Big Bang: trovate le prove dell'espansione cosmica

La rivelazione delle onde gravitazionali nell'esperimento BICEP2 al Polo Sud conferma la teoria dell'espansione cosmica (in termini scientifici, l'inflazione cosmica) e di fatto aggiunge un tassello chiave nella descrizione del Big Bang e di come si è sviluppato l'Universo.

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Le onde gravitazionali primordiali sarebbero state rilevate in quest'immagine che raccoglie la luce dell'universo primordiale.

Dopo giorni di anticipazioni e gossip, i ricercatori della collaborazione BICEP2 hanno annunciato oggi la prima prova diretta a sostegno della cosiddetta teoria dell'"inflazione cosmica" [Leggi che cos'è l'inflazione cosmica] e hanno rilasciato le prime immagini delle onde gravitazionali.

La portata della scoperta è eccezionale - paragonabile a quella del Bosone di Higgs -  perché oltre a dare una prova diretta delle onde gravitazionali, i dati dell'esperimento confermano che esiste una profonda connessione tra la meccanica quantistica e la relatività generale.
Ma andiamo con ordine.

I ricercatori di Bicep2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), un telescopio sensibile alle microonde installato in Antartide, hanno rilevato quello che viene chiamata polarizzazione primordiale B che è importante per almeno due motivi.

Innanzitutto perché finora esiste solo una rilevazione (indiretta) delle onde gravitazionali; e poi perché sarebbe la prima prova di un evento, l'inflazione cosmica" finora soltanto prevista teoricamente.

Le onde gravitazionali sono state previste già da Einstein nella sua Teoria della relatività generale quasi un secolo fa, e  sono state rilevate (indirettamente) da Russell Hulse e Joseph Taylor Nobel per la fisica nel 1993. Ma quelle originarie, sviluppate subito dopo il Big Bang erano state ipotizzate teoricamente e mai rilevate sperimentalmente.

Possiamo pensare le onde gravitazionali simili a quelle del mare: come queste ultime producono increspature nella superficie dell'acqua in senso perpendicolare a quello di propagazione dell'onda stessa, quelle gravitazionali si propagano allo stesso modo (ma alla velocità della luce) nello spazio-tempo, “increspandolo” e modificandone la geometria. Una nuova rilevazione di onde gravitazionali, sia pure sempre indiretta (Bicep2 studia la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo), darebbe una conferma che la Relatività generale funziona.

«Rilevare questo segnale è uno degli obiettivi più importanti della cosmologia oggi », ha dichiarato John Kovac, l'astronomo di Harvard che ha guidato il team che ha annunciato la scoperta di oggi.

Il lavoro dei ricercatori dovrà essere confermato da altri esperimenti, ma è comunque molto importante. «Questa è letteralmente una finestra che si apre sulle origini del tempo» ha dichiarato Lawrence Krauss della Arizona State University (USA) un fisico non coinvolto nello studio. La polarizzazione primordiale B può essere considerata ciò che resta dei primi "tremori" dell'Universo. Una sorta di "pistola fumante" che proverebbe che, nella sua primissima fase di vita 13,8 miliardi di anni fa, l'Universo andò incontro a una crescita esponenziale chiamata inflazione.

La genesi del cosmo

La radiazione cosmica di fondo è l’impronta digitale dell’universo appena nato: il suo studio ci permette di riscrivere la genesi del cosmo, i primi istanti, quelli più misteriosi, quelli nei quali il bosone di Higgs diede forma alla materia che conosciamo.

Ecco come potrebbe essere andata

Il telescopio Bicep2 avrebbe catturato un'istantanea di queste onde gravitazionali primordiali, così come si presentavano 380 mila anni dopo il Big Bang, quando le stelle non si erano ancora formate e la materia era disseminata nello spazio sotto forma di "brodo" primordiale di plasma.

Le tracce di queste onde sono state osservate nella radiazione cosmica di fondo [Leggi qui di che cosa si tratta], l'eco del Big Bang emesso quando la temperatura nello spazio scese abbastanza da separare la materia dalla luce.

I fotoni liberati allora hanno viaggiato nello Spazio fino a oggi e appaiono ai nostri telescopi sotto forma di deboli segnali radio. La polarizzazione primordiale B è una sorta di increspatura visibile su questa radiazione di fondo.


Tramonto al Polo Sud, con il telescopio BICEP2 (in primo piano) al lavoro. Photo: Steffen Richter (Harvard University)

Il fatto che l'inflazione, un fenomeno quantico, abbia prodotto onde gravitazionali dimostrerebbe, secondo gli esperti, che la gravità ha una natura quantica, così come altre fondamentali forze della natura. Non solo: il fatto di poter osservare questo fenomeno è già di per sé un sogno per i fisici di tutto il mondo: si tratta infatti di interazioni molto più energetiche di qualunque altra riproducibile in laboratorio. Inoltre, la rilevazione sarebbe la prova più diretta mai trovata finora dell'esistenza stessa delle onde gravitazionali, previste dalla Teoria della Relatività generale di Einstein. Ancora una volta la conferma che Einstein aveva ragione.

Il primo a parlare di teoria dell'inflazione dell'Universo fu, nel 1980, Alan Guth, del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge (USA). Secondo Guth, il cosmo avrebbe attraversato, pochissimi istanti dopo il Big Bang, una fase di espansione esponenziale, che lo fece passare, in poche decine di trilionesimi di trilionesimi di trilionesimi di secondo, da dimensioni subatomiche a quelle di un campo da calcio e via via sempre più grande. Questa teoria, giustificherebbe alcuni misteri ancora apparentemente inspiegabili dell'Universo, come il fatto che questo appaia uniforme da un capo all'altro.

Questo evento dovrebbe aver prodotto, secondo gli astrofisici, onde gravitazionali, increspature dello spazio tempo che - se pur troppo flebili da registrare oggi - avrebbero lasciato nella radiazione primordiale di fondo una "firma", una sorta di pattern a forma di vortice chiamato, appunto, polarizzazione primordiale B.

Lo scorso anno, un altro telescopio in Antartide, il South Pole Telescope (SPT), è stato il primo a individuare la polarizzazione primordiale B nella radiazione di fondo: ma si trattava di un segnale angolare di meno di un grado (due volte le dimensioni apparenti della Luna del cielo) che fu attribuito al modo in cui le galassie distorcono lo spazio attraverso cui viaggia la radiazione primordiale a microonde.

Questa volta il segnale trovato dal BICEP2, situato a pochi metri dal SPT, è distribuito su una porzione di cielo che va dagli 1 ai 5 gradi (dalle due alle 10 volte la larghezza della Luna piena). E gli scienziati hanno controllato i dati per 3 anni prima di pubblicarli, escludendo ogni altro possibile fattore di "disturbo" del segnale.

E mentre c'è chi parla di scoperta da Nobel, e chi del Sacro Graal della Fisica, gli esperti invitano - pur nell'euforia dell'eccezionale rilevazione - alla cautela: ciò che BICEP2 ha visto andrà confermato da altri esperimenti, poiché altri team al lavoro sullo stesso tema, come quello del telescopio Planck, hanno osservato la radiazione di fondo prima d'ora, ma non la polarizzazione primordiale B.

Il South Pole Telescope e il telescopio BICEP sotto alla Via Lattea. (Photo: Keith Vanderlinde, National Science Foundation)

In questa tavola, che potete ingrandire cliccando qui, abbiamo raccolto la storia dell'Universo dal Big Bang a oggi in 10 fasi.

17 Marzo 2014