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Un trilionesimo di secondo prima dell’espansione del Big Bang

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Il riscaldamento è stato un periodo folle, durante il quale tutto è andato in tilt“, afferma David Kaiser, professore di storia della scienza a Germeshausen e professore di fisica al MIT.

Secondo la teoria del Big Bang, riporta il MIT, da qualche parte circa 13,8 miliardi di anni fa l’universo esplose, come una palla di fuoco di materia infinitamente piccola e compatta che si raffreddò mentre si espandeva, innescando reazioni che diedero origine alle prime stelle e galassie, e tutto il resto. le forme della materia che vediamo (e siamo) oggi.

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Le quattro fasi del Big Bang

Ci sono state quattro fasi principali dell’era del Big Bang: (1) l’inizio dell’universo come singolarità nello spazio e nel tempo, (2) un periodo di inflazione cosmica in cui l’universo è cresciuto e si è raffreddato in modo esponenziale, (3) un episodio di riscaldamento, della durata di solo un trilionesimo di secondo, in cui l’energia potenziale dell’inflazione è decaduta in tutte le particelle elementari della fisica, e infine (4) la normale espansione dell’Universo in cui i quark si sono combinati in protoni e neutroni e le quattro forze fondamentali della fisica separati nelle loro forme distintive.

Mostriamo che la materia interagiva così fortemente in quel momento [di riscaldamento] che poteva anche raffreddarsi in modo corrispondentemente rapido“, ha continuato Kaiser, “preparando magnificamente il terreno per il Big Bang. Non sapevamo che fosse così, ma è quello che sta emergendo da queste simulazioni, tutte con fisica nota. Questo è ciò che è eccitante per noi“.

Poco prima che il Big Bang lanciasse l’universo nel suo corso in continua espansione, i fisici ritengono che ci fosse stata un’altra fase più esplosiva dell’universo primordiale in gioco: l’inflazione cosmica. Durante questo periodo, la materia, una sostanza fredda e omogenea, si è gonfiata in modo esponenziale rapidamente prima che i processi del Big Bang prendessero il sopravvento per espandere e diversificare più lentamente l’universo infantile.

Osservazioni recenti hanno sostenuto indipendentemente teorie sia per il Big Bang che per l’inflazione cosmica. Ma i due processi sono così radicalmente diversi l’uno dall’altro che gli scienziati faticano a concepire come l’uno sia seguito all’altro.

Ora, i fisici al MIT, al Kenyon College e altrove hanno simulato in dettaglio una fase intermedia dell’universo primordiale che potrebbe aver collegato l’inflazione cosmica con il Big Bang.

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Questa fase, nota come riscaldamento, si è verificata alla fine dell’inflazione cosmica e ha coinvolto processi che hanno lottato con la materia fredda e uniforme dell’inflazione nella zuppa ultra calda e complessa che era in atto all’inizio del Big Bang.

Mettere il “Bang” nel Big Bang

Il periodo di riscaldamento successivo all’inflazione crea le condizioni per il Big Bang e, in un certo senso, mette il ‘bang’ nel Big Bang“, afferma Kaiser. “È questo periodo ponte in cui si scatena l’inferno e la materia si comporta in modo tutt’altro che semplice“.

Kaiser ha dichiarato: “Il modello del Big Bang è stato una guida di notevole successo per aiutare astronomi, fisici e cosmologi a dare un senso al comportamento e all’evoluzione del nostro universo in un arco di circa 14 miliardi di anni. Eppure lo stesso modello del Big Bang si basa su vari presupposti, in particolare sulle condizioni iniziali all’inizio dell’evoluzione dell’universo. La più importante di queste ipotesi è che in tempi molto antichi l’universo fosse pieno di materia che avrebbe potuto formare nuclei e successivamente atomi; che le particelle avevano energie medie così alte da comportarsi come radiazioni; e che la materia che riempiva l’universo era in equilibrio termico”.

