Inflazione, la teoria sui primi istanti dopo il Big Bang

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L'evoluzione dell'universo dopo il Big Bang. Nei primi tre minuti si formarono tutti i nuclei di idrogeno. 300mila anni dopo i primi atomi. Cosa è successo nei primissimi istanti? Foto: grandunificationtheory.com

IL PARADIGMA DELL’INFLAZIONE – La storia dell’universo conosciuto inizia con il Big Bang. Lo stato dell’arte delle teorie moderne è in grado di spiegare accuratamente l’evoluzione dell’universo a partire dai primi istanti dopo il Big Bang. Tuttavia, le ultime osservazioni sperimentali rendono necessarie delle nuove ipotesi sugli eventi dei primissimi istanti della vita dell’universo.

L’ipotesi più accreditata per spiegare queste nuove osservazioni è l’inflazione. Per inflazione si intende un periodo iniziale dell’universo, durato poche frazioni di secondo, in cui l’espansione dell’universo era incredibilmente rapida. In circa 10^-33 secondi (mille miliardi di miliardi di miliardesimi), l’universo passa dall’essere grande meno di un miliardesimo del nucleo di un atomo alle dimensioni di un granello di sabbia. Un’espansione di circa 10^27 (1 miliardo di miliardi di miliardi) di volte.

Spieghiamo in breve quali siano le osservazioni sperimentali che richiedono l’introduzione dell’ipotesi dell’inflazione.

LA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO – Nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson scoprirono la radiazione cosmica di fondo. Questa è una radiazione nelle micro-onde che osservarono provenire da ogni parte del cielo in eguale maniera. Prima della scoperta vi era un ampio dibattito sulla questione dell’inizio dell’universo. Ha avuto un inizio? Oppure è senza inizio ed eterno? L’osservazione della radiazione cosmica di fondo è considerata la prova definitiva dell’esistenza del Big Bang: un momento iniziale in cui tutto l’universo è compresso in un singolo punto. Cosa ci sia stato “prima” del Big Bang rimane, per ora, materia per teologi.

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L’universo primordiale è analogo ad una fiamma. La luce prodotta dal ciocco di legno stesso non giunge direttamente agli occhi, perché diffusa da ioni carichi nella fiamma. La superficie del ciocco non si vede. Quello che vediamo è la luce emessa dalla superficie della fiamma, dove la temperatura è più bassa.

Nei primi anni dopo il Big Bang, la temperatura dell’universo era talmente elevata che gli elettroni ed i protoni non si combinavano per formare gli atomi neutri. Ricordiamo che la temperatura è legata alla velocità media delle particelle componenti. Ci troviamo in un’altra fase della materia – oltre alle note fasi gassose, liquide e solide – detta di plasma, in cui non vi sono atomi neutri ma particelle cariche. In un plasma, che pure è molto caldo, la luce fatica a propagarsi poiché viene frequentemente diffusa dalle particelle cariche. Si dice che il plasma sia opaco. È analogo ad una fiamma: calda, e non si riesce a vedere oltre di essa. La luce visibile proviene dalla superficie esterna, dove la temperatura è più bassa.

L’universo si espanse e, come per i gas, aumentando il volume la temperatura scese. Circa 380mila anni dopo il Big Bang, la temperatura del plasma scese a tal punto che elettroni e protoni si poterono accoppiare in atomi idrogeno. L’universo passò così ad essere in una fase simile a quella gassosa. In un gas, come è noto, la luce è in grado di propagarsi con facilità, addirittura per miliardi di anni luce.

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La radiazione cosmica di fondo su tutto il cielo. Dalle zone blu, l’intensità è minore della media, dalle zone rosse è maggiore. Ma queste fluttuazioni rappresentano lo 0.001% rispetto il valore medio. La radiazione è straordinariamente uniforme. Foto della missione PLANCK dell’ESA.

IL PROBLEMA DEGLI ORIZZONTI – La radiazione cosmica di fondo è l’immagine dell’universo nell’istante in cui la temperatura è scesa sotto una soglia critica, tale da rendere possibile la formazione di atomi neutri (analogamente alla fiamma). Questa radiazione è straordinariamente uniforme su tutto il cielo osservato. Significa che 380mila anni dopo il Big Bang, l’universo fosse nella stessa situazione ovunque. Ciò è problematico.

La luce della radiazione cosmica ha impiegato circa 13 miliardi di anni per raggiungerci. Segue che la luce di una qualche regione del cielo non abbia ancora avuto il tempo per raggiungere la regione diametralmente opposta, rispetto a noi. Poiché nulla viaggia più veloce della luce, le due regioni opposte non possono mai essersi scambiate informazioni o aver subito nessun processo fisico comune. Come è possibile allora che sembrano identiche? Questo fatto permane anche considerando le complicazioni dell’espansione dell’universo. Una spiegazione è necessaria.

