Il nostro universo è davvero nato dal nulla?

Questa è forse una delle domande più grandi di tutte, perché fondamentalmente si chiede non solo da dove viene tutto, ma anche come è nato tutto. Ecco cosa ci dice la scienza sull'inizio dell'universo, almeno finora

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Questo frammento di una simulazione di formazione della struttura, con l’espansione dell’Universo in scala ridotta, rappresenta miliardi di anni di crescita gravitazionale in un Universo ricco di materia oscura. Si noti che i filamenti e gli ammassi, che si formano all’intersezione dei filamenti, sorgono principalmente a causa della materia oscura; la materia normale gioca solo un ruolo minore. ( Credito : Ralf Kaehler e Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn)
I resti di supernova (L) e le nebulose planetarie (R) sono entrambi i modi in cui le stelle riciclano i loro elementi pesanti bruciati nel mezzo interstellare e nella prossima generazione di stelle e pianeti. Questi processi sono due modi in cui vengono generati gli elementi pesanti necessari all’insorgere della vita basata sulla chimica, ed è difficile (ma non impossibile) immaginare un Universo senza che diano ancora origine a osservatori intelligenti. ( Crediti : ESO/VLT/FORS Instrument & Team (L); NASA/ESA/CR O’Dell (Vanderbilt) e D. Thompson (LBT) (R))
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  • gravitazione per unire tra loro piccole galassie e ammassi stellari, creando grandi galassie e innescando nuove onde di formazione stellare,
  • che richiedono raccolte di massa preesistenti, create dalla crescita gravitazionale,
  • che richiedono la formazione precoce di aloni di materia oscura, impedendo agli episodi di formazione stellare di espellere la materia nel mezzo intergalattico,
  • che richiedono il giusto equilibrio di materia normale, materia oscura e radiazione per dare origine al fondo cosmico a microonde, gli elementi luminosi formati nel caldo Big Bang e le abbondanze/modelli che vediamo in essi,
  • che richiedono fluttuazioni iniziali – imperfezioni di densità – per crescere gravitazionalmente in queste strutture,
  • che richiedono un modo per creare queste imperfezioni, insieme a un modo per creare materia oscura e creare le quantità iniziali di materia normale.
Una raccolta ugualmente simmetrica di bosoni materia e antimateria (di X e Y, e anti-X e anti-Y) potrebbe, con le giuste proprietà GUT, dar luogo all’asimmetria materia/antimateria che troviamo oggi nel nostro Universo. Tuttavia, assumiamo che ci sia una spiegazione fisica, piuttosto che divina, per l’asimmetria materia-antimateria che osserviamo oggi, ma non lo sappiamo ancora con certezza. ( Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)
  1. un insieme di condizioni fuori equilibrio, che sorgono naturalmente in un Universo in espansione e in raffreddamento,
  2. un modo per generare interazioni che violano il numero barionico, che il modello standard consente attraverso interazioni sphaleron (e gli scenari oltre il modello standard consentono in modi aggiuntivi),
  3. e un modo per generare abbastanza violazioni C e CP per creare un’asimmetria materia/antimateria in quantità sufficientemente grandi.
Le regioni overdense dell’Universo primordiale crescono nel tempo, ma sono limitate nella loro crescita sia dalle piccole dimensioni iniziali delle sovradensità che anche dalla presenza di radiazioni ancora energetiche, che impediscono alla struttura di crescere più velocemente. Sono Occorsi da decine a centinaia di milioni di anni per formare le prime stelle; tuttavia, i grumi di materia esistono molto prima. ( Credito : Aaron Smith/TACC/UT-Austin)
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  • l’essere creata termicamente nell’Universo primordiale caldo, senza poi riuscire ad annientarsi completamente, rimanendo in seguito stabile (come la particella supersimmetrica più leggera o Kaluza-Klein),
  • o da una transizione di fase avvenuta spontaneamente mentre l’Universo si espandeva e si raffreddava, strappando particelle massicce dal vuoto quantistico (ad esempio, l’assione),
  • come una nuova forma di neutrino, che a sua volta può mescolarsi con i neutrini conosciuti (cioè un neutrino sterile), o come un neutrino destro pesante che esiste in aggiunta ai neutrini convenzionali,
  • o come un fenomeno puramente gravitazionale che dà origine a una particella ultramassiccia (ad esempio, un WIMP).
L’Universo come lo osserviamo oggi è iniziato con il caldo Big Bang: uno stato iniziale caldo, denso, uniforme, in espansione con specifiche condizioni iniziali. Ma se vogliamo capire da dove viene il Big Bang, non dobbiamo presumere che sia l’inizio assoluto, e non dobbiamo presumere che tutto ciò che non possiamo prevedere non abbia un meccanismo per spiegarlo. ( Credito : C.-A. Faucher-Giguere, A. Lidz e L. Hernquist, Scienza, 2008)
  1. Possiamo seguire la strada di Lady Gaga, e semplicemente affermare che deve essere “nato in questo modo”. L’Universo è nato con queste proprietà, che chiamiamo condizioni iniziali, e non ci sono ulteriori spiegazioni. I fisici teorici, chiamiamo questo approccio “arrendersi”.
  2. Oppure possiamo fare ciò che i fisici teorici sanno fare meglio: provare a inventare un meccanismo teorico che potrebbe spiegare le condizioni iniziali, elaborando previsioni concrete che differiscono dallo standard, predizioni teoriche prevalenti e poi andando a cercare di misurare i parametri critici.
L’espansione esponenziale, che ha luogo durante l’inflazione, è così potente perché è implacabile. Con ogni ~10^-35 secondi (o giù di lì) che passano, il volume di una particolare regione dello spazio raddoppia in ciascuna direzione, causando la diluizione di qualsiasi particella o radiazione e facendo sì che qualsiasi curvatura diventi rapidamente indistinguibile da piatta. ( Credito : E. Siegel (L); Tutorial sulla cosmologia di Ned Wright (R))
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Anche nello spazio vuoto, le fluttuazioni quantistiche inerenti alla natura di campo delle interazioni fondamentali non possono essere rimosse. Quando l’Universo si gonfia nelle prime fasi, quelle fluttuazioni si estendono in tutto l’Universo, dando origine alla densità dei semi e alle fluttuazioni di temperatura che possono essere osservate ancora oggi. ( Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)
  1. Un tempo in cui la tua “cosa” di interesse non esisteva,
  2. Vuoto, spazio fisico,
  3. Spaziotempo vuoto nello stato di energia più bassa possibile,
  4. Qualunque cosa ti rimanga quando elimini l’intero Universo e le leggi che lo governano.
Le fluttuazioni nello spaziotempo stesso su scala quantistica si estendono attraverso l’Universo durante l’inflazione, dando origine a imperfezioni sia nella densità che nelle onde gravitazionali. Mentre gonfiare lo spazio può essere giustamente chiamato “nulla” per molti aspetti, non tutti sono d’accordo. ( Credito : E. Siegel; ESA/Planck e la task force interagenzia DOE/NASA/NSF sulla ricerca CMB)