La teoria del Big Bang è in crisi. Siamo sul punto di assistere ad una rivoluzione cosmologica?

Quello che i cosmologi sanno, e neanche tanto bene, si riduce al 5% dell'universo osservabile, il restante 95% costituito da materia oscura e dall'energia oscura sfugge totalmente alla comprensione.

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Gli astronomi grazie a una serie di osservazioni hanno stabilito che l’universo dopo essere emerso da uno stato ad alta temperatura e densità si espande da miliardi di anni. Nel corso dei decenni una serie di nuovi dati e nuove misurazioni ha permesso di perfezionare ancora di più l’evoluzione del cosmo. Il confronto delle misurazioni fatte fino ad ora sembrano confermare che il nostro universo si è evoluto proprio come prevede la Teoria del Big Bang.
Tuttavia, nonostante questo, i cosmologi non sono riusciti a spiegare alcune caratteristiche essenziali dell’universo. Quello che i cosmologi sanno, e neanche tanto bene, si riduce al 5% dell’universo osservabile, il restante 95% costituito da materia oscura e dall’energia oscura sfugge totalmente alla comprensione. Si brancola nel buio anche per quanto riguarda la materia ordinaria, protoni, elettroni e neutroni, non si sa perché si sono, per cosi dire, “salvati” dalla furia iniziale del Big Bang.
Per quanto i cosmologi e i ricercatori si sforzino, le leggi nella natura che hanno ricavato, sostengono che gli elementi che compongono tutto quello che osserviamo non dovrebbero esistere, semplicemente si sarebbero dovuti annullare con l’antimateria, comparsa secondo queste leggi nella stessa quantità della materia.
Inoltre, per spiegare quello che osservano, hanno dovuto introdurre un concetto che afferma che lo spaziotempo nei suoi primi istanti si è dilatato ad una velocità enorme in un minuscolo lasso di tempo, un concetto chiamato inflazione cosmica del quale non sappiamo nulla.
Forse questi enigmi, per quanto complessi un giorno verranno svelati. Tuttavia, nonostante la realizzazione di importanti esperimenti, l’obiettivo di catturare le particelle che compongono la materia oscura per ora è fallito. Anche il più potente acceleratore del mondo, il Large Hadron Collider non ha rivelato nulla che ci avvicini alla risoluzione di questi misteri.
Proprio per questo, alcuni cosmologi si stanno chiedendo se questi enigmi possono portare la ricerca verso un qualcosa di molto diverso dall’immagine che abbiamo del nostro universo e della sua nascita.
Abbiamo visto come i cosmologi hanno spiegato alcune osservazioni introducendo un qualcosa che le giustifichi, ad esempio, la materia oscura che sembra comporre gran parte della materia dell’universo che sembra costituita da un qualcosa che non interagisce con i fotoni e interagisce debolmente con la materia ordinaria.
Pur non sapendo nulla della materia oscura, i cosmologi ritengono che le particelle che la compongono interagiscono per mezzo di una forza approssimativamente potente quanto la forza debole nucleare (che governa il decadimento radioattivo), allora il numero di queste particelle che avrebbero dovuto emergere dal Big Bang corrisponderebbe approssimativamente alla quantità di materia oscura trovata oggi nell’universo. Queste particelle sono state chiamate WIMP o Weakly Interacting Massive Particle (particelle massive debolmente interagenti).
I fisici si sono impegnati in un ambizioso programma sperimentale per identificare queste sfuggenti particelle “WIMP” per capire come si sono formate durante il Big Bang. La ricerca di queste particelle è stata implementata grazie alla realizzazione di rivelatori di materia oscura sempre più sensibili posti in laboratori sotterranei in grado di rilevare collisioni tra una particella di materia oscura e gli atomi che compongono il bersaglio. Questi esperimenti sofisticati pur avendo funzionato magnificamente, addirittura oltre quanto progettato, non hanno osservato le collisioni sperate. Un decennio fa, molti scienziati erano ottimisti sul fatto che questi esperimenti avrebbero dato frutti, tuttavia la materia oscura si è rivelata molto più sfuggente di quanto immaginato.
Sebbene la caccia alle WIMP non sia ancora stata abbandonata, la mancanza di segnali negli esperimenti sotterranei ha portato molti fisici a rivolgere la loro attenzione verso altri candidati in grado di spiegare la materia oscura. Una delle particelle candidate è chiamata assione, e dovrebbe essere un’ipotetica particella ultra leggera.
Gli assioni sono previsti dalla teoria proposta dai fisici delle particelle Roberto Peccei e Helen Quinn nel 1977. Sebbene gli scienziati stiano cercando assioni in esperimenti che utilizzano potenti campi magnetici per convertirli in fotoni, queste ricerche devono ancora porre vincoli molto rigidi alle proprietà delle particelle stesse.
Esiste una possibilità che tutte queste particelle si siano formate in modo diverso da quanto ipotizzato. Ad esempio, le WIMP dovrebbero essere state prodotte in grande numero nel primo millesimo di secondo dopo il Big Bang, raggiungendo l’equilibrio con il plasma che permeava l’universo composto da quark, gluoni e altre particelle subatomiche. Il numero di WIMP che avrebbero dovuto giustificare la materia oscura presente oggi dipende dalla frequenza delle interazioni. Nei calcoli gli scienziati ipotizzano che lo spazio si sia espanso costantemente durante la prima frazione di secondo, senza eventi inaspettati. Ma è del tutto plausibile che semplicemente non sia andata così.
Purtroppo, pur avendo una buona conoscenza generale dell’universo, i cosmologi non hanno adeguate conoscenze dei primissimi istanti della sua formazione e quasi nulla circa il primo trilionesimo di secondo. Quando si tratta di come il nostro universo potrebbe essersi evoluto, o agli eventi che potrebbero aver avuto luogo durante questi primi momenti, sostanzialmente non abbiamo osservazioni dirette su cui fare affidamento. Questa era è celata alla vista, sotto strati impenetrabili di energia, distanza e tempo.
La comprensione di questo effimero lasso di tempo è, per molti aspetti, poco più di un’ipotesi basata su inferenza ed estrapolazione. La materia e l’energia esistevano in forme diverse rispetto a oggi e potrebbero aver sperimentato forze che non sono state ancora rilevate. Potrebbero essersi verificati eventi e transizioni che la scienza deve ancora scoprire.
Per questo, molti cosmologi hanno iniziato a considerare la possibilità che il non aver trovato le particelle che compongono la materia oscura potrebbe dirci molto non solo sulla natura della materia oscura stessa, ma anche sull’era in cui è stata creata. Studiando la materia oscura, gli scienziati stanno imparando qualcosa sui primi momenti dopo il Big Bang.

L’Universo si espande

L’espansione dell’Universo fu scoperta nel 1929 da Hubble che misurò la velocità di allontanamento delle galassie che più erano distanti, più velocemente si allontanano dalla Via Lattea. Da quella scoperta Hubble estrapolò il tasso di espansione che oggi è una costante che i cosmologi studiano. La costante di Hubble è stata di difficile calcolo e ancora oggi il suo valore non riscuote il consenso di tutti i cosmologi. I ricercatori combinando i dati più recenti, calcolano che l’universo si sta attualmente espandendo ad una velocità compresa tra 72 e 76 km / s / Mpc.
I cosmologi possono utilizzare un’altra strada per calcolare la costante di Hubble, studiando la luce primordiale emessa quando i primi atomi si formarono circa 380.000 anni dopo il Big Bang.
Questa luce, emessa in quei tempi lontani, è nota come sfondo cosmico a microonde e ci mostra come la materia era distribuita in tutto l’universo in quel momento rivelando alcuni dettagli interessanti, ad esempio quanta materia c’era e quanto rapidamente lo spazio si espandesse. Dallo sfondo si deduce anche un valore diverso della costante di Hubble, di circa 67 km / s / Mpc, un valore significativamente più piccolo di quello che i cosmologi hanno trovato attraverso misurazioni dirette. Una discrepanza tra i due sistemi che determinano la costante di Hubble che è incompatibile nel contesto del modello cosmologico standard.
Per rendere questi risultati coerenti, gli astronomi sarebbero costretti a cambiare il modo in cui pensano che il cosmo si sia espanso ed evoluto, o di riconsiderare le forme di materia ed energia nell’universo durante le prime centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang.
Nonostante decenni di sforzi, i misteri su materia ed energia oscura rimangono, come rimane da comprendere l’inflazione cosmica. Tuttavia i cosmologi ritengono di trovarsi davanti a una possibile rivoluzione, forse i primi momenti dell’universo sono molto diversi da come li hanno immaginati.
Secondo la teoria generale della relatività, la velocità con cui lo spazio si espande dipende dalla densità della materia e dall’energia che contiene. Quando i cosmologi deducono il valore della costante di Hubble dal fondo cosmico a microonde, devono fare ipotesi sulla quantità di materia oscura, neutrini e altre sostanze presenti.
Forse, per spiegare la discrepanza tra le diverse misurazioni della costante di Hubble si potrebbe ipotizzare che il cosmo contenesse più energia del previsto durante i primi centomila anni dopo il Big Bang. Questa energia potrebbe aver preso la forma di una specie esotica di luce e particelle debolmente interagenti, o di un qualche tipo di energia oscura associata al vuoto che è scomparsa da tempo dall’universo.
Allo stesso modo anche i fisici del 1904 non erano ancora stati capaci di risolvere problemi come l’etere luminifero, l’orbita di Mercurio o il funzionamento del Sole. Tuttavia questi problemi sono stati il punto focale della rivoluzione in fisica. E nel 1905, la rivoluzione arrivò, inaugurata da Albert Einstein e dalla teoria della relatività.
Quando gli scienziati hanno combinato la relatività con la teoria della fisica quantistica, è diventato possibile spiegare la longevità del Sole, nonché il funzionamento interno degli atomi. Queste nuove teorie hanno aperto le porte a nuove linee di indagine in precedenza inimmaginabili, compresa quella della cosmologia stessa.
Le rivoluzioni scientifiche possono trasformare profondamente il modo in cui vediamo e comprendiamo il nostro mondo. Ma un cambiamento radicale non è mai facile da osservare. Probabilmente non c’è modo di dire se i misteri affrontati oggi dai cosmologi siano i segni di una imminente rivoluzione scientifica o semplicemente gli ultimi pochi punti in sospeso di uno sforzo scientifico concluso.
Non c’è dubbio, i cosmologi hanno compiuto progressi incredibili nella comprensione dell’universo, della sua storia e della sua origine. Ma è innegabile che gli esseri umani rimangono disarmati e incerti quando la cosmologia affronta i primi istanti della storia dell’universo che nasconde i suoi segreti che se svelati  apriranno le porte a una rivoluzione scientifica senza precedenti.
Fonte: https://astronomy.com/magazine/news/2020/05/is-the-big-bang-in-crisis

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