LA FORMA DELL’UNIVERSO – Lo spazio-tempo è curvo, secondo la relatività generale di Einstein. Una domanda interessantissima da porsi è quindi che forma abbia l’universo nel suo intero. Facciamo una analogia con la Terra sferica. Diciamo sferica anche se questa sfera ha delle deformazioni locali: montagne e valli. L’universo ha una forma globale e le deformazioni locali corrispondo a stelle, galassie, buchi neri… Parliamo quindi della forma complessiva dell’universo e non delle deformazioni locali.

Come si deduce se ci si trova in un universo piatto oppure curvo? Si studia il quinto postulato di Euclide sulle rette parallele. In parole semplici: se due rette sono inizialmente parallele, la distanza tra le due non cambia mai. Gli spazi curvi sono caratterizzati dal fatto che il postulato di Euclide non sia vero. Storicamente, è proprio la negazione di questo postulato che ha spinto i matematici allo studio della geometria curva, cioè non sul piano.

Nel nostro universo possiamo cercare raggi di luce emessi paralleli tra loro e ad enormi distanze da noi, per vedere se ci giungono ancora parallele o se hanno subito una deviazione via la curvatura globale dell’universo.

PROBLEMA DELLA PIATTEZZA  – Osservando la deformazione di luce di oggetti estremamente lontani si deduce che su distanze cosmologiche il quinto postulato di Euclide vale eccome. L’universo risulta essere straordinariamente piatto. Anche questo risulta problematico.

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Rappresentazione tridimensionale della forma dell’universo. Può essere sferico, a sella, o piatto. In un universo non piatto non vale il postulato di Euclide e la somma degli angoli interni di un triangolo non sono 180 gradi. Omega è una misura della densità media dell’universo.

Durante l’espansione dell’universo, se la materia contenuta in esso è elevata, questa “pesa” sull’universo e lo fa richiudere su se stesso rendendolo a forma sferica. D’altra parte se vi è troppo poca materia, l’universo si apre, prendendo una forma a “sella”. La curvatura dell’universo aumenta molto rapidamente con il passare del tempo. Affinché sia piatto oggi, deve essere stato straordinariamente piatto all’inizio.

Si delinea così il problema della piattezza. Come mai la densità dell’universo è esattamente il valore giusto necessario per mantenere la piattezza? Come mai era straordiariamente piatto all’inizio?

INFLAZIONE IN AIUTO – L’ipotesi dell’inflazione è che vi sia stata, nei primissimi istanti dopo il Big Bang, circa 10^-36 secondi dopo di esso, un’espansione esponenzialmente veloce. Questa deve essere durata circa 10^-33 secondi, aumentando le dimensioni dell’universo di circa 10^27 volte. Per fare un paragone, da quel momento ad oggi, 13 miliardi di anni dopo, le dimensioni dell’universo sono aumentate “solo” di circa altre 10^27 volte. Alla fine dell’inflazione le dimensioni della nostra regione di universo erano all’incirca quelle di un granello di sabbia!

A causa dell’espansione talmente rapida dell’inflazione, regioni dell’universo che erano inizialmente molto vicine vengono allontanate tra loro a distanze enormi. Questo risolve il problema degli orizzonti. Due regioni molto distanti oggi erano in realtà appiccicate prima dell’inflazione ed in grado di mettersi in un equilibrio chimico e termico.

Come un mattarello, l’espansione esponenziale dell’inflazione appiattisce tutto l’universo rendendolo molto regolare. Se infatti ci fossero delle irregolarità iniziali, l’espansione le distenderebbe su distanze enormi, restituendo una regolarità globale. Ciò risolve il problema della piattezza.

I PROSSIMI PASSI – Se l’inflazione fosse realmente accaduta, ne potremmo comunque conoscere solamente il prodotto finale: l’universo attuale. Non sappiamo ancora quale possa essere il meccanismo fisico che possa aver causato una tale espansione dell’universo. La sua esistenza sarebbe un fortissimo segnale di leggi della fisica ignote, delle quali stiamo venendo a conoscenza in maniera indiretta.

L’inflazione è la più accreditata ipotesi per risolvere i paradossi della piattezza e dell’orizzonte. Enormi sforzi sperimentali sono attualmente in corso per verificarla o falsificarla. Ottimisticamente, si spera che la prova sperimentale possa arrivare nel giro di dieci anni. Se non fosse verificata, si aprirebbe un profondo dibattito scientifico per spiegare la straordinaria uniformità dell’universo.

 

 

Sono dottorando in Fisica alla Sapienza di Roma, dove svolgo ricerca su cosmologia primordiale e particelle elementari. Ho lavorato come Teaching Assistant alla UCLA. Sono fondatore di Bunte Kuh e mi occupo della divulgazione scientifica.

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