L’epoca del riscaldamento

Ha continuato: “L’epoca del riscaldamento, immediatamente successiva alla fine dell’inflazione cosmica, è un breve periodo durante il quale tutte e tre queste condizioni possono essere soddisfatte. I tipi di materia che hanno determinato l’inflazione decadono rapidamente in altre forme di materia, comprese le particelle elementari del Modello Standard della fisica delle particelle, di cui è composta la materia ordinaria, e forse anche nelle particelle che si comportano come materia oscura. Il trasferimento violento e rapido di energia dalla materia che guida l’inflazione produce particelle di prodotto di decadimento che tendono ad avere energie molto elevate, molto più alte delle masse delle particelle, quindi le particelle prodotte si comportano proprio come la radiazione. E così tante di queste nuove particelle vengono prodotte così rapidamente che si disperdono rapidamente l’una dall’altra”.

Kaiser e i suoi colleghi hanno simulato in dettaglio come più forme di materia avrebbero interagito durante questo periodo caotico alla fine dell’inflazione. Le loro simulazioni mostrano che l’energia estrema che ha spinto l’inflazione avrebbe potuto essere ridistribuita altrettanto rapidamente, entro una frazione di secondo ancora più piccola, e in un modo che avrebbe prodotto le condizioni che sarebbero state necessarie per l’inizio del Big Bang.

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Il team ha scoperto che questa trasformazione estrema sarebbe stata ancora più rapida ed efficiente se gli effetti quantistici avessero modificato il modo in cui la materia risponde alla gravità a energie molto elevate, deviando dal modo in cui la teoria della relatività generale di Einstein prevede che materia e gravità dovrebbero interagire.

Questo ci consente di raccontare una storia ininterrotta, dall’inflazione al periodo post-inflazione, al Big Bang e oltre“, afferma Kaiser. “Possiamo tracciare una serie continua di processi, tutti con fisica nota, per dire che questo è un modo plausibile in cui l’universo è arrivato ad apparire come lo vediamo oggi“.

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I risultati del team sono apparsi su Physical Review Letters. I coautori di Kaiser sono l’autore principale Rachel Nguyen e John T. Giblin, entrambi del Kenyon College, e l’ex studente laureato del MIT Evangelos Sfakianakis e Jorinde van de Vis, entrambi dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi.

La teoria dell’inflazione cosmica, proposta per la prima volta negli anni ’80 da Alan Guth del MIT, il professore di fisica VF Weisskopf, prevede che l’universo sia iniziato come un granello di materia estremamente piccolo, forse circa un centomiliardesimo delle dimensioni di un protone.

Questo granello era pieno di materia ad altissima energia, così energetica che le pressioni all’interno generavano una forza gravitazionale repulsiva, la forza trainante dietro l’inflazione. Come una scintilla in una miccia, questa forza gravitazionale ha fatto esplodere l’universo bambino verso l’esterno, a un ritmo sempre più veloce, gonfiandolo a quasi un ottantotto di volte la sua dimensione originale (è il numero 1 seguito da 26 zeri), in meno di un trilionesimo un secondo.

Le prime fasi del riscaldamento dovrebbero essere contrassegnate da risonanze. Una forma di materia ad alta energia domina e si muove avanti e indietro in sincronia con se stessa attraverso grandi distese di spazio, portando alla produzione esplosiva di nuove particelle“, afferma Kaiser.

Questo comportamento non durerà per sempre“, aggiunge, “e una volta che inizierà a trasferire energia a una seconda forma di materia, le sue oscillazioni diventeranno più irregolari nello spazio. Volevamo misurare quanto tempo ci sarebbe voluto perché quell’effetto risonante si rompesse e le particelle prodotte si disperdessero l’una dall’altra e raggiungessero una sorta di equilibrio termico, che ricorda le condizioni del Big Bang”.

In una e-mail al The Daily Galaxy, Kaiser ha scritto: “La maggior parte di queste interazioni fisiche durante il riscaldamento coinvolge una fisica altamente non lineare, e quindi per capire davvero come procedono dobbiamo utilizzare sofisticate simulazioni numeriche. Con le nostre ultime simulazioni, io e i miei colleghi siamo stati in grado di dimostrare che tutti e tre questi risultati distinti – la produzione di una zuppa densa e calda di prodotti di decadimento che agiscono come radiazioni e si termalizzano rapidamente – possono verificarsi seguendo modelli di inflazione abbastanza semplici, senza necessità di inserire eventuali ingredienti aggiuntivi al modello. È stato molto emozionante vedere quanto efficientemente potessero svolgersi i processi di riscaldamento, fornendo un ponte tra l’epoca inflazionistica e le condizioni più familiari del big bang“.

Le simulazioni al computer del team rappresentano un grande reticolo su cui hanno mappato più forme di materia e hanno tracciato come la loro energia e distribuzione sono cambiate nello spazio e nel tempo mentre gli scienziati variavano determinate condizioni.

Le condizioni iniziali della simulazione erano basate su un particolare modello inflazionistico, una serie di previsioni su come la distribuzione della materia nell’universo primordiale potrebbe essersi comportata durante l’inflazione cosmica.

Gli scienziati hanno scelto questo particolare modello di inflazione rispetto ad altri perché le sue previsioni corrispondono strettamente a misurazioni ad alta precisione del fondo cosmico a microonde: un bagliore residuo di radiazioni emesse appena 380.000 anni dopo il Big Bang, che si pensa contenga tracce del periodo inflazionistico.

Un ritocco universale

La simulazione ha tracciato il comportamento di due tipi di materia che potrebbero essere stati dominanti durante l’inflazione, molto simili a un tipo di particella, il bosone di Higgs, che è stato recentemente osservato in altri esperimenti.

Prima di eseguire le simulazioni, il team ha aggiunto un leggero “ritocco” alla descrizione della gravità del modello. Mentre la materia ordinaria che vediamo oggi risponde alla gravità proprio come predisse Einstein nella sua teoria della relatività generale, la materia a energie molto più elevate, come quella che si pensa sia esistita durante l’inflazione cosmica, dovrebbe comportarsi in modo leggermente diverso, interagendo con la gravità in modi modificati dalla meccanica quantistica, o interazioni su scala atomica.

Nella teoria della relatività generale di Einstein, la forza di gravità è rappresentata come una costante, con ciò che i fisici chiamano accoppiamento minimo, il che significa che, indipendentemente dall’energia di una particolare particella, essa risponderà agli effetti gravitazionali con una forza fissata da una costante universale.

Tuttavia, alle altissime energie previste nell’inflazione cosmica, la materia interagisce con la gravità in un modo leggermente più complicato. Gli effetti quantomeccanici prevedono che la forza di gravità può variare nello spazio e nel tempo quando interagisce con la materia ad altissima energia, un fenomeno noto come accoppiamento non minimo.

Kaiser e i suoi colleghi hanno incorporato un termine di accoppiamento non minimo nel loro modello inflazionistico e hanno osservato come la distribuzione della materia e dell’energia cambiasse man mano che aumentavano o diminuivano questo effetto quantistico.

Alla fine hanno scoperto che più forte era l’effetto gravitazionale quantistico modificato nell’influenzare la materia, più velocemente l’universo passava dalla materia fredda e omogenea in inflazione alle forme di materia molto più calde e diverse che sono caratteristiche del Big Bang.

Regolando questo effetto quantistico, potrebbero far sì che questa transizione cruciale avvenga su 2 o 3 “e-fold”, riferendosi alla quantità di tempo necessaria all’universo per triplicare (circa) le sue dimensioni.

In questo caso, sono riusciti a simulare la fase di riscaldamento entro il tempo necessario all’universo per triplicare le dimensioni da due a tre volte. In confronto, l’inflazione stessa si è verificata in circa 60 e-fold.

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