Inflazione: la cosmologia dopo la scoperta di BICEP2

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Non si sono fatte attendere le prime reazioni da parte della comunità scientifica alla scoperta, annunciata la settimana scorsa, dei modi B primordiali nella radiazione cosmica di fondo tramite le osservazioni dell’esperimento BICEP2.
La notizia, diffusa tramite conferenza stampa dall’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Boston, rappresenta una prova schiacciante (la “smoking gun”, come si dice in gergo) della teoria dell’inflazione cosmologica.
La sua portata, tuttavia, va ben oltre a questo. Accanto ad aneddoti che hanno essenzialmente i contorni del gossip (come la scommessa tra Stephen Hawking e Nils Turok), diversi scienziati in tutto il mondo hanno già cominciato a valutare quale può essere l’impatto di questa scoperta nei campi della cosmologia e della fisica teorica.
Un impatto, sicuramente, destinato a essere notevole. Molte teorie avanzate per descrivere le prime fasi dell’universo, infatti, hanno un valore quasi puramente speculativo data l’oggettiva difficoltà nel raccogliere conferme o smentite osservative.
Lo studio degli effetti delle onde gravitazionali primordiali nella radiazione cosmica di fondo, tuttavia, pone dei vincoli quantitativi che possono essere visti come dei “requisiti” a tali teorie: se esse li soddisfano ne escono rafforzate, altrimenti risultano penalizzate, nel rispetto del metodo scientifico nella sua accezione galileiana. In questo senso sta avvenendo in questi giorni una sorta di “estinzione di massa” per svariate famiglie di teorie cosmologiche.
Proviamo a descrivere brevemente come lo “tsunami” della scoperta di BICEP2 sta cambiando l’ecosistema della cosmologia teorica attuale.

Inflazione caotica

Il vincolo maggiore imposto dai dati di BICEP2 riguarda le scale di energia in gioco durante il periodo di inflazione, che risultano essere molto elevate. Si parla di qualcosa come 1016 GeV. Questo valore corrisponde a quello previsto dalla teoria di grande unificazione (Great Unification Theory, GUT) delle interazioni elettromagnetiche, nucleari deboli e nucleari forti. Qualunque teoria che non preveda queste scale di energia per l’inflazione sembra ora fortemente compromessa. L’inflazione, da questo punto di vista, non è un’unica teoria monolitica, ma presenta numerose varianti in competizione tra loro, ciascuna delle quali produce previsioni teoriche specifiche.
Secondo il fisico russo Andrei Linde, uno dei padri dell’inflazione, “i dati di BICEP2 elimineranno circa il 90% degli attuali modelli inflativi”. Se non sembra particolarmente scontento nell’affermare questo, è perché il modello da lui ideato nel 1986, chiamato “inflazione caotica”, risulta promosso a pieni voti. Il modello di inflazione caotica prevede che il tasso di espansione dello spazio-tempo durante il periodo inflativo subisca fluttuazioni quantistiche, facendo in modo che alcune regioni di universo continuino a crescere dominando sulle altre. “I modelli di inflazione caotica – spiega Sabino Matarrese, cosmologo teorico all’Università di Padova – ne escono sicuramente rafforzati, perché prevedono un’ampiezza delle onde gravitazionali in accordo con i dati di BICEP2.” L’inflazione caotica di Linde, ora come ora, è diventato il modello che descrive più accuratamente il processo inflativo.

Universo ciclico

Decisamente incompatibile risulta un altro importante modello teorico: quello dell’universo ciclico, proposto dagli statunitensi Paul Steinhardt e Neil Turok nel 2001. Secondo questa teoria, che ha il grande pregio di non necessitare del controverso concetto di “energia oscura”, lo scenario “Big Bang + inflazione” della cosmologia standard è sostituito con la fluttuazione di un unico campo di energia che determina la rinascita ciclica dell’universo in una successione infinita di Big Bang ogni circa 1012 anni.
“Il modello ciclico – prosegue Matarrese – è da considerarsi definitivamente tramontato, in quanto non prevede un’ampiezza rilevante per il fondo stocastico di onde gravitazionali, il che lo rende assolutamente incompatibile con i dati BICEP.” Mentre Steinhardt ha pubblicamente affermato che la teoria dell’universo ciclico è “morta”, Turok si mostra ancora particolarmente scettico, sia sulla bontà della “smoking gun” sia sulla teoria stessa dell’inflazione: “Gli autori [il gruppo di BICEP2, ndR] non spiegano appieno perché sono così convinti di quello che hanno dichiarato nei giorni scorsi – dice in un’intervista alla BBC. – Il problema della teoria dell’inflazione è che non spiega realmente l’inizio di tutto”.

Assioni

Già poche ore dopo l’annuncio dello Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics è uscito il preprint di un articolo in cui il cosmologo David Marsh e alcuni suoi collaboratori del Perimeter Institute for Theoretical Physic di Waterloo, in Canada, analizzano alcune implicazioni teoriche della scoperta effettuata dal gruppo di BICEP2, con particolare riferimento alle teorie che prevedono l’uso di assioni. Gli assioni sono particelle elementari ipotizzate (ma mai osservate) nel tentativo di risolvere alcuni problemi del Modello Standard delle particelle elementari, e rappresentano un candidato per la materia oscura. Nell’articolo, Marsh e colleghi concludono che svariati modelli teorici basati sugli assioni devono essere eliminati. “Alcuni di questi modelli – precisa Marc Kamionkowski della Johns Hopkins University – tramontano perché richiedono che l’inflazione agisca a energie inferiori a quelle indicate dai dati di BICEP2.”

Teoria delle stringhe e LQG

Quando si sposta lo sguardo verso le grandi teorie sulla gravità quantistica (quelle che tentano di unificare la relatività generale con la meccanica quantistica), le opinioni sono molto più variegate e meno nette. Parliamo in particolare della teoria delle stringhe e della cosiddetta “gravità quantistica a loop” (Loop Quantum Gravity, LQG). “È molto difficile allo stato attuale valutare le conseguenze delle onde gravitazionali in queste teorie – commenta Carlo Rovelli, fisico al Centre de Physique Theorique de Luminy di Marsiglia e uno dei fondatori della LQG. – La discussione è vivace nella comunità scientifica e ci sono pareri differenti. È ancora presto per dare delle risposte. Penso che sia meglio aspettare che si depositi un po’ il polverone.”

Aspettando Planck

Per proseguire con le ricerche bisognerà aspettare l’arrivo di altri dati. Cruciali saranno quelli provenienti dal satellite europeo Planck, che dal 2009 studia la radiazione cosmica di fondo. Sostiene Matarrese, che è membro del team di Planck: “L’analisi attualmente in corso dei dati di Planck ha tutta la potenzialità di essere decisiva sul quadro in questione. Questi nuovi dati potranno infatti portare ad una conferma del risultato, e a un forte miglioramento della conoscenza in questa direzione, oppure potrebbero portare a un risultato in conflitto con BICEP2”. Dello stesso parere Rovelli: “C’è un po’ di inconsistenza tra i vecchi dati di Planck e quelli di BICEP2, e i nuovi dati di Planck dovrebbero chiarire la situazione.” Insomma, di fronte a fisici teorici e cosmologi si sta spalancando un terreno prima d’ora inesplorato: “La grande notizia da BICEP2 – spiega Rovelli – sta proprio nel fatto che stiamo cominciando a vedere cose completamente nuove”.

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