Crepe nello spazio, le stringhe cosmiche

Se davvero trovassimo stringhe cosmiche, ci troveremmo di fronte a un grosso problema perché sarebbero un'altra prova che la fisica è più complicata di quanto l'attuale modello cosmologico ci permetta di capire

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Lo spaziotempo, emerso dal Big Bang, potrebbe nascondere delle strutture simili a crepe chiamate stringhe cosmiche che i nostri strumenti di osservazione non sono ancora in grado di rilevare.

Queste stringhe cosmiche, ammesso esistano, dovrebbero essere delle strutture nate pochi istanti dopo il Big Bang, quando il cosmo neonato in forte espansione ha attraversato una transizione di fase portandosi da uno stato denso e caldissimo a uno stato più simile a quello che osserviamo in epoche successive della sua esistenza.

Grazie all’espansione inflazionistica l’universo si è raffreddato formando le prime strutture che hanno gettato le basi per la nascita di stelle e galassie.

La transizione di fase non sarebbe iniziata nello stesso istante in ogni luogo dell’universo, ma sarebbe avvenuta in alcuni punti del cosmo prima che in altri. Enormi bolle di “universo” si sarebbero formate ed espanse diffondendosi e permeando tutto il cosmo nascente.

In questa fase, lo stato ad alta energia avrebbe potuto sopravvivere ai confini tra le bolle, andando a formare delle stringhe cosmiche dove le regioni in rapido raffreddamento non si sarebbero fuse tra loro.

Queste crepe, o stringhe cosmiche potrebbero essere ancora osservabili nello sfondo cosmico a microonde sotto forma di calore residuo dell’universo primordiale.



Uno studio ha però spiegato che le stringhe cosmiche potrebbero essere troppo deboli per essere rilevata dai nostri strumenti più avanzati.

Oscar Hernández, fisico della McGill University di Montreal e coautore del documento intervistato da “Live science” ha dichiarato che le stringhe cosmiche sono oggetti difficili da immaginare per questo fa un’analogia con il nostro mondo:

Hai camminato su un lago ghiacciato? Hai notato crepe che si intersecano attraverso il ghiaccio sulla superficie del lago? È ancora abbastanza solido. Non c’è nulla di cui aver paura, ma ci sono crepe“.

Le crepe nei ghiacciai si formano attraverso un processo di transizione di fase simile a quello che porta alla formazione delle stringhe cosmiche.

Il ghiaccio è acqua che ha attraversato una transizione di fase“, ha aggiunto Hernandezle molecole d’acqua sono libere di muoversi come un fluido, e poi all’improvviso, da qualche parte, iniziano a formarsi in un cristallo. L’acqua inizia a tessere sé stessa in piastrelle, che sono [spesso] esagoni”.

Ora, immagina di avere piastrelle che sono esagoni perfetti e piastrellano [il lago]. Se qualcuno dall’altra parte del lago comincia a tessere a sua volta, non c’è praticamente nessuna possibilità che le tue tessere si allineino con le sue”.

I punti di incontro imperfetti sulla superficie di un lago ghiacciato formano lunghe crepe. Nel tessuto in cui lo spazio tempo si intersecano, formano stringhe cosmiche – se la fisica sottostante è corretta”.

Nello spazio esistono dei campi che determinano il comportamento delle forze e delle particelle fondamentali. Le prime transizioni di fase dell’universo hanno condotto alla nascita di questi campi.

Potrebbe esserci un campo relativo a qualche particella che deve, in un certo senso, scegliere una direzione per congelare e raffreddare. E poiché l’universo è davvero grande, potrebbe scegliere direzioni diverse in diverse parti dell’universo“.

Ora, se questo campo obbedisce a determinate condizioni… Allora, quando l’universo si sarà raffreddato ci saranno linee di discontinuità, ci saranno linee di energia che non possono raffreddarsi“. ha concluso Hernández.

Oggi quei punti di incontro apparirebbero come linee di energia infinitamente sottili che attraversano lo spaziotempo.

