È possibile sbirciare al di là del Big Bang?

Se riusciamo a ipotizzare che c'è stato un "prima del Big Bang", possiamo scoprire che cosa c'era prima del Big Bang?

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Illustrazione concettuale che accompagna il progetto SPHEREx (Nasa), dal quale ci si aspetta anche informazioni utili per risalire alle origini dell'Universo.|Nasa

Che cosa c'era prima del Big Bang... Come fare ipotesi se neppure sappiamo che cosa sia stato esattamente il Big Bang... Ma è proprio così? Perché pare invece che ci sia un modo per gettare un filo di luce al di là dell'inizio dell'Universo: alcuni scienziati hanno elaborato un metodo per tentare di dare forma a quel periodo in cui l'Universo, neonato da qualche frazione di miliardesimo di secondo, avrebbe subito l'inflazione (la teoria oggi più condivisa), ossia quella rapida espansione esponenziale che si verificò subito dopo il Big Bang. Se lo studio dovesse portare a uno scenario alternativo a quello dell'inflazione, si potrebbero forse ottenere importanti indizi su quello che c'era prima. Il lavoro, pubblicato su Physical Review Letters, è oggetto anche di un breve articolo su Physics.

Di che cosa parliamo:
prima, avverbio di tempo; tempo, ... "se mi si chiede di spiegarlo, non so cosa dire" (Sant'Agostino, VII secolo); "mancano le parole per parlarne" (Heidegger, XX secolo). E dunque? Facciamo che leghiamo tempo e spazio in spazio-tempo (Einstein, relatività ristretta, XX secolo), si può immaginare un "prima che lo spazio esista"?

Quella dell'inflazione primordiale è un'idea condivisa da buona parte della comunità scientifica perché dà modo di spiegare alcune caratteristiche e proprietà dell'Universo attuale. Non è però l'unico modello: ve ne sono altri che sembrano poter spiegare quel che avvenne agli inizi del tempo e dello spazio. Sono modelli definiti "secondari", ma non possono essere ignorati.

 

Illustrazione: il Big Bang, l'inflazione e l'espansione dell'Universo. Con inflazione si fa riferimento a quello che sarrebbe avvenuto in una quantità piccolissima di tempo: l'inflazione sarebbe avvenuta 10^-35 secondi dopo il Big Bang (1 preceduto da 34 zeri dopo la virgola: un "numero" difficilmente immaginabile; un'idea potrebbe darla il confronto tra la massa di una singola formica e quella di 200 miliardi di miliardi di miliardi di elefanti...); sarebbe durata 10^-30 secondi e avrebbe prodotto l'immediata espansione dell'Universo di... 10^30 volte (un miliardo di miliardi di miliardi di volte)! | Design Alex Mittelmann, Coldcreation / via Wikimedia

 

Illustrazione: questa potrebbe essere la rappresentazione concettuale di un Universo ciclico (Big Bounce). | SPL

Il Big Bounce. In almeno un modello alternativo all'inflazione cosmica, l'Universo che precedeva il Big Bang si stava contraendo (il nostro si sta invece espandendo). Se così fosse, il Big Bang diventa un momento dell'evoluzione di quello che i cosmologi chiamano Big Bounce: è l'ipotesi avanzata dal fisico Martin Bojowald nel 2007, che sostiene l'idea che l'Universo attuale sia il risultato di una espansione avvenuta dopo la contrazione dell'universo precedente.

 

La questione non è "chi ha ragione", ma quale modello ci permette di interpretare più correttamente l'Universo, ed è questa la chiave di volta per comprendere sia il dibattito scientifico in corso, sia studi decisamente complessi, come quello avviato dai ricercatori Xingang Chen, Abraham Loeb e Zhong-Zhi Xianyu (Harvard University).

Inflazione o Big Bounce? I tre scienziati cercano dunque indizi che permettano di far pendere la bilancia a favore dell'una o dell'altra ipotesi, inflazione oppure Big Bounce, con un metodo che dovrebbe permettere di verificare se realmente ci fu un'inflazione cosmica.

