Come il modello inflazionario ha “rivisto” Il Big Bang

L'ipotesi del Big Bang spiega molti degli interrogativi che si pone la cosmologia moderna ma lasciava alcune domande aperte di difficile soluzione. È per questo che venne sviluppato il modello inflazionario, una teoria che incorporando l'ipotesi del Big Bang l'ha completata, dando origine a quello che chiamiamo "modello cosmologico standard".

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inflazione cosmica

Fino agli anni ‘60 del secolo scorso, due erano le teorie che si contendevano il primato nella spiegazione sull’origine dell’Universo: la teoria dello stato stazionario e quella del Big Bang.

Nel 1964, Arno Penzias e Robert W. Wilson, due radioastronomi dei Bell Laboratories, si imbatterono casualmente nella Radiazione Cosmica di Fondo o CMB (dall’inglese Cosmic Microwave Radiation), che può essere considerata come l’eco luminosa del Big Bang.

Si tratta, in poche parole, dei fotoni che, formatisi nella fase iniziale dell’Universo, non sono stati assorbiti dagli atomi che nel frattempo si stavano formando, e viaggiano indisturbati nello spazio.

Il modello cosmologico del Big Bang è, per la quasi totalità dei fisici e dei cosmologi, l’unica ipotesi in grado di dare un senso compiuto ai dati osservativi disponibili. Tale modello è stato fondato su due punti cardine, e da questi si è sviluppato per estrapolazione: la sua compatibilità con la teoria della Relatività Generale e l’accettazione dell’allontanamento delle galassie con una velocità direttamente proporzionale alla distanza.

Se si assume che l’Universo possa essere riempito di materia, di radiazione, o di un’altra forma di energia, allora non potrà rimanere statico, ma dovrà espandersi o contrarsi.

L’espansione è spiegata dalla relazione esistente tra la distanza da due galassie e lo spostamento verso il rosso cosmologico (redshift). Se l’Universo si espande, il numero totale di particelle al suo interno rimane lo stesso, ma il volume aumenta e quindi diminuisce la sua densità. E la radiazione – la cui energia è definita dalla sua lunghezza d’onda – vede la sua lunghezza d’onda allungarsi a seguito dell’espansione dell’Universo; e quindi sia temperatura che l’energia diminuiscono.

Una volta stabiliti gli aspetti essenziali del Big Bang, il modello è stato estrapolato tornando indietro nel tempo, a energie e temperature più elevate, a densità più alte, e a uno stato più uniforme. Questa estrapolazione ha permesso di raggiungere importanti risultati, fra i quali la previsione delle abbondanze dei vari elementi chimici prodotti nel corso della cosiddetta nucleosintesi primordiale: nei primi minuti dopo il Big Bang, e solo per un breve intervallo di tempo, la temperatura fu così elevata da consentire la formazione per fusione nucleare di isotopi dell’idrogeno, dell’elio e del litio, ma di nessun altro elemento più pesante.

Osservazioni compiute nel 2011 hanno confermato in modo spettacolare tale previsione: l’analisi dell’impronta lasciata negli spettri di lontanissimi quasar dal gas di nubi intergalattiche primordiali attraversate dalla loro luce ha permesso di stabilire che l’Universo cominciò (in termini di massa) con il 76% di idrogeno, il 24% di elio-4 e percentuali minuscole di deuterio, elio-3 e litio-7.

I successi riscontrati dal modello del Big Bang tuttavia non permettono allo stesso di rispondere a tutte le domande dei cosmologi. Ci sono almeno tre questioni aperte per le quali il Big Bang non riesce a fornire delle spiegazioni.

La prima di queste è il problema dell’orizzonte: ovvero, il perché i fotoni della radiazione cosmica di fondo hanno tutti la stessa temperatura, pur provenendo da regioni diverse dell’Universo e soprattutto distanti tra loro miliardi di anni luce.

Il secondo problema ha a che fare con la forma dello spazio, a cui è legato il destino finale dell’Universo.

Dalla relatività generale sappiamo che esistono due modalità di curvatura dello spazio: positiva (come una sfera) e negativa (sella di cavallo). Ma lo spazio potrebbe anche essere completamente piatto. Un Universo con curvatura positiva andrebbe a collassare nel cosiddetto Big Crunch; uno con curvatura negativa andrebbe verso la morte termica. Invece, gli studi compiuti sulla radiazione cosmica di fondo hanno dimostrato che lo spazio occupato dall’Universo è completamente piatto. Però il modello cosmologico del Big Bang non è in grado di spiegarne il motivo.

La terza questione ha a che fare con la prevista, ma non ancora osservata, esistenza di alcune particelle subatomiche molto massicce, che dovrebbero spiegare, tra le altre cose, l’asimmetria tra materia e antimateria.

Per spiegare l’origine dell’evidente asimmetria tra materia e antimateria, i fisici hanno così elaborato eleganti modelli teorici, che prevedono che, alle altissime energie presenti negli istanti iniziali dopo il Big Bang, si sarebbero dovute formare delle particelle super-pesanti, alcune delle quali stabili, cioè tali da sopravvivere, almeno in modeste quantità, fino ai giorni nostri.

