La Teoria della Relatività Generale formulata da Einstein è in grado di fare luce su una vasta gamma di fenomeni astrofisici e cosmologici ma non ha spiega alcuni aspetti delle proprietà dell’Universo su larga scala. Uno studio della Penn State University, pubblicato il 29 luglio sulla rivista Physical Review Letters, utilizza la cosmologia quantistica ad anello (Loop Quantum Cosmology) – una teoria che usa la meccanica quantistica per estendere la fisica gravitazionale oltre la teoria della relatività generale di Einstein – per dare una risposta ai quesiti su tali anomalie.
L’immagine ingrandita dell’Universo appare abbastanza uniforme con una struttura su larga scala, dato che le galassie e la materia oscura non sono distribuite uniformemente in tutto il cosmo. L’origine di questa struttura è stata fatta risalire alle piccole disomogeneità osservate nella Cosmic Microwave Background (Cmb) – la radiazione cosmica di fondo emessa quando l’Universo aveva 380 mila anni, visibile ancora oggi. La Cmb ha alcune caratteristiche che vengono definite enigmatiche e anomale dalla comunità scientifica, proprietà che la fisica non è stata ancora in grado di chiarire.
«Osservare una di queste anomalie potrebbe non essere così statisticamente notevole – spiega Donghui Jeong autore dello studio – vederne due o più insieme suggerisce che viviamo in un Universo eccezionale. Uno studio di recente pubblicazione ha proposto una spiegazione per una di queste anomalie che ha sollevato così tante preoccupazioni da segnalare una possibile crisi nella cosmologia. Usando la cosmologia quantistica ad anello tuttavia abbiamo risolto due di queste anomalie naturalmente, evitando quella potenziale crisi».
La ricerca degli ultimi tre decenni ha notevolmente migliorato la nostra comprensione dell’Universo primordiale, incluso il modo in cui le anomalie sono state prodotte nella Cmb. Queste disomogeneità sono il risultato di inevitabili fluttuazioni quantistiche nell’Universo primordiale. Durante una fase di espansione molto accelerata in tempi molto precoci – nota come inflazione – queste fluttuazioni primordiali e minuscole sono state allungate sotto l’influenza della gravità e hanno seminato le disomogeneità osservate nella Cmb.
«Per capire come sono nati i semi primordiali abbiamo bisogno di uno sguardo più da vicino all’Universo primordiale, dove la teoria della relatività fallisce – afferma Abhay Ashtekar della Penn State – il paradigma inflazionistico standard basato sulla relatività generale considera il tempo spaziale come un continuum omogeneo. Un esempio concreto può essere rappresentato da una camicia che appare come una superficie bidimensionale, ma a un esame più attento, è possibile vedere il tessuto composto da fili unidimensionali. In questo In questo modo, il tessuto dello spazio-tempo è realmente tessuto da fili quantici. Una volta riconosciuta l’esistenza di questi fili la cosmologia quantistica ad anello ci consente di andare oltre il continuum descritto dalla relatività generale in cui la fisica di Einstein non funziona, ad esempio oltre il Big Bang».
Le ricerche precedenti sull’universo primordiale hanno sostituito l’idea di una singolarità del Big Bang, in cui l’Universo è emerso dal nulla, con il Big Bounce, in cui l’attuale Universo in espansione è emerso da una massa super-compressa creata dalla contrazione dell’Universo nella sua fase precedente. Gli scienziati hanno scoperto che tutte le strutture su larga scala del cosmo spiegate dalla relatività generale sono ugualmente chiarite dall’inflazione avvenuta dopo questo Big Bounce: una spiegazione possibile grazie all’inserimento di equazioni della cosmologia quantistica ad anello.
Nel nuovo studio i ricercatori della Penn State hanno determinato che l’inflazione nell’ambito della cosmologia quantistica ad anello risolve alcune delle principali anomalie che compaiono nella relatività generale. «Le fluttuazioni primordiali di cui stiamo parlando si verificano su una scala incredibilmente piccola di Planck – conclude Brajesh Gupt ricercatore presso la Penn State – una lunghezza di Planck è di circa 20 ordini di grandezza più piccola del raggio di un protone. Ma le correzioni all’inflazione su questa scala più piccola spiegano simultaneamente due delle anomalie delle scale più grandi dell’universo, in un tango cosmico tra il piccolissimo e l’infinitamente grande».
Lo studio fornisce nuove previsioni sull’Universo che le future missioni satellitari come LiteBird della Jaxa e Cosmic Origins Explorer dell’Esa potrebbero testare per migliorare la nostra comprensione del cosmo primordiale.
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