Foto: Z.-Z. Xianyu/Harvard University; X. Chen, A. Loeb/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Un gruppo di ricercatori propone un nuovo test per tentare di comprendere quel periodo in cui l’universo subì una rapida espansione esponenziale subito dopo il Big Bang. L’obiettivo è ricavare preziosi indizi per tentare di rispondere a una grande domanda: cosa c’era prima del Big Bang? I risultati di questo studio sono pubblicati su Physical Review Letters.

Nonostante l’inflazione cosmica rappresenti un meccanismo ben noto ai cosmologi, perché permette di risolvere alcuni problemi sulla struttura e l’evoluzione dell’universo, esistono altri modelli in grado di spiegare queste tematiche.

Nei modelli alternativi all'inflazione cosmica, lo stato fisico dell’universo che precede il Big Bang, detto “universo primordiale”, si contrae anziché espandersi perciò il Big Bang diventa una parte evolutiva di quello che i cosmologi chiamano Big Bounce.

Per discriminare tra l’inflazione cosmica e le altre descrizioni, diventa necessario capire se tali modelli possono essere testati per dimostrare la loro validità. Infatti, alcuni scienziati hanno sollevato dei dubbi sull’inflazione cosmica, poiché la sua versatilità, estremamente elevata, la rende quasi impossibile da testare in maniera appropriata.

“Il problema della falsificabilità dovrebbe essere alla base di ogni teoria scientifica”, dice Avi Loeb del Center for Astrophysics (CfA) a Cambridge nel Massachuttes. “Il modello dell’inflazione cosmica è alquanto versatile e non può essere falsificato sperimentalmente. Non importa quale valore venga misurato perché ci saranno sempre dei modelli in grado di spiegarlo”.    

Oggi, però, un gruppo di ricercatori guidato da Xingang Chen del CfA e Zhong-Zhi Xianyu del dipartimento di Fisica dell’università di Harvard, ha applicato ai modelli cosmologici non-inflazionari un nuovo concetto che essi chiamano “orologio standard primordiale”. In altre parole, si tratta di un metodo alternativo che può essere utilizzato per testare sperimentalmente l’inflazione cosmica.

Al fine di trovare qualche deviazione che permetta di discriminare tra i vari modelli inflazionari, gli scienziati sono partiti da una proprietà caratteristica, ossia l'evoluzione delle dimensioni fisiche dell’universo primordiale. “Ad esempio, durante l’inflazione, il volume dell’universo cresce esponenzialmente”, spiega Xianyu. “Ma in alcuni modelli, le sue dimensioni diminuiscono, in certi casi lentamente e in altri molto velocemente”.

“Finora, i colleghi che hanno proposto la misura di osservabili di solito fanno fatica a distinguere tra i vari modelli poichè non sono direttamente collegate all'evoluzione delle dimensioni dell’universo primordiale”, aggiunge Xianyu. “Perciò, abbiamo cercato di capire quali potrebbero essere le osservabili direttamente collegate a questa proprietà fisica caratteristica”.

I segnali generati dagli “orologi standard primordiali” possono servire a tale scopo. L’orologio rappresenta una qualsiasi particella pesante dell’universo primordiale. Queste particelle, che dovrebbero esistere in ogni modello, oscillano regolarmente ad una determinata frequenza, un po’ come il tichettio di un orologio a pendolo.  

L’universo primordiale non era completamente uniforme. C’erano delle minuscole irregolarità di densità su piccole scale che poi sono diventate nel corso del tempo quei “siti cosmici” da cui sono emerse le grandi strutture che osserviamo oggi. Questa è l’informazione primaria che gli scienziati hanno a disposizione e su cui si basano per comprendere ciò che accadde all’universo prima del Big Bang.

I ticchettii dell’orologio standard generano dei segnali che rimangono impressi nella struttura di queste irregolarità. Ora, nei vari modelli che descrivono l'universo primordiale gli orologi standard predicono segnali diversi dato che le storie evolutive risultano differenti.

“Se immaginiamo che tutta l’informazione finora acquisita su ciò che accadde prima del Big Bang sia rappresentata in una serie di immagini, allora l’orologio standard ci dice come dovrebbero apparire tali immagini”, dice Chen. “Senza l’informazione collegata all’orologio, non sappiamo se il film cosmico proceda avanti o indietro, o con quale velocità, così come non siamo sicuri se l’universo primordiale stesse passando da una fase di espansione o contrazione, e a quale ritmo. Ed è qui che sta il problema. L’orologio standard fissa data e ora su ogni immagine, indicando così quando e in che modo è stato girato il film prima del Big Bang”.

I ricercatori hanno calcolato come dovrebbero apparire gli orologi standard nei modelli non-inflazionari e suggeriscono una via per la loro ricerca. “Se troviamo un segnale riconducibile all’universo durante la sua fase di contrazione, allora potremo provare che l’intero modello dell’inflazione cosmica è falso”, dice Xianyu.

Il successo di questa idea sta nell’esperimento. “Pensiamo che questi segnali siano molto deboli e quindi difficili da rivelare”, aggiunge Chen. “Tuttavia dovremo considerare diverse situazioni. La radiazione cosmica di fondo rappresenta un banco di prova così come la struttura delle galassie”.

Le future survey che saranno realizzate da LSST (Large Synoptic Survey Telescope), Euclid e dal recente progetto SPHEREx della NASA dovrebbero fornire dati a sufficienza e di qualità elevata per raggiungere l’obiettivo. “Abbiamo già iniziato la ricerca di questi segnali. Al momento disponiamo di qualche buon candidato ma avremo bisogno di raccogliere più dati”, conclude Chen.