LO STUDIO SU PHYSICAL REVIEW LETTERS

Anomalia ti rimbalzo, con la cosmologia quantistica

Due delle anomalie emerse dai dati sulla radiazione di fondo cosmico a microonde raccolti dai telescopi spaziali WMap e Planck potrebbero essere spiegate grazie alla cosmologia quantistica a loop, dice un team della Penn State University, ipotizzando un'epoca inflazionaria successiva non al big bang ma a un “big bounce”

     31/07/2020
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Schema dell’evoluzione dell’universo secondo il paradigma della Loop Quantum Origins, messo a punto dagli scienziati della Penn State University. Crediti: Alan Stonebraker. P. Singh, Physics 5, 142 (2012); Aps / A. Stonebraker

Il titolo dell’articolo, pubblicato mercoledì scorso su Physical Review Letters, suona quasi come la pubblicità d’un centro massaggi: allentare la tensione nella radiazione di fondo cosmico usando la fisica alla scala di Planck. Firmato da un team di cosmologi guidato da Abhay Ashtekar della Penn State University (Usa), è uno studio molto teorico che propone di ricorrere alla cosmologia quantistica a loop (Qlc) – e in particolare a un modello basato sul “grande rimbalzo”, il big bounce, invece che sul big bang – per spiegare alcune anomalie presenti nello spettro della radiazione cosmica di fondo a microonde (Cmb).

Due anomalie in particolare, sulle tre (o più) che tormentano i cosmologi alle prese con i dati di WMap e Planck: la cosiddetta large-scale power anomaly e quella associata invece all’ampiezza del lensing, che alcuni propongono di affrontare ipotizzando un universo curvo. Anomalie che emergono da una tensione – appunto – fra i dati della Cmb e i sei parametri del modello Lambda-Cdm con universo piatto che dovrebbero rendere conto di tutte le caratteristiche di anisotropia e polarizzazione misurate da Planck. Anomalie, scrivono Ashtekar e colleghi, che svanirebbero adottando, appunto, un modello basato sulla cosmologia quantistica a loop – una teoria che si avvale della meccanica quantistica per estendere la fisica gravitazionale là dove la relatività generale di Einstein non può arrivare.

«Osservare una sola di queste anomalie potrebbe non essere statisticamente degno di nota, ma vederne due o più insieme suggerisce che viviamo in un universo eccezionale», dice Donghui Jeong, cosmologo alla Penn State e coautore dello studio. «Un recente studio pubblicato su Nature Astronomy», continua, riferendosi all’articolo di Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri e Joseph Silk del 2019, quello dell’universo curvo, «ha proposto una spiegazione per una di queste anomalie che ha sollevato a sua volta numerosi problemi aggiuntivi, al punto da far scattare l’allarme per una possibile “crisi nella cosmologia”. Con la cosmologia quantistica a loop, invece, due di queste anomalie si risolvono in modo naturale, evitando la potenziale crisi».

Al cuore del problema ci sono le fluttuazioni quantistiche dalle quali avrebbero avuto origine le anisotropie – le disomogeneità – che, successivamente “stirate” dall’inflazione cosmica, si osservano ora nella mappa della radiazione cosmica a microonde, e che per effetto della gravità avrebbero poi agito come “semi primordiali” per le strutture presenti oggi nell’universo.

«Per capire come abbiano preso forma questi semi primordiali, abbiamo bisogno di uno sguardo più da vicino all’universo primordiale, là dove la teoria della relatività generale di Einstein non è applicabile», spiega Ashtekar. «Il paradigma inflazionario standard basato sulla relatività generale considera lo spazio-tempo come un levigato continuum. Pensate a una camicia: appare come una superficie bidimensionale, ma a un esame più attento si nota come sia formata da una fitta trama di fili unidimensionali. Allo stesso modo, la trama dello spazio-tempo è in realtà tessuta da fili quantistici. Nel rendere conto di questi fili, la cosmologia quantistica a loop ci consente di andare oltre il continuum descritto dalla relatività generale, là dove la fisica di Einstein non regge più – ad esempio, oltre il big bang».

E oltre la singolarità del big bang, in cui l’universo sarebbe emerso dal nulla, nella teoria di Ashtekar e colleghi c’è appunto il big bounce, dove invece – come una fenice – l’attuale universo in espansione è emerso da una massa super-compressa creata, a sua volta, dalla contrazione dello stesso universo nella sua fase precedente. Senza così implicare alcun ricorso a grandezze fisiche infinite.

Già in uno studio del 2006 il team di Ashtekar aveva mostrato come tutte le strutture a larga scala dell’universo spiegate dalla relatività generale siano ugualmente spiegabili, ricorrendo alla cosmologia quantistica a loop, da un big bounce seguito dall’inflazione. Il nuovo lavoro mostra ora come l’inflazione, nella cosmologia quantistica a loop, risolverebbe appunto le due anomalie – di cui dicevamo poc’anzi – che emergono invece con la relatività generale. Non solo: gli autori predicono anche i valori che dovrebbero assumere alcuni parametri astrofisici e cosmologici, come la profondità ottica al momento della reionizzazione e lo spettro di potenza della polarizzazione dei modi B. Valori osservabili, la cui stima dovrebbe essere alla portata di futuri esperimenti spaziali come LiteBird e il Cosmic Origins Explorer.

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