Stringhe cosmiche e teoria delle stringhe

Tuttavia, bisogna aggiungere che se davvero trovassimo stringhe cosmiche, ci troveremmo di fronte a un grosso problema perché sarebbero un’altra prova che la fisica è più complicata di quanto l’attuale modello cosmologico standard ci permetta di capire, ha detto Hernández.

In questo momento, la teoria più completa della fisica delle particelle è conosciuta come il Modello standard. Include particelle fondamentali come i quark e gli elettroni che compongono gli atomi, e particelle più esotiche come il bosone di Higgs e i neutrini.

Gran parte dei fisici, però, ritiene che il Modello standard sia incompleto. Sono state avanzate numerose ipotesi su come completarlo, dalle particelle supersimmetriche, alla teoria delle superstringhe, l’idea che tutte le particelle e le forze possano essere spiegate come vibrazioni di piccole “stringhe” multidimensionali (La teoria delle stringhe è un’altra cosa rispetto alle stringhe cosmiche).

Molte estensioni del Modello Standard che piacciono molto alla gente – come molte teorie sulle superstringhe e altre – portano naturalmente a stringhe cosmiche dopo che l’inflazione [post-Big Bang] ha avuto luogo“, ha spiegato Hernández. “Quindi quello che abbiamo è un oggetto previsto da moltissimi modelli, quindi se esse non dovessero esistere, allora tutti questi modelli dovranno essere esclusi“.

A partire dal 2017, come hanno scritto Hernández e il suo co-autore nel loro articolo, sono aumentati i tentativi di individuare stringhe cosmiche nel CMB.

Hernández, insieme a Razvan Ciuca del Marianopolis College di Westmount, nel Quebec, avevano sostenuto in passato che una rete neurale convoluzionale – un potente software per la ricerca di schemi – sarebbe lo strumento migliore per individuare le prove dell’esistenza delle stringhe nel CMB.

Supponendo una mappa perfetta e senza il rumore della CMB, hanno scritto in un documento risalente al 2017, un computer dotato di quel tipo di rete neurale dovrebbe essere in capace di trovare stringhe cosmiche anche se i loro livelli di energia (o “tensione”) sono estremamente bassi.

Ma rivisitando l’argomento nello studio del 2019, hanno dimostrato che in realtà è quasi certamente impossibile fornire dati CMB abbastanza puliti affinché la rete neurale POSSA rilevare le stringhe cosmiche.

Altre fonti di microonde più luminose oscurano il CMB e sono difficili da filtrare  completamente. Anche i migliori strumenti a microonde sono imperfetti, con una risoluzione limitata e fluttuazioni casuali nella loro precisione di registrazione da un pixel all’altro.

I due ricercatori hanno cosi scoperto che questi fattori si sommano a un livello di perdita di informazioni che nessun metodo attuale o futuro di registrazione e analisi della CMB sarà mai in grado di superare. Questo metodo di caccia alle stringhe cosmiche è, secondo loro, un vicolo cieco, ma come hanno aggiunto, non tutto è perduto.

Esiste un’altra possibilità di trovare le stringhe cosmiche, il metodo potrebbe basarsi sulle misurazioni accurate dell’espansione dell’universo andando a leggere le zone più antiche di esso.

Questo metodo – chiamato mappatura dell’intensità di 21 centimetri – non si basa sullo studio dei movimenti delle singole galassie o su immagini della CMB, spiega Hernández, bensì, si basa su misurazioni della velocità con cui gli atomi di idrogeno mediamente si stanno allontanando dalla Terra in tutte le zone dello spazio profondo.

I migliori osservatori per la mappatura dei 21 cm (così chiamato perché l’idrogeno emette energia elettromagnetica con una lunghezza d’onda caratteristica di 21 cm) non sono ancora operative. Ma quando lo saranno, sostengono gli autori, esiste la possibilità di trovare le prove dell’esistenza delle stringhe cosmiche.

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