all’evoluzione delle dimensioni dell’universo primordiale“, ha continuato lo scienziato. “Quindi, abbiamo cercato di capire quali tra gli attributi osservabili possono essere direttamente collegati a quella proprietà di definizione.”

I segnali generati dall’orologio standard primordiale possono servire a tale scopo. L’orologio è un tipo di particella elementare pesante nell’universo primordiale. Tali particelle dovrebbero esistere in ogni teoria e le loro posizioni dovrebbero oscillare ad una frequenza regolare, proprio come il ticchettio del pendolo di un orologio.

L’universo primordiale non era del tutto uniforme. C’erano minuscole irregolarità nella densità su minuscole scaglie che divennero i semi della struttura su larga scala osservata nell’universo odierno. Questa è la fonte primaria di informazioni cui i fisici si affidano per capire cosa è successo prima del Big Bang. I ticchettii dell’orologio standard hanno generano segnali che sono stati impressi nella struttura di quelle irregolarità. Gli orologi standard in diverse teorie dell’universo primordiale predicono diversi modelli di segnali, perché le possibili storie evolutive dell’universo sono diverse.

Se immaginiamo tutte le informazioni che abbiamo appreso finora su ciò che è accaduto prima che il Big Bang si trovi in ​​un fotogramma di pellicola, allora l’orologio standard ci dice come dovrebbero essere riprodotti questi fotogrammi“, ha spiegato Chen. “Senza informazioni sull’orologio, non sappiamo se il film debba essere riprodotto in avanti o indietro, veloce o lento, proprio come non siamo sicuri se l’universo primordiale si stesse gonfiando o contraendo, e quanto velocemente lo abbia fatto. Il problema sta nel fatto che l’orologio standard ha messo i timestamp su ciascuna di queste cornici quando il film è stato girato prima del Big Bang e ci dice come interpretare il film.”

Il team ha calcolato come i segnali dell’orologio standard dovrebbero apparire in teorie non inflazionistiche e ha suggerito come dovrebbero essere ricercati nelle osservazioni astrofisiche. “Se venisse trovata una sequenza di segnali che rappresentano un contrazione, verrebbe falsata l’intera teoria inflazionistica“, ha spiegato Xianyu.

Il successo di questa idea sta nella sperimentazione. “Questi segnali saranno molto difficili da rilevare e potremmo dover cercare in molti posti diversi.La è uno di questi luoghi, e la distribuzione delle galassie è un’altra. Dobbiamo cercare questi segnali e ci sono già alcuni candidati interessanti, ma abbiamo bisogno di molti più dati“.

Molte future indagini sulle galassie, come LSST a guida USA, l’europea Euclide e il progetto recentemente approvato dalla NASA, SphereX, forniranno dati di alta qualità che potranno essere utilizzati per raggiungere l’obiettivo.

La stampa preliminare di questo documento è disponibile su arxiv.org/abs/1809.02603. Un lavoro precedente sull’argomento può essere trovato in: arxiv.org/abs/1509.03930 .

Fonte: Physical Review Letters