Per cercare di dare delle risposte plausibili a queste problematiche, sono stati elaborati diversi scenari ipotetici, che potessero integrare il modello teorico del Big Bang. Tra i vari modelli proposti, quello che ha raccolto il consenso maggiore dalla comunità scientifica è il modello dell’Universo inflazionario, sviluppato nei primi anni ‘80 grazie principalmente al contributo di tre fisici teorici: Alan Guth, Andrei Linde e Paul Steinhardt.

Ovviamente, la nuova teoria, per poter essere accettata, avrebbe dovuto innanzitutto contenere i successi, già acclarati, ottenuti dal Big Bang; poi avrebbe dovuto fornire delle chiare delucidazioni sui dilemmi sopra descritti, e infine e forse più importante, essa avrebbe dovuto fornire delle previsioni nuove e testabili, differenti da quelle standard del Big Bang.

Secondo la teoria inflazionistica, il Big Bang rappresenta solo una fase successiva di uno stato iniziale dell’Universo che Guth definisce stato inflazionario, nel quale la forma dominante dell’energia, ad altissima densità, non era la materia o la radiazione, ma era insita nella composizione dello stesso spazio.

Questa situazione aveva determinato una crescita smisurata e rapidissima dell’Universo neonato, portando con sé le seguenti conseguenze:

  1. Tutte le parti di un Universo inizialmente microscopico possono interagire tra loro direttamente, omogeneizzando la distribuzione dell’energia senza violare il limite di velocità della luce. Ecco, dunque, risolto il problema dell’orizzonte: ci fu un tempo in cui regioni dello spazio che oggi sono separate da miliardi di anni luce, si trovavano invece in connessione causale diretta.

  2. L’inflazione ha dilatato lo spazio come un pallone, stirandolo in modo che qualsiasi curvatura, positiva o negativa, diventasse invisibile anche su scala cosmologica. Ciò risolve il problema della piattezza: lo spazio ci appare piatto non per via dell’alquanto improbabile perfetto bilanciamento casuale tra il tasso di espansione dello spazio e la densità di materia/energia del cosmo, ma semplicemente perché lo spazio è stato talmente “spianato” dall’inflazione che non possediamo (ancora) la distanza sufficiente per apprezzarne l’eventuale curvatura.

  3. L’inflazione diluisce la densità dei monopoli magnetici spalmandoli su uno spazio enorme, il che spiega come mai oggi non riusciamo a osservarli.

Quindi, in un solo colpo, i tre dilemmi che il BB non era in grado di risolvere trovavano una soluzione. Si è trattato di un momento molto importante per la cosmologia, che ha immediatamente indotto tanti scienziati a lavorare per correggere il modello originale di Guth allo scopo di riprodurre tutti i successi del BB. L’idea di Guth fu pubblicata nel 1981, e dal 1982, due gruppi indipendenti – Andrei Linde e la coppia Paul Steinhardt e Andy Albrecht – l’hanno messa in pratica.

Alla fine, non solo sono state trovate le soluzioni a tutti i problemi che il Big Bang non riusciva a risolvere, ma si è anche riusciti a riprodurre gli stessi successi del Big Bang e a ipotizzare delle nuove previsioni utilizzando questo nuovo modello.

A partire dagli anni ‘80 quindi, gruppi di fisici e cosmologi sparsi sul globo hanno dato avvio a una prolifica attività di studio che ha portato a individuare le specifiche previsioni che il modello dovrebbe validare:

  • esistenza di un limite superiore della temperatura massima che l’Universo può raggiungere;
  • esistenza delle fluttuazioni di sovra orizzonte;
  • fluttuazioni quantistiche della fase inflazionaria come generatrici delle fluttuazioni di densità e loro invarianza scalare;
  • forma piatta dell’Universo, con effetti quantistici che producono una curvatura intorno allo 0,01%;
  • presenza di onde gravitazionali primordiali, che si dovrebbero imprimere sulla radiazione cosmica di fondo.

Fino a oggi, le prime previsioni sono state confermate sperimentalmente. La penultima è stata testata con un’approssimazione dello 0.4% ed è compatibile con la teoria dell’inflazione, ma non è stato ancora raggiunto il livello critico. Solo il sesto punto ancora non è stato testato del tutto.

L’inflazione ha raggiunto tutti i limiti posti dalla scienza, con nuovi test chiari che diventano possibili con osservazioni e strumenti provati.

Tutte le volte che è stato possibile possibile mettere insieme dei dati, le previsioni della teoria inflazionistica sono state verificate. L’inflazione funziona.

Se nel futuro si riuscisse a effettuare un’osservazione che sia in disaccordo con l’inflazione, forse questo sarà il presagio di una teoria ancora più rivoluzionaria di come tutto ebbe inizio.

Fonte: Forbes