Una sezione a redshift z=0.53 ottenuta dalla simulazione BigBolshoi, o MultDark. La sezione è spessa 5 Mpc/h e larga 1 Gpc/h. e mostra la densità della struttura dell'universo quando nascevano le prime galassie. Quella complessa rete che vedete è la struttura su vasta scala che caratterizza nel suo insieme il nostro cosmo. Credit: Stefan Gottlober/IDL
I primi attimi della storia dell'Universo sono una delle cose insieme più affascinanti e più difficili da studiare, ma un nuovo paradigma potrebbe aiutarci a pensare questo inizio in maniera sorprendente e forse dalle grandi implicazioni. Usando svariate tecniche emerse da un'area della fisica contemporanea chiamata "loop quantum cosmology" o Cosmologia Quantistica a Loop, un gruppo di scienziati della Penn State University, ha esteso le proprie analisi per includere nei modelli dell'universo primordiali fenomeni quantistici che possano guardare molto più indietro nel tempo di quanto sia mai stato possibile. Il nuovo paradigma delle origini quantistiche a loop, mostrano, per la prima volta, che le strutture su grande scala che vediamo oggi nell'universo, si sono evolute per via di fondamentali fluttuazioni intrinseche alla natura quantistica dello spaziotempo, così come esisteva all'inizio dell'espansione dell'universo circa 13.7 miliardi di anni fa.
Questa nuova visione fornisce agli scienziati la possibilità di mettere alla prova svariate teorie cosmologiche moderne e paragonarle alle osservazioni che presto saranno possibili con la nuova generazione di telescopi estremi! La ricerca sarà pubblicata l'11 Dicembre sul giornale scientifico "Physical Review Letters."
"Noi umani abbiamo sempre cercato di capire in tutti modi qualcosa di più sull'origine e l'evoluzione del nostro universo" spiega Abhay Ashtekar, autore principale della ricerca. "Quindi è un momento davvero eccitante per il nostro gruppo, iniziare ad usare il nostro nuovo paradigma per cercare di capire, più in dettaglio, le dinamiche che la materia e la geometria dello spaziotempo hanno vissuto durante le primissime ere dell'universo, incluso l'inizio stesso dell'espansione." Ashtekar è direttore dell'Istituto per il Cosmo e la Gravitazione, della Penn State University. Come co-autori insieme a lui ci sono i due ricercatori post-dottorato Ivan Agullo e William Nelson.
Questo nuovo paradigma fornisce un importante base concettuale e matematica per descrivere l'esotica geometria quantum-meccanica dello spaziotempo nei primi attimi dell'universo. Il paradigma mostra che, durante quei attimi, l'universo era compresso a densità così alte che il suo comportamento non sarebbe spiegabile con la classica fisica della relatività generale di Einstein, ma con una nuova teoria ancor più fondamentale che incorpora al suo interno anche le strane dinamiche presenti nella meccanica quantistica. La densità della materia arrivava a 10^94 grammi per centimetro cubo! La densità di un nucleo atomico oggi è di 10^14 grammi, ed è molto molto denso!
Esempio di una mappa della densità della matteria presente oltre il limite della luce, ottenuta nella simulazione HR3. L'epoca iniziale della simulazione corrisponde ad un redshift z=27. Credit: J. Kim et al.
In questo bizzarro contesto quantum-meccanico, dove si può parlare solo della probabilità di certi eventi piuttosto che della loro certezza, le proprietà fisiche sarebbero naturalmente molto differenti rispetto alla realtà in cui viviamo oggi. Tra queste differenze, fa notare Ashtekar, ci sono anche quelle riguardanti il concetto di "tempo", come anche i cambiamenti a cui siamo abituati nelle dinamiche dei vari sistemi nel tempo.
Per adesso nessun osservatorio spaziale o terrestre è riuscito ad osservare niente di così lontano nello spazio e nel tempo da vedere gli effetti previsti da questo nuovo paradigma, ma in diversi ci sono arrivati vicino! La radiazione cosmica di fondo per esempio, risale a quando l'universo aveva solo 380.000 ann. In quel periodo, dopo una rapidissima espansione chiamata "inflazione", l'universo aveva delle dimensioni ormai molto più diluite rispetto al suo precedente stato super-compresso. All'inizio dell'inflazione comunque, la densità dell'universo era almeno un trilione di volte minore rispetto ai primi attimi, quindi già allora i fattori quantistici giocavano un ruolo molto meno importante nel guidare le dinamiche su larga scala della materia e della geometria dello spaziotempo.
Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo mostrano che l'universo aveva una consistenza in buona parte uniforme subito dopo l'inflazione, escluso per alcune regioni che erano leggermente più dense di altre. Il paradigma standard inflazionista per descrivere l'universo primordiale, che usa le equazioni di Einstein, tratta lo spaziotempo con un continuo liscio. "Questo paradigma gode di un grandissimo successo nel riuscire a spiegare le caratteristiche che vediamo nella radiazione cosmica di fondo. Tuttavia questo modello è incompleto. Ritiene l'idea che l'universo abbia iniziato dal nulla la sua espansione con il Big Bang, che naturalmente risulta dall'incapacità del paradigma della relatività generale di descrivere situazioni quantum-meccaniche estreme" spiega Agullo. "Quello che serve è una teoria quantistica della gravità, come la cosmologia quantistica a loop, per riuscire ad andare oltre ad Einstein e catturare la vera fisica presente vicino al momento dell'origine del nostro universo."
Precedenti lavori di studio con la cosmologia quantistica a loop, portati avanti dal gruppo di Ashtekar, avevano aggiornato il concetto del Big Bang con l'intrigante concetto di un "Big Bounce" (Grande Rimbalzo), che permette la possibilità che il nostro universo non sia emerso dal nulla ma da una regione di materia super-compressa con altissime masse, che potrebbe aver avuto una sua storia dietro.
Mappa del cielo ottenuta dal WMAP dopo 7 anni di indagini. Credit: NASA/WMAP Science Team
Anche se le condizioni quantum-meccaniche all'inizio dell'universo erano molto differenti dalle condizioni di fisica classica presenti dopo l'inflazione, questo nuovo traguardo teorico raggiunto dai fisici della Penn State University svela una sorprendente connessione tra due differenti paradigmi che descrivono queste aree. Quando gli scienziati usano il paradigma dell'inflazione insieme alle equazioni di Einstein per modellare l'evoluzione delle aree di maggiore densità, che sono come dei "semi" sparsi sul fondo di radiazione cosmica, scoprono che le irregolarità sono quelle che poi finiscono per evolversi in ammassi di galassie o altre strutture su larga scala che vediamo nell'universo di oggi. Sorprendentemente, quando gli scienziati usano il loro nuovo paradigma per le origini quantistiche a loop, con le sue equazioni quantistico cosmologiche, scoprono che le fluttuazioni fondamentali nella natura dello spazio al momento del "Grande Rimbalzo" si sono poi evolute per diventare le strutture che fanno da semi e che vediamo sullo sfondo di radiazione cosmica.
Adesso è allora. Questa singola immagine racchiude insieme due scatti virtualmente distanti tra di loro più di 13.3 miliardi di anni e mostrano l'intera storia dell'universo. Una di queste è il presente: la nostra galassia e la sua struttura è il frutto dell'evoluzione dell'intero universo ed è visibile come la sottile striscia che si estende al centro. I segni dell'allora sono dati dallo sfondo rosso, risalente a soli 380.000 anni dopo il Big Bang. L'immagine è stata ottenuta dagli strumenti della sonda Planck. Credit: ESA
"Il nostro nuovo lavoro teorico mostra che le condizioni iniziali, nei primi attimi dell'universo, hanno portato in maniera naturale alla formazione della struttura su grande scala che osserviamo oggi nell'Universo." ha spiegato Ashtekar. "In termini umani, è come scattare una foto di un bambino appena nato e riuscire a proiettare in base a questo come sarà la persona quando avrà 100 anni."
"Questa pubblicazione spinge indietro la genesi della struttura cosmica del nostro universo, dall'epoca dell'inflazione indietro fino a questo ipotetico "Big Bounce", o Grande Rimbalzo, coprendo qualcosa come 11 gradi di magnitudo nella densità della materia e la curvatura dello spaziotempo." ha spiegato Nelson. "Adesso abbiamo svelato le condizioni iniziali che potrebbero esistere al momento del Big Bounce, e in più abbiamo scoperto che l'evoluzione di quelle iniziali condizioni è in accordo con le osservazioni che abbiamo della radiazione cosmica di fondo."
I risultati del team hanno anche il merito notevole di permettere di identificare un preciso range di parametri per cui questo nuovo paradigma fa precise previsioni di precisi effetti che la distinguono dal modello standard dell'inflazione. Come ha dichiarato Ashtekar stesso, "E' eccitante il fatto che presto saremmo in grado di mettere alla prova queste ipotesi per testare le differenti previsioni per queste due teorie, guardando a tutte le future scoperte che saranno possibili con la nuova generazione di missioni e telescopi astrofisici. Simili esperimenti ci aiuteranno a continuare ad ottenere uno sguardo molto più profondo delle primissime fasi del nostro universo."
Penn State Live - Paradigm shift offers a new look at the beginning of time
Link2Universe » cambio di paradigma offre nuovo sguardo ai primissimi istanti dell’Universo