Crepe nello spaziotempo: forse individuata la prima conferma alla teoria delle stringhe

Le nuove scoperte di NANOGrav, il North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, potrebbero diventare la "scoperta del secolo", se i dati raccolti fossero stati effettivamente generati da una rete di filamenti giganti - stringhe cosmiche - lasciati dalla nascita dell'universo

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Una delle teorie più controverse del 21° secolo, comunemente definita “teoria del tutto“, è la teoria delle stringhe che suggerisce che l’universo sia un riflesso di particelle elementari puntiformi, loop unidimensionali teorici estremamente piccoli di stringhe vibranti visti matematicamente come invisibili fili di pura energia, più sottili di un atomo ma lunghi anni luce alla lunghezza di Planck di 10 ^ -33 cm, un miliardo di miliardi di volte più piccoli di un protone che trasporta massa e correnti elettriche. La loro densità estremamente elevata, che si pensa si sia formata quando regioni dello spaziotempo con proprietà diverse si sono messe in contatto tra loro nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang, quando l’universo ha subito una rapida espansione e poi si è raffreddato rapidamente, potrebbe aver causato un cambiamento di fase nei campi quantistici, come l’acqua che si congela in ghiaccio.

Cambiamenti di fase quantistici nell’universo primordiale

Questi cambiamenti di fase quantistici nell’universo primordiale – l’idea che l’universo, simmetrico all’inizio, abbia perso simmetria e acquisito difetti mentre si espandeva e si raffreddava – secondo il fisico teorico Tom Kibble, che nel 1976 ha creato l’idea delle stringhe cosmiche, difetti unidimensionali che si allungano come stringhe nell’universo, “avrebbero causato l’allineamento dei campi con orientamenti diversi, provocando nuovamente crepe – stringhe cosmiche che sarebbero apparse solo ai margini di vaste regioni grandi quanto l’universo osservabile“.
L’enorme quantità di energia che contengono le renderebbe anche estremamente pesanti: pochi centimetri potrebbero pesare quanto l’Everest. Le corde cosmiche, tuttavia, sono particolarmente problematiche, spiega Kibble, che ha scritto che “cercare direttamente le corde cosmiche sarebbe inutile“.

Energie fantastiche – miliardi di volte superiori a quelle del LHC

Una congettura contraria suggerisce che le corde potrebbero essersi formate con un’energia troppo bassa per emettere segnali rilevabili, o che antiche stringhe cosmiche hanno ormai irradiato tutta la loro energia e sono svanite nel nulla rapidamente dopo il Big Bang. “Questi filamenti intergalattici incredibilmente sottili dovrebbero trattenere energie fantastiche, più di un miliardo di volte maggiori di quelle rilasciate dalle particelle frantumate nel Large Hadron Collider. Purtroppo, non è possibile costruire un acceleratore per testare la fisica su quella scala“, spiega Ken Olum, un fisico teorico alla Tufts University che studia le stringhe cosmiche, in particolare gli effetti osservabili, come le onde gravitazionali, che potrebbero permetterci di rilevare la rete di stringhe cosmiche, se esiste.
Le stringhe cosmiche, osserva Olum, sono una potenziale fonte di uno sfondo stocastico di onde gravitazionali che possono essere rilevate da matrici di temporizzazione pulsar o osservatori come LIGO.
Nel 2016, è stato rilevato un enigmatico oggetto simile a un serpente, forse una corda cosmica – un filamento di energia grezza di dimensioni galattiche che può passare attraverso lo spaziotempo – lungo circa 2,3 anni luce e incurvato verso il buco nero supermassiccio, chiamato Sagittario A * (Sgr A *), situato nel centro galattico. L’autore del rilevamento è stato l’astrofisico Farhad Yusef-Zadeh della Northwestern University che ha segnalato l’insolito filamento utilizzando il Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) della NSF. Questo filamento potrebbe avere profonde implicazioni per la comprensione della gravità, dello spazio-tempo e dell’universo stesso.
Abbiamo, però, ancora molto lavoro da fare per scoprire qual è la vera natura di questo filamento“, afferma Mark Morris dell’UCLA, che ha guidato lo studio e utilizza osservatori radio, infrarossi e a raggi X per studiare il Centro galattico. I teorici avevano predetto che le stringhe cosmiche, nel caso esistessero, dovrebbero migrare verso il centro delle galassie, dove potrebbero essere individuate una volta che una parte della stringa attraversasse l’orizzonte degli eventi del buco nero.

Un punto di svolta? Dati Pulsar da NANOGrav

Ora i nuovi dati della pulsar di NANOGrav suggeriscono la presenza di stringhe cosmiche. Pulsar esotiche, stelle morte, emettono impulsi di onde radio dai loro poli, e dalla Terra vediamo lampi regolari ogni volta che questi raggi attraversano la nostra linea di vista, come i lampi di un faro, un fenomeno noto come Pulsar Timing Array, o PTA. Sottili aberrazioni nel lampeggiamento meccanico di queste stelle morte potrebbero diventare “il risultato del secolo” se le distorsioni fossero prodotte da una rete di filamenti giganti lasciati dalla nascita dell’universo.
Quando i PTA sono distorti, i fisici sanno che sta succedendo qualcosa. NANOGrav scandaglia la Via Lattea per rilevare le onde gravitazionali con l’aiuto delle pulsar. In particolare, i ricercatori cercano distorsioni causate dalle onde gravitazionali – increspature nello spazio-tempo che, quando passano attraverso le pulsar, cambiano il tempo di arrivo dei blip sulla Terra. Queste onde gravitazionali, come suggeriscono nuove congetture, potrebbero provenire dalla vibrazioni di corde cosmiche – “melodie” che possono essere scritte su corde corrispondenti alle leggi della chimica – collisioni di buchi neri supermassicci, o altri processi cosmici violenti.
L’ultima analisi di NANOGrav, ha riferito Quanta il 9 settembre, “raccoglie più di 12 anni di osservazioni di dozzine di pulsar da radiotelescopi sparsi in tutto il Nord America. Il documento è ancora in fase di revisione tra pari, ma i ricercatori hanno scoperto che qualcosa distorce i segnali emessi da tutte le pulsar nello stesso modo e con le frequenze che ci si aspetta dalle onde gravitazionali. Resta possibile,tuttavia, che questo modello provenga invece da una fonte di rumore sconosciuta e comune nelle pulsar o negli orologi che misurano l’arrivo dei blip sulla Terra.
Non possiamo dire con certezza se si tratta di rumore o di un segnale di onde gravitazionali“, ha affermato Alberto Sesana, ex presidente dell’International Pulsar Timing Array, un consorzio che gestisce diversi progetti tra cui NANOGrav.
L’articolo di NANOGrav ha provocato una rapida reazione tra i fisici che lavorano su corde cosmiche, con un articolo scritto in collaborazione con Vedran Brdar: “NANOGrav ha trovato le prime prove per le stringhe cosmiche?” Se si sostiene che i dati potrebbero essere interpretati come provenienti da stringhe cosmiche, se le stringhe fossero state create quando l’universo aveva una certa temperatura ultraelevata, questa temperatura “suonerà sempre un campanello” tra i fisici, ha detto il coautore dell’articolo, Kai Schmitz, perché è il punto del Big Bang in cui si ritiene che le forze forti, deboli ed elettromagnetiche erano unificate.
Fonte: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics