I cosmologi la chiamano inflazione, ed è quella fase d’espansione ultra-accelerata che pare ormai assodato si sia verificata agli albori della storia dell’universo, negli istanti immediatamente successivi – o immediatamente precedenti, dipende dalle scuole di pensiero – al Big Bang. Per tentare di ricostruire la timeline di quell’epoca concitata e le sue conseguenze su tutto ciò che è accaduto dopo, ci si affida anzitutto a misure come quelle relative alla Cmb – la radiazione cosmica di fondo, i fotoni più antichi dell’universo – o alle cosiddette Bao, le fluttuazioni nella densità della materia prodotte da oscillazioni acustiche nel plasma primordiale. I risultati che ne derivano sono di solito espressi sotto forma di parametri, alcuni fondamentali e altri derivati, fra i quali H0 (la costante di Hubble) o l’età dell’universo.
Quest’infografica riassume i circa 14 miliardi di anni di storia dell’universo. L’epoca iniziale, quando le proprietà del cosmo erano quasi uniformi e caratterizzate solo da minuscole fluttuazioni, è rappