Una delle teorie più conosciute e praticabili sull’origine dell’universo è la teoria del Big Bang, l’idea che ci troviamo in una massiccia esplosione avvenuta 13,8 miliardi di anni fa. Ma, naturalmente, è ancora chiamata teoria per un motivo: non risponde a tutte le domande su quel che siamo oggi.
Sperando di basarsi sul Big Bang, il fisico americano Alan Guth ha proposto la teoria dell’inflazione cosmica nel 1981. Da allora, l’inflazione cosmica è diventata un concetto importante nello studio dell’universo primordiale, al punto che è attualmente integrata nel Modello Standard di Cosmologia (SMC) che abbraccia la teoria del Big Bang.
Cos’è l’inflazione cosmica?
La teoria dell’inflazione cosmica propone un periodo di espansione esponenziale estremamente rapido dell’universo durante i suoi primi istanti (a partire da 10 −36 secondi dopo la singolarità del Big Bang, per l’esattezza).
L’astrofisico Ethan Siegels spiega il termine “espansione esponenziale” come segue:
“Se l’Universo fosse pieno di radiazioni, si espanderebbe come la radice quadrata del tempo: ovvero la distanza tra te e questa particella si ridimensiona come ~t1/2. Se il l’Universo fosse pieno di materia, si espanderebbe come il tempo alla potenza dei due terzi: la distanza tra te e questa particella scala come ~t2/3. Ma quando l’Universo si gonfia, lo spazio si espande in modo esponenziale: come ~eHt, dove H è il tasso di espansione dell’Universo.”
In poche parole, l’universo si è sviluppato da un minuscolo granello (contenente ipoteticamente l’intero spazio), in qualcosa di molto, molto più grande. L’inflazione cosmica spiega come ciò sia avvenuto in modo uniforme nonostante la rapidità del processo.
Poiché non sono note le particelle che potrebbero essere responsabili del processo inflazionistico, il fisico Alan Guth ha proposto un ipotetico campo scalare chiamato “campo di inflazione“. L’inflazione è un campo quantistico che permea tutto lo spazio e il tempo e contiene energia che esiste anche nel vuoto.
Il campo quantistico dell’inflazione inizia con una grande quantità di energia del vuoto. Secondo la teoria dell’inflazione, dopo il periodo di espansione, l’inflazione decade, trasformandosi in materia regolare e radiazione.
Quali problemi risolve l’inflazione cosmica?
Come accennato in precedenza, la teoria dell’inflazione cosmica è arrivata per risolvere alcuni “ma” della cosmologia del Big Bang. Non si può comprendere appieno la teoria dell’inflazione cosmica senza prendere in considerazione i problemi che dovrebbe risolvere, quindi eccoli qui.
Il problema della planarità
Alan Guth iniziò a sviluppare la teoria dell’inflazione cosmica dopo aver assistito a una conferenza di Robert Dicke sul problema della planarità dell’universo.
Il problema della planarità si chiede fondamentalmente perché la densità dell’universo è così vicina alla densità critica. La densità critica è la densità media della materia necessaria affinché la gravità fermi l’espansione dell’universo. Un universo con la densità critica si dice piatto. Tuttavia, secondo la cosmologia del Big Bang, la curvatura dell’universo dovrebbe crescere con il tempo.
Tra il 2001 e il 2010, il veicolo spaziale senza equipaggio della NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ha studiato il fondo cosmico a microonde e ha prodotto dati che indicano che l’universo è, in effetti, relativamente piatto. Ma il processo di inflazione cosmica spiegherebbe la quasi piattezza rilevata dal WMAP.
Il problema dell’orizzonte
Il problema dell’orizzonte viene anche chiamato problema dell’omogeneità perché mette in dubbio il motivo per cui l’universo è uniforme in tutte le direzioni, una proprietà chiamata isotropia.
Molte regioni dello spazio distanti in direzioni opposte sono così distanti che, assumendo un’espansione standard del Big Bang, non avrebbero mai potuto essere in contatto causale l’una con l’altra. Questo perché il tempo di viaggio (per la luce), supera l’età dell’universo. Eppure la ricerca ha dimostrato che la temperatura cosmica di fondo delle microonde è uniforme in tutto l’universo: questo ci dice che queste regioni devono essere state in contatto tra loro in passato.
Come possono le zone estremamente distanti nello spazio avere la loro materia e le radiazioni distribuite in modo così uniforme quando sono troppo distanti per essere state in contatto casuale l’una con l’altra?
Ancora una volta, l’inflazione cosmica è la risposta. La sua integrazione nella teoria del Big Bang implica che ci fosse una fase nell’universo primordiale in cui tutto era molto più vicino. Perché l’universo venga “gonfiato” o espanso, deve essere stato prima “sgonfiato” o contratto.
Le zone distanti dello spazio hanno ottenuto la stessa temperatura mentre interagivano tra loro prima che iniziasse il processo inflazionistico e la mantenevano al termine.
Il problema del monopolio magnetico
La cosmologia del Big Bang prevede che un numero molto elevato di “monopoli magnetici” pesanti e stabili (ipotetiche particelle costituite da un magnete isolato con un solo polo magnetico), avrebbe dovuto essere prodotto nell’universo primordiale. Tuttavia, i monopoli magnetici non sono mai stati osservati, quindi se esistono, sono molto più rari di quanto predice la teoria del Big Bang.
Perché i monopoli magnetici non sono stati osservati nell’universo come previsto dalla teoria del Big Bang?
L’inflazione consente l’esistenza di monopoli magnetici, ma solo se sono stati prodotti prima del periodo di inflazione. Durante l’inflazione, la densità dei monopoli è diminuita in modo esponenziale, quindi anche la loro abbondanza è scesa a livelli non rilevabili.
Prove e detrattori
La teoria dell’inflazione cosmica è stata criticata da numerosi scienziati, incluso uno dei suoi co-fondatori, il fisico americano Paul Steinhardt.
Nel 2013, Steinhardt e il suo team hanno analizzato i dati raccolti dal satellite Planck e hanno concluso che questo sembrava escludere i modelli inflazionistici più semplici. Quelli più complessi, tuttavia, richiedevano più parametri, una messa a punto più fine di quei parametri e condizioni iniziali più improbabili.
Steinhardt lo definì “il problema dell’improbabilità“. Parlò anche di “cattiva inflazione” e “buona inflazione”. Il primo è un periodo di espansione accelerata che porta ad un risultato che contraddice le osservazioni, mentre il secondo è compatibile con esse. “Non solo è più probabile una cattiva inflazione di una buona inflazione, ma anche l’assenza di inflazione è più probabile”, ha spiegato in un articolo intitolato The Inflation Debate.
L’improbabilità è supportata da scienziati come il matematico britannico Roger Penrose.
Principi termodinamici applicati per contare le possibili configurazioni di partenza del campo di inflazione
Alcune di queste configurazioni portano all’inflazione e quindi a una distribuzione quasi uniforme e piatta della materia e una forma geometricamente piatta. Altre configurazioni portano direttamente a un universo uniforme e piatto, senza inflazione. Entrambi i set di configurazioni sono rari, quindi nel complesso è improbabile ottenere un universo piatto. La conclusione scioccante di Penrose, tuttavia, è stata che ottenere un universo piatto senza inflazione è molto più probabile che con l’inflazione.
La teoria dell’inflazione cosmica è stata anche accusata di essere troppo flessibile, nel senso che può aprire la strada a così tanti risultati che non c’è modo di confutarla o di provarla.
Ma i dati sembrano indicare che l’inflazione cosmica non lega solo le estremità in sospeso della teoria del Big Bang, che potrebbe essere corretta, almeno in qualche forma. È stata ampiamente accettata da molti fisici perché ha portato anche a nuove previsioni che sono state confermate dall’osservazione.
Ad esempio, la teoria dell’inflazione cosmica prevedeva una temperatura post-inflazione dell’universo di ~10 19 GeV nella scala di Planck, un valore che è stato successivamente convalidato da studi sul fondo cosmico a microonde.
La teoria prevedeva anche l’esistenza di fluttuazioni del superorizzonte (variazioni di densità nell’universo primordiale che formavano i semi di tutte le strutture dell’universo). Queste fluttuazioni sono state confermate dai dati di polarizzazione raccolti dal satellite Planck e dal WMAP della NASA.
Come dice Ethan Siegel: “L’inflazione ha letteralmente raggiunto ogni soglia richiesta dalla scienza, con nuovi test intelligenti che diventano possibili con osservazioni e strumentazione migliorate. Ogni volta che è stato possibile raccogliere i dati, le previsioni sull’inflazione sono state verificate”.
