VOCI E DOMANDE DELL’ASTROFISICA

Inflazione all’alba del tempo

È assai raro che una singola idea in fisica sia così ricca di conseguenze e predizioni come quella, proposta da Alan Guth nei primi anni Ottanta, di ”inflazione cosmologica”. Tuttavia, non possiamo ancora affermare con certezza che un’epoca inflazionaria abbia davvero avuto luogo

Crediti: Nasa / Wmap Science Team

Con “inflazione” i cosmologi indicano un periodo nella storia dell’universo primordiale caratterizzato da un’espansione dello spazio accelerata. Tale periodo sarebbe precedente alle altre, più recenti, epoche cosmologiche di cui abbiamo una più solida comprensione grazie a osservazioni quali il fondo di radiazione cosmica o la distribuzione delle galassie a grandi scale.

L’ipotesi fu proposta da Alan Guth nei primi anni ’80 come possibile soluzione a un problema comune a molte teorie – cosiddette di Grande Unificazione – della fisica delle particelle elementari ad alte energie, al centro dell’attività di ricerca in quegli anni. Queste teorie, che propongono un’unificazione delle interazioni elettromagnetica, debole e forte ad alte energie, predicono anche l’esistenza di particelle, quali i monopoli magnetici, che verrebbero prodotte in grande quantità nelle prime fasi dell’evoluzione dell’universo. Un’espansione accelerata dello spazio determinerebbe allora una diluzione di tali particelle sufficiente per spiegare il fatto che non siano mai state rilevate dai nostri strumenti.

Ma non è questa la ragione della rilevanza attuale dell’inflazione. Da un lato, fu subito chiaro che un periodo inflazionario fornisce una spiegazione anche di altri aspetti centrali delle osservazioni cosmologiche. Spiega perché la radiazione cosmica di fondo abbia le stesse caratteristiche in ogni direzione questa venga osservata (isotropia). Spiega inoltre perché l’universo appaia “piatto” su grandi scale, cioè descritto approssimativamente da una geometria euclidea, invece che da una pur possibile geometria non-euclidea sferica (universo “chiuso”) o iperbolica (universo “aperto”). Ma soprattutto, anni dopo la proposta iniziale, ci si rese conto che la più importante conseguenza dell’inflazione è ancora un’altra e consiste nella creazione delle corrette condizioni iniziali per la crescita delle strutture cosmologiche.

Sappiamo poco del modello (di fisica delle particelle elementari) che potrebbe realizzare l’inflazione. Ma è caratteristica comune a tali modelli che fluttuazioni infinitesimali nella densità di energia di origine quantistica vengano dilatate su scale cosmologiche dall’espansione accelerata originando perturbazioni di densità “classiche” (cioè non-quantistiche) una volta terminato il periodo inflazionario. Queste piccolissime perturbazioni di densità crescono, nel tempo, dando luogo alla distribuzione di materia (e quindi delle galassie) che osserviamo adesso a grandi scale.

L’epoca inflazionaria si pensa abbia avuto una durata di un decimillesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo (zero virgola, 31 zeri e poi uno). All’inizio dell’espansione accelerata, le dimensioni dell’universo oggi osservabile erano dell’ordine di un centesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di centimetro (zero virgola, 37 zeri e poi uno)

Studi in corso e domande aperte

È assai raro che una singola idea in fisica sia così ricca di conseguenze e predizioni. E, ciononostante, non possiamo ancora affermare con certezza che un’epoca inflazionaria abbia davvero avuto luogo. Alcune predizioni, ancora più specifiche, non sono ancora state confermate dalle osservazioni. Tra queste, l’inflazione produrrebbe un fondo di onde gravitazionali che, seppur troppo deboli per essere rilevate direttamente, lascerebbero un segno distintivo sulla polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. La presunta scoperta di questa proprietà della polarizzazione da parte del telescopio Bicep2 nel 2014 ha avuto grande risonanza poiché avrebbe fornito nuova evidenza sperimentale per l’ipotesi inflazionaria, ma ci si rese presto conto che il segnale atteso non aveva, purtroppo, origine primordiale essendo dovuto a emissioni della nostra galassia.

La caccia alle onde gravitazionali primordiali continua con numerosi esperimenti focalizzati sulla polarizzazione della radiazione di fondo. Da un punto di vista teorico, l’identificazione del particolare modello responsabile per l’inflazione e la sua relazione con quanto già sappiamo delle fisica delle particelle è oggetto di un’intensa attività di ricerca. Ciononostante, mentre l’inflazione è considerata dalla maggior parte dei cosmologi come parte integrante del Modello standard cosmologico, alcuni ricercatori ne mettono in luce i limiti, suggerendo, ad esempio, che le condizioni fisiche necessarie perché l’inflazione stessa abbia inizio potrebbero non essere affatto probabili o, come si dice in gergo, “naturali”. L’importanza di queste investigazioni è comunque enorme e va ben oltre la cosmologia stessa, avendo a che fare con la nostra comprensione delle interazioni fondamentali della natura.

Il coinvolgimento dell’Istituto nazionale di astrofisica

L’Inaf ha fornito un contributo fondamentale al successo del satellite Planck, che ha prodotto  la più accurata mappa full-sky della radiazione cosmica di fondo, il test più diretto delle condizioni iniziali e quindi delle predizioni dell’inflazione. Ulteriori test si aspettano da altre osservazioni della struttura a grande scala, quali la distribuzione di galassie ricostruita dal satellite Euclid o l’emissione radio rilevata dal telescopio Ska, entrambe collaborazioni scientifiche in cui l’Inaf gioca un ruolo centrale.


L’autore: Emiliano Sefusatti è ricercatore Inaf all’Osservatorio astronomico di Trieste.

Su Media Inaf potrai trovare, mano a mano che verranno pubblicate, tutte le schede della rubrica dedicata a Voci e domande dell’astrofisica, scritte dalle ricercatrici e dai ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica.