Stringhe cosmiche dal Big Bang

Uno studio condotto sulle pulsar suggerisce che le stringhe cosmiche si sarebbero create nei primissimi istanti di formazione dell'universo

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I cosmologi ritengono che, nelle primissime fasi di esistenza dell’universo, per una breve frazione di secondo, tutte le forze della natura fossero unificate. Successivamente, man mano che l’universo andava a espandersi e a raffreddarsi, questa superforza si è scissa nelle componenti che oggi tutti conosciamo: gravità, elettromagnetismo, forza debole e forza forte.

Secondo alcuni calcoli, il cosmo avrebbe subito un rapido raffreddamento, a seguito del quale ci sarebbe stata una frattura del tessuto spazio-temporale, con la successiva creazione di una rete di sottilissimi tubi, pieni di energia, che si estendono lungo tutta l’ampiezza dell’universo osservabile.

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Questa potrebbe essere una possibile versione sull’origine delle stringhe cosmiche.

Previste già nel 1976, per lungo tempo le stringhe cosmiche non sono potute rientrare, per carenze tecniche, nel campo della sperimentazione. Adesso, invece, alcuni fisici ritengono di avere delle precise evidenze sull’esistenza di queste enormi strutture unidimensionali.

Kai Schmitz, un fisico teorico del CERN, impegnato nello studio delle stringhe cosmiche, nutre un minimo di ottimismo sulla loro esistenza, anche se sottolinea che la strada per dichiarare formalmente la loro scoperta, è ancora lunga da percorrere.

Secondo Eugene Lim, del King’s College di Londra, la scoperta delle stringhe cosmiche rappresenterebbe il risultato del secolo.

I nuovi dati, che potrebbero fornire delle indicazioni sulla presenza delle stringhe cosmiche, provengono da NANOGrav, un gruppo di astronomi che monitora costantemente una dozzina di stelle rotanti morte – le pulsar.

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Queste pulsar emettono dai loro poli delle onde radio, così che dalla Terra noi possiamo vedere dei lampi regolari tutte le volte che i raggi attraversano la linea di osservazione, come le luci di un faro. Infatti, i segnali di pulsar sembrano così innaturalmente regolari, che, quando fu scoperta, nel 1967, la prima pulsar fu chiamata LGM-1, ovvero Little Green Men (Piccoli Uomini Verdi).

Le pulsar sono considerate come dei precisi cronometristi. Pertanto, quando i loro segnali sono distorti, i fisici capiscono che deve essere successo qualcosa. In particolare, i ricercatori sono interessati a quelle distorsioni causate dalle onde gravitazionali – increspature dello spazio-tempo che, quando attraversano le pulsar, modificano il tempo di arrivo del segnale sulla Terra. Queste onde gravitazionali possono provenire dalla vibrazione delle stringhe cosmiche, dalle collisioni di buchi neri giganti, o da altri violenti processi cosmici.

Le recenti analisi effettuate dal gruppo NANOGrav mettono insieme più di 12 anni di osservazioni su dozzine di pulsar, realizzate attraverso i radio telescopi diffusi nel Nord America. Nell’articolo che riporta i risultati, i ricercatori hanno scoperto che i segnali emessi da tutte le pulsar subivano lo stesso tipo di distorsione, con delle frequenze attribuibili a quelle delle onde gravitazionali. Così come è invece possibile che questa distorsione sia dovuta a qualcosa di sconosciuto, come una sorgente di rumore comune a tutte le pulsar, o un errore negli orologi che misurano l’arrivo dei segnali sulla Terra.

I teorici hanno già iniziato a speculare sulle spiegazioni cosmiche del segnale rilevato dal NANOGrav, anche se mancano ancora tutte le caratteristiche per confermare che la distorsione del segnale sia dovuta a onde gravitazionali: ovvero un tipo di correlazione nella temporizzazione delle pulsar che si verifica a causa del modo alternato in cui le onde gravitazionali allungano e schiacciano lo spazio-tempo. È necessario disporre di maggiori dati sulla temporizzazione delle pulsar prima che la comunità scientifica possa affermare che il segnale è dovuto a onde gravitazionali.

Il lavoro del gruppo NANOGrav ha generato una rapida reazione tra i fisici impegnati nello studio delle stringhe cosmiche. Tra questi, lo stesso Kai Schmitz, che, insieme a Simone Blasi e Vedran Brdar, ha redatto un articolo nel quale si sostiene che i dati potrebbero essere interpretati come provenienti da stringhe cosmiche, nel caso in cui queste stringhe fossero state create quando l’universo aveva una temperatura estremamente alta. Si tratta di una temperatura che i fisici definiscono di allarme, perché coincide con il punto in cui si ritiene che tutte le forze, quella forte, quella debole e quella elettromagnetica, fossero unificate.

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Dopo il Big Bang, la superforza unificata si sarebbe scomposta nelle forze della natura a noi note, attraverso una serie di transizioni di fase, un po’ come il processo di passaggio dell’acqua dallo stato liquido a quello solido. Questo processo casuale avrebbe creato le stringhe cosmiche, come crepe nello spazio-tempo, allo stesso modo in cui si formano le crepe nei cubetti di ghiaccio.

L’espansione dell’universo ha determinato una corrispondente crescita delle stringhe cosmiche. Ma qualche vota, le stringhe si piegano su se stesse o collidono con altre stringhe, provocando un distacco di anelli con emissione di energia. Questi anelli di stringhe continuerebbero a oscillare per miliardi di anni, perdendo gradualmente la loro energia a seguito dell’emissione di onde gravitazionali.

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Presi collettivamente, questi anelli vibranti dovrebbero creare il segnale, associato a un’onda gravitazionale, che sarebbe stato osservato dal NANOGrav (c’è da osservare che non ci si attende che questo tipo di segnale venga rilevato dal LIGO, l’osservatorio di onde gravitazionali che rileva le collisioni di buchi neri e di stelle di neutroni). Se ciò fosse vero, sarebbe la prima finestra aperta dai fisici su quelle transizioni di fase primordiali.

Un’altra possibilità è che le stringhe cosmiche possano derivare dalle piccole corde vibranti della teoria delle stringhe. Alcuni modelli della teoria delle stringhe suggeriscono che l’enorme crescita subita dalle stringhe sarebbe avvenuta durante la rapida espansione iniziale del cosmo. Le differenze nella tensione di questo tipo di stringhe cosmiche e nel modo in cui gli anelli si staccano andrebbero a creare una forma univoca di onda gravitazionale, che li distingue da altri tipi.

Il possibile segnale di onda gravitazionale, rilevato dal gruppo NANOGrav, potrebbe anche provenire da buchi neri giganti, i quali, invece, sono ben noti.

Quasi tutte le galassie più grandi, fra cui la Via Lattea, hanno al loro centro un buco nero di grandi dimensioni, con un peso che supera di milioni di miliardi di volte quello del Sole. Se due galassie si fondono, i loro buchi neri cominceranno a ruotare uno intorno all’altro, e il loro moto spiraleggiante crea delle onde gravitazionali.

Finora non sono state osservate fusioni di buchi neri giganti. Per Jenny Greene, un’astronoma della Princeton University, il fatto che ancora non si abbia alcuna idea in merito alla loro fusione, rappresenta un gap nella nostra conoscenza dell’universo.

John Ellis, un fisico delle particelle del King’s College, ha trovato che la forma del segnale rilevato dal NANOGrav è più simile a quello che ci si aspetta dalle stringhe cosmiche che da buchi neri giganti.

Altri ricercatori hanno esplorato la possibilità che il NANOGrav possa osservare buchi neri o radiazione dalla materia oscura.

Oltre al NANOGrav, l’European Pulsar Timing Array e il Parkes Pulsar Timing Array, in Australia, forniranno i loro dati. Il nuovo telescopio cinese FAST e il telescopio MeerKAT, ubicato in Sud Africa, lavoreranno insieme, nello sforzo internazionale alla ricerca delle onde gravitazionali da pulsar.

Fonte: quantamagazine.org