 

Big Bang, Universo primordiale, formazione degli elementi chimici, nucleosintesi, idruro di elio
Con il Big Bang si formarono soprattutto idrogeno ed elio, e piccole parti di litio. Vedi anche l'infografica: la Tavola Periodica degli Elementi dal Big Bang a oggi. | Eugen Domentean / Shutterstock

 

Il lavoro prende avvio dall'analisi dell'evoluzione delle dimensioni fisiche dell'Universo primordiale. «L'ipotesi dell'inflazione», spiega Zhong-Zhi Xianyu, «vuole che il volume dell'Universo sia cresciuto esponenzialmente e rapidissimamente: per alcuni modelli alternativi, invece, le dimensioni dell'Universo diminuirono. Tra le tante difficoltà per chi si trova a studiare questa fase dell'Universo, la principale è forse quella di stimare le dimensioni dell'Universo primordiale: il nostro lavoro consiste nel cercare di comprendere quali sono gli elementi che possono darci un'idea di tale proprietà fisica.»

 

Big Bang, Universo primordiale, formazione degli elementi chimici, nucleosintesi, idruro di elio
Illustrazione: la nebulosa planetaria NGC 7027 e, in primo piano, l'idruro di elio, la molecola primordiale dell'Universo bambino. Per approfondire: perché la prima molecola è così importante. | SOFIA Science Center

 

L'universo primordiale non era uniforme: c'erano delle irregolarità di densità a piccola scala che poi, nel corso del tempo, dov'erano più marcate, sono diventate quegli spazi da cui hanno preso forma le grandi strutture del Cosmo, come le galassie. Quelle irregolarità costituiscono l'informazione principale su cui si basano i cosmologi che vogliono indagare su ciò che c'era prima del Big Bang.

 

materia e antimateria, Big Bang, nascita dell'Universo, Universo specchio
L'Universo Inverso prima del Big Bang (vedi su focus.it) - Il Big Bang dovrebbe avere prodotto uguali quantità di materia e di antimateria. Dov'è finita l'antimateria? C'è chi dice che si è (quasi tutta) annichilita con (quasi tutta) la materia, lasciandoci in eredità questo Universo. Secondo un'altra (bizzarra) idea sarebbe invece finita quasi tutta in un "universo specchio", dove il tempo e tutto il resto vanno al contrario, più o meno così: !osseccus àig è ottut osrevinU otseuq ni

 

I ricercatori hanno ipotizzato l'esistenza di un "modello oscillatorio della distribuzione della materia nel cosmo" che, se rilevato, potrebbe orientare la scienza tra inflazione e scenari alternativi. In teoria, si tratta di verificare come varia la densità della materia a scale via via sempre più grandi: se il segnale delle variazioni di densità esistesse, dovrebbe manifestarsi come variazioni di densità in tutto l'Universo, ossia nel numero di galassie e nella quantità di materia ed energia.

 

Cosa produsse il Big Bang? Forse un Universo che si stava chiudendo su se stesso (Big Bounce) o qualcosa di completamente diverso? Per approfondire: è possibile intercettare le onde gravitazionali del Big Bang?

 

Xingang Chen ritiene che le informazioni sull'ampiezza delle variazioni di densità della materia nell'Universo attuale, opportunamente elaborate, potrebbero raccontare se l'Universo si stava espandendo o contraendo quando hanno preso forma le variazioni di densità primordiali, e ciò potrebbe dare ragione, oppure torto, all'ipotesi inflazionistica. Per raccogliere i dati, il team fa affidamento su progetti di cosmologia e fisica fondamentale, come quelli del Large Synoptic Survey Telescope (LSST), di Euclid e di SPHEREx, dai quali ci si aspetta dati in quantità e qualità sufficienti per raggiungere lo scopo.

10 Giugno 2019 | Luigi Bignami