C’entra l’inflazione cosmica, che avrebbe messo l’universo in quello stato caldo e denso che chiamiamo Big Bang. Ecco cosa significa.

Partiamo da quello che sappiamo: la storia del nostro universo è iniziata circa 13,8 miliardi di anni fa da uno stato caldo e denso chiamato Big Bang. Quello che non sappiamo è cosa ha causato questo stato. Soprattutto cosa ha messo l’universo in quelle determinate condizioni. Proviamo a spiegarlo nel modo più chiaro e semplice possibile.

Cosa ha causato il Big Bang? Credit: geralt (Pixabay)

L’inflazione cosmica

La risposta più accreditata da parte degli astronomi alla domanda su cosa avrebbe causato il Big Bang è un meccanismo fisico chiamato inflazione. Per capire di che si tratta dobbiamo partire da due caratteristiche che hanno a che fare con le condizioni iniziali dell’universo. La prima è che l’universo ci appare lo stesso in ogni direzione, quindi molto omogeneo. Una dimostrazione di questa cosa è la radiazione cosmica di fondo, di cui abbiamo parlato in un precedente articolo.

L’altra caratteristica riguarda la densità, molto vicina al valore critico. Il problema è che la densità dell’universo cambia con il passare del tempo: quindi se oggi la densità è molto vicina al valore critico, in passato lo dev’essere stata ancora di più, amplificata dall’espansione. Questo significa pure che in origine la geometria dell’universo doveva essere incredibilmente piatta.

Negli anni Ottanta ci si è accorti che questi due problemi potevano essere risolti solo nel caso si fosse verificata una dilatazione improvvisa dell’universo (con velocità superiori a quelle della luce) per un brevissimo periodo. Ebbene, questo periodo di espansione accelerata (in un tempo brevissimo, circa dieci alla meno 33 secondi) è stato chiamato inflazione cosmica.

Il problema dell’uniformità dell’universo ai tempi del Big Bang

Il problema dell’uniformità deriva dal fatto che la regione che ha subito questa espansione accelerata era incredibilmente piccola, in origine. Questa dilatazione l’ha resa molto grande in un tempo brevissimo. Ha cioè separato i punti che inizialmente erano in contatto fra loro portandoli a distanze talmente grandi che la luce emessa nei successivi 13,8 miliardi di anni non ha ancora avuto il tempo di viaggiare da un punto all’altro.

Ecco, l’inflazione fa proprio questa cosa qui: ci dice che l’universo osservabile in realtà è molto più piccolo dell’universo complessivo. Viene da chiedersi quale dovrebbe essere la ragione fisica per cui l’universo all’inizio abbia subito questa fase di espansione accelerata. In realtà sappiamo che esiste un meccanismo che può portare all’espansione dello spazio.

Sappiamo che oggi l’universo sta accelerando e la causa più probabile di questa espansione sta nell’energia dello spazio vuoto. Il problema è che l’energia del vuoto non può essere la stessa ragione per cui l’universo si è espanso all’improvviso per quel brevissimo istante, 13,8 miliardi di anni fa. C’è bisogno di un ingrediente in più, quello che i fisici chiamano campo scalare.

Mappa della radiazione cosmica di fondo. Credit: Wikipedia.

Il campo scalare

Un esempio di campo scalare è quello responsabile dell’esistenza del Bosone di Higgs, che è stato effettivamente osservato qualche anno fa nel Cern di Ginevra. In realtà quel campo scalare non sembrerebbe essere quello giusto per spiegare questa fase iniziale di espansione accelerata. Non disponiamo di un singolo modello teorico di inflazione che sia univoco nelle previsioni. Significa che il meccanismo dell’inflazione dev’essere avvenuto a energie troppo alte, inaccessibili in un laboratorio terrestre.

La cosa che più si avvicina a una vera verifica sperimentale dell’inflazione è l’osservazione che abbiamo fatto della radiazione cosmica di fondo. Da un lato abbiamo notato che era estremamente uniforme nell’universo e che ci arrivava più o meno con la stessa temperatura in ogni direzione. A un certo punto, però, negli anni Novanta, ci siamo accorti che c’erano delle minuscole disuniformità nella distribuzione della radiazione cosmica di fondo.

Queste disuniformità ci dicono che l’universo primordiale aveva delle fluttuazioni microscopiche che l’espansione accelerata potrebbe aver dilatato, facendole diventare a tutti gli effetti fluttuazioni di densità. Le caratteristiche di queste fluttuazioni sono veramente molto simili a quelle che osserviamo nella radiazione cosmica di fondo e questa è una delle ragioni per cui i modelli inflazionari sono stati presi sempre più sul serio, negli ultimi decenni.

Le onde gravitazionali

Non possiamo guardare indietro fino ai primi istanti dell’universo proprio perché tra noi e quegli istanti c’è una specie di muro di fuoco che è la radiazione cosmica di fondo, che in qualche modo ci nasconde quello che è successo prima che avvenisse l’espansione. In realtà un modo per guardare ancora più indietro ci sarebbe: grazie alle onde gravitazionali.

Sono state scoperte qualche anno fa. Si tratta di onde prodotte dalla collisione fra oggetti compatti (buchi neri o stelle di neutroni), ma in realtà i modelli inflazionari prevedono la produzione di onde gravitazionali anche durante la fase di espansione accelerata, che potrebbe averne lasciato qualche traccia.

Un esperimento del 2014 provò ad osservare queste onde prodotte dall’inflazione, ma fu un fiasco. Non sono mai state osservate, finora, ma potremo farlo in futuro. Al momento il modello inflazionario rimane quello più vicino alla realtà, ma forse dovremo aspettare ancora per capirci qualcosa in più su come siano andate effettivamente le cose. Nel frattempo vi consiglio di leggere quest’altro nostro articolo in cui vi raccontiamo come il Big Bang potrebbe non essere stato l’inizio vero e proprio dell’universo.

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