Cosmologia nel mirino - 1. Come si è originato l'universo

02/08/2008 L'origine dell'universo, come di tutto ciò che ci circonda, è la domanda suprema del genere umano e come tale porta con se molti dubbi e perplessità tra cui anche quello se vi sia mai veramente stata una origine dell'universo (fatto strettamente connesso con il significato fisico del tempo in un universo eterno...). Ovviamente la descrizione di un istante primissimo per l'universo richiede una teoria di gravità quantistica, che siamo ben lungi dall'avere elaborato, anche se molti tentativi teorici sono stati fatti in ambito super-stringhe/teoriaMadre (M-Theory).

Nonostante questa mancanza sostanziale i cosmologi, hanno sempre lavorato con il "Modello standard del BigBang", che descrive benissimo l'universo a partire dal suo primo secondo di vita fino ai giorni nostri.

Questo modello conferma molte osservazioni fatte nel corso degli anni, come l'espansione dell'universo, l'abbondanza primordiale di idrogeno, deuterio ed elio, il residuo termico del BigBang nella forma di una radiazione fossile (nelle microonde) con spettro di corpo nero e le strutture cosmiche come galassie, ammassi di galassie e super-ammassi di galassie, formate dal collasso gravitazionale delle fluttuazioni primordiali di densità.

Ciò che della teoria risulta insoluto, sono appunto gli istanti iniziali di vita dell'universo, cioè dall'istante "zero" sino ad un secondo di vita.

Si prenda ad esempio l'origine dell'omogeneità e della "piattezza" (flatness) della metrica dell'universo, il punto di partenza di materia e radiazione in termini di asimmetria tra radiazione e materia, la nascita dei primi "semi", che, successivamente, hanno originato le strutture cosmiche, la genesi e la natura della materia e dell'energia oscura e perchè no, per finire, l'origine stessa del BigBang.

Ai giorni nostri queste condizioni iniziali vengono per lo più descritte dall'intrigante idea dell'"inflazione cosmica", nella quale l'universo si sarebbe espanso grazie all'effetto di una "anti-gravità", intesa come effetto secondario dell'energia di vuoto, che si pensa fosse molto più forte durante gli istanti iniziali piuttosto che ora.

Questa teoria permette di generare un universo altamente isotropo e approssimativamente piatto, come lo si osserva oggi, e predice la presenza di perturbazioni di densità nella CMB, che sarebbero i semi primordiali da cui (si sarebbero originate-avrebbero avuto origine) tutte le odierne galassie e strutture cosmiche.

Come effetto secondario, la teoria inflativa predice, inoltre, l'esistenza di onde gravitazionali fossili, la cui detezione sarebbe il modo migliore di testare sia l'inflazione in se, sia l' epoca cosmica a cui è avvenuta.

Al termine dell'inflazione tutta quella grande quantità di energia, che ha pilotato l'espansione inflativa si sarebbe convertita in materia ed radiazione in quel processo detto "re-heating", che essenzialmente demarca l'inizio della fase classica denominata "Hot BigBang".

Questa fase non è ancora ben compresa proprio a causa del fatto che la natura della densità di energia, creatrice dell'inflazione è ancora sconosciuta. Le migliori teorie che descrivono questo processo tirano in causa la produzione non termica dell'asimmetria materia-antimateria, particelle di materia oscura supermassive, onde gravitazionali, super-stringhe, wimps e campi magnetici forti.

Quale sia la teoria che lo descrive, l'universo dei primissimi istanti di vita è un oggetto molto incline a lasciare residui fossili di varia natura dalla presenza (o assenza) dei quali molto si può conoscere.

In particolar modo l'inflazione predice un universo con uno spazio tempo altamente frattale, in cui cioè, le deviazioni dall'uniformità risultano uguali a qualunque scala cosmica le si osservi (con un indice spettrale vicino all'unità e leggermente spostato a valori inferiori all'unità, se predetto dal modello inflativo).

Il satellite WMAP ha misurato un indice spettrale di 0.95+/-0.02, il cui valore lascia dedurre un universo leggermente più uniforme sulle piccole scale rispetto a quello che si pensava inizialmente.

Ovviamente vi sono diversi scenari inflativi più sofisticati, che descrivono il modello inflativo e i futuri esperimenti potranno, per esempio, trovare delle particolari caratteristiche nello spettro di densità associate a diversi fenomeni fisici che potrebbero essere accaduti.

La transizione di fase durante l'inflazione, che potrebbe aver super-raffreddato a basse temperature l'universo ad una qualche epoca cosmica, potrebbe fungere in questo contesto da valido esempio.

Osservazioni di strutture a grande scala possono, invece, aiutare a far luce sulla fine del "periodo oscuro" (Dark Age), in cui l'idrogeno neutro venne re-ionizzato dai primi oggetti.

Riassumendo la strategia più sicura potrebbe essere quella di rivelare direttamente le onde gravitazionali, residuo fossile dell'inflazione, utilizzando un interferometro spaziale composto da antenne gravitazionali spaziali, come proposto per il progetto LISA.

Utilizzando le onde gravitazionali, sarebbe possibile rilevare anche, pulsars nell'intervallo di lunghezza d'onda che va dal nanoHz al microHZ con strumenti come SKA.

Ma, nell'immediato, l'unica via percorribile è quella della CMB utilizzando gli strumenti eredi diWMAP - futuri strumenti spaziali come SPT ed ACT su piccole scale e Plank su grandi scale al fine di creare una mappa di polarizzazione della CMB per tutto il cielo (fino al nano kelvin di risoluzione).