“Eliminare l’ipotesi singolarità o Big Bang, che ha le sue origini alla fine degli anni ’20, quando l’astronomo statunitense Edwin Hubble scoprì che quasi tutte le galassie si stanno allontanando l’una dall’altra a velocità sempre più elevate, riporta l’Universo che rimbalza allo stadio teorico della cosmologia“.
“L’assenza di una singolarità all’inizio dello spaziotempo apre la possibilità che le vestigia di una precedente fase di contrazione possano aver resistito al cambiamento di fase (tra contrazione ed espansione) e possano essere ancora con noi nell’espansione in corso dell’Universo“, ha detto il fisico brasiliano Juliano Cesar Silva Neves.
Un universo prima del Big Bang
Sebbene per cinque decenni la teoria del Big Bang sia stata la spiegazione più conosciuta e condivisa per l’inizio e l’evoluzione dell’Universo, non gode certo di un consenso equanime tra gli scienziati. Alcuni fisici stanno ora ipotizzando la possibilità che esistano vestigia di un Universo precedente al Big Bang.
Il grande rimbalzo
“L’idea di un “grande rimbalzo” esiste da decenni in una forma o nell’altra“, scrive Jonas Mureika, fisico teorico e docente di fisica presso la Loyola Marymount University e il Kavli Institute for Theoretical Physics, UC Santa Barbara.
“L’idea di base è evitare la singolarità a t=0 (tempo del Big Bang) e r=0 (dove tutta la materia e l’energia sono state compresse in un volume infinitamente piccolo), poiché la nostra descrizione matematica dello spaziotempo (e quindi la nostra teoria preferita) a quel punto crolla. Questo è simile ai problemi della fisica dei buchi neri, che a sua volta ha soluzioni simili per rimuovere la singolarità“.
“La correzione quantistica”
“Il nocciolo del problema”, osserva Mureika, “è che la nostra descrizione di questa fisica è classica, cioè una previsione della Relatività Generale, ed è per questo che sorgono le singolarità. Le teorie semplicemente non funzionano a quel punto”.
“È molto probabile, tuttavia, che la fisica che governa il regno delle singolarità classiche – energia estremamente piccola ed estremamente elevata – sia di natura quantistica. Quindi, le regole cambiano in alcuni modi affascinanti e l’introduzione di una nuova fisica consente a questo di avere un senso“.
“Quando la fisica classica si guasta, cerchiamo di sostituire le parti rotte con una correzione quantistica. Se la singolarità è a r=0, allora uno dei modi per evitarlo è non lasciare che la fisica agisca su r=0. Cioè, imponiamo una lunghezza minima (di solito la lunghezza di Planck, ma non sempre) al di sotto della quale l’universo non può essere sondato”.
“Ciò rimuove gli infiniti che affliggono la singolarità e consente alle nostre teorie di comportarsi bene. In uno scenario di “grande rimbalzo”, le pressioni quantistiche a questa lunghezza minima fermano sostanzialmente l’implosione dell’universo e gli consentono di espandersi nuovamente. Di nuovo, esistono idee simili con i buchi neri, chiamati stelle di Planck”.
La Cosmologia ciclica conforme (CCC) di Roger Penrose
“Un altro approccio è quello di cambiare la nostra nozione della struttura dello spaziotempo stesso”, spiega Mureika, “e di come si comporta nei limiti piccoli e grandi. Questo è incarnato nel quadro della Cosmologia ciclica conforme (CCC) ipotizzata nel 2012 dal premio Nobel Roger Penrose, in cui il limite molto piccolo dell’universo (singolarità) è identico al limite molto grande (espansione accelerata ‘infinita’)”.
“Questo viene fatto da una trasformazione conforme sulla metrica dello spaziotempo (la cosa che definisce le linee rette e le distanze più brevi), che è un modo elegante per dire che allunghiamo e pieghiamo lo spaziotempo preservando alcune caratteristiche geometriche (ad esempio gli angoli)”.
“Ora sappiamo che l’universo sta davvero attraversando una fase di espansione accelerata, quindi questo aggiunge peso all’idea di Penrose e uccide quelle precedenti (cioè l’universo non si contrae, quindi non può “rimbalzare” nei modi precedentemente pensati). Ciò consente all’universo di “rinascere” mentre si espande indefinitamente, quindi c’è un ciclo ripetuto di big bang. Penrose chiama questi cicli eoni“.
Fossili “CMB”
“Naturalmente“, conclude Mureika, “una teoria è valida solo quanto è possibile verificarla a livello sperimentale, quindi la sfida è rilevare le impronte digitali rivelatrici di questi modelli”.
“Il punto di riferimento per la cosmologia dell’universo primordiale è il Cosmic Microwave Background (CMB), che rappresenta un’impronta del primo tempo che possiamo vedere. Si ritiene che la CMB contenga informazioni di epoche precedenti, incluso il big bang (se è successo)”.
“Queste si manifesteranno, ad esempio, come firme geometriche, modelli nelle fluttuazioni di temperatura, sovra/sottodensità di clustering, ecc. Rilevare una tale firma sarebbe una scoperta monumentale e aiuterà la gravità quantistica e la ricerca cosmologica a modellare i loro percorsi futuri”.
L’immersione profonda di Brian Keating
“In contrasto con l’inflazione“, osserva Brian Keating, illustre professore di fisica presso la UC San Diego, autore di Losing the Nobel Prize e conduttore del podcast INTO THE IMPOSSIBLE.
“Ci sono molti altri possibili meccanismi della singolarità presenti nella maggior parte delle versioni della teoria del Big Bang. Due delle alternative più importanti alla singolarità del Big Bang sono il modello Bouncing di Anna Ijjas e Paul Steinhardt e la Conformal Cyclic Cosmology (CCC) di Sir Roger Penrose“.
“Entrambi condividono la caratteristica di non produrre i cosiddetti modelli di ‘polarizzazione primordiale B-mode’, il risultato di onde gravitazionali residue prodotte nella maggior parte dei modelli di inflazione cosmica, che presenta anche una concomitante singolarità spazio-temporale”.
“In questo senso, entrambi i modelli, Bouncing e CCC, sono falsificabili, ad esempio se gli attuali o futuri esperimenti di polarizzazione B-mode come BICEP Array o l’Osservatorio Simons dovessero rilevare e confermare i B-mode primordiali, queste alternative sarebbero smentite”.
I Punti Hawking
“Il modello CCC prevede anche la presenza dei cosiddetti ‘Hawking Points’”, spiega Keating, “regioni di energia concentrata causate dai buchi neri coalescenti di precedenti ‘eoni’ che sarebbero, secondo Penrose e collaboratori, una prova a sostegno della CCC.
“Le prove dell’esistenza dei punti Hawking dal satellite Planck dell’ESA sono già state rivendicate. Ma tali affermazioni sono state contestate anche dai membri del team di Planck. I prossimi esperimenti come BICEP Array e l’Osservatorio Simons saranno in grado di escludere o confermare le prove per gli Hawking Points che equivarrebbero a prove per il modello CCC”.
Rispecchiando il modello “Bouncing Universe”, Neves, in un articolo pubblicato su General Relativity and Gravitation, propone di eliminare la necessità della singolarità spazio-temporale cosmologica e sostiene che l’attuale fase di espansione è stata preceduta da una contrazione.
Neves fa parte di un gruppo di ricercatori che osano immaginare un’origine diversa. Nello studio pubblicato sulla rivista General Relativity and Gravitation, Neves suggerisce l’eliminazione di un aspetto chiave del modello cosmologico standard: la necessità della singolarità spaziotemporale nota come Big Bang.
Sfidare l’idea che il tempo abbia avuto un inizio
Nel sollevare questa possibilità, Neves sfida l’idea che il tempo abbia avuto un inizio e reintroduce la possibilità che l’espansione attuale sia stata preceduta da una contrazione.
“Credo che il Big Bang non sia mai accaduto“, ha detto il fisico, che lavora come ricercatore presso l’Istituto di matematica, statistica e calcolo scientifico dell’Università di Campinas (IMECC-UNICAMP) nello stato di San Paolo, in Brasile.
Per Neves, la fase di rapida espansione dello spaziotempo non esclude la possibilità di una precedente fase di contrazione. Inoltre, il passaggio dalla contrazione all’espansione potrebbe non aver distrutto ogni traccia della fase precedente.
Presentazione del “fattore di scala”
L’articolo, che riflette il lavoro sviluppato nell’ambito del Progetto Tematico “Fisica e geometria dello spaziotempo”, prende in considerazione le soluzioni alle equazioni della relatività generale che descrivono la geometria del cosmo e poi propone l’introduzione di un “fattore di scala” che rende il tasso in cui l’Universo si sta espandendo dipendono non solo dal tempo ma anche dalla scala cosmologica.
“Per misurare la velocità con cui l’Universo si sta espandendo con la cosmologia standard, il modello in cui c’è un Big Bang, viene utilizzata una funzione matematica che dipende solo dal tempo cosmologico“, ha detto Neves, che ha elaborato l’idea con Alberto Vazques Saa, professore all’IMECC-UNICAMP e anche supervisore del progetto post-dottorato di Neves, finanziato dalla Sao Paulo Research Foundation – FAPESP.
Con il fattore di scala, lo stesso Big Bang, o singolarità cosmologica, cessa di essere una condizione necessaria affinché il cosmo inizi l’espansione universale.
Un concetto della matematica che esprime l’indefinitezza, la singolarità, è stato usato dai cosmologi per caratterizzare la “singolarità cosmologica primordiale” avvenuta 13,8 miliardi di anni fa, quando tutta la materia e l’energia dell’Universo erano compresse in uno stato iniziale di densità e temperatura infinite, dove le tradizionali leggi della fisica non si applicano più.
Dagli anni ’40 in poi, gli scienziati guidati dalla teoria della relatività generale di Einstein costruirono un modello dettagliato dell’evoluzione dell’Universo dal Big Bang.
Tale modello potrebbe portare a tre possibili esiti: l’espansione infinita dell’Universo a velocità sempre più elevate; la stagnazione dell’espansione dell’Universo su base permanente; oppure un processo inverso di retrazione causato dall’attrazione gravitazionale esercitata dalla massa dell’Universo, quello che è noto come Big Crunch.
Neves concettualizza che la “cosmologia del rimbalzo” è radicata nell’ipotesi che un Big Crunch lascerebbe il posto a un’eterna successione di universi, creando condizioni estreme di densità e temperatura al fine di istigare una nuova inversione nel processo, lasciando il posto all’espansione in un altro rimbalzo.
Fossili di buchi neri
I buchi neri sono il punto di partenza delle indagini di Neves sul “Bouncing Universe”.
“Chissà, potrebbero esserci resti di buchi neri nell’espansione in corso che risalgono alla precedente fase di contrazione e sono passati intatti attraverso il collo di bottiglia del rimbalzo“, ha detto.
Costituiti dal nucleo imploso che rimane dopo l’esplosione di una stella gigante, i buchi neri sono una sorta di oggetto cosmico il cui nucleo si è contratto per formare una singolarità, un punto con densità infinita e la più forte attrazione gravitazionale nota. Nulla gli sfugge, nemmeno la luce.
Secondo Neves, un buco nero non è definito dalla singolarità, ma piuttosto dall’orizzonte degli eventi, una membrana che indica il punto di non ritorno dal quale nulla sfugge all’inesorabile destino di essere inghiottito e distrutto dalla singolarità.
La simulazione Illustris, qui sotto, che visualizza l’universo con il modello standard del Big Bang è la simulazione al computer più ambiziosa mai eseguita. Il calcolo tiene traccia dell’espansione dell’universo, dell’attrazione gravitazionale della materia su se stessa, del movimento del gas cosmico, nonché della formazione di stelle e buchi neri.
“Al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un normale buco nero, non ci sono grandi cambiamenti, ma al suo interno i cambiamenti sono radicali. C’è uno spaziotempo diverso che evita la formazione di una singolarità“.
Il fattore di scala formulato da Neves e Saa è stato ispirato dal fisico statunitense James Bardeen. Nel 1968, Berdeen usò un trucco matematico per modificare la soluzione delle equazioni della relatività generale che descrivono i buchi neri.
Il trucco consisteva nel pensare alla massa di un buco nero non come una costante, come in precedenza, ma come una funzione che dipende dalla distanza dal centro del buco nero. Con questo cambiamento, dalla soluzione delle equazioni è emerso un buco nero diverso, chiamato buco nero regolare.
“I buchi neri regolari sono consentiti, poiché non violano la relatività generale. Il concetto non è nuovo ed è stato spesso rivisitato negli ultimi decenni”, ha affermato Neves.
Poiché l’inserimento di un trucco matematico nelle equazioni della relatività generale potrebbe impedire la formazione di singolarità nei buchi neri regolari, Neves ha pensato di creare un artificio simile per eliminare la singolarità in un rimbalzo regolare.
Nella scienza, dice il filosofo Karl Popper, una teoria non ha valore se non può essere verificata, per quanto bella e stimolante possa essere. Come si verifica l’ipotesi di un Big Bang che non sia iniziato con una singolarità?
“Cercando tracce dei eventi avvenuti nella fase di contrazione che potrebbero essere rimasti nella fase di espansione in corso. Quali tracce? I candidati includono i resti di buchi neri di una precedente fase di contrazione universale che potrebbero essere sopravvissuti al rimbalzo“, ha detto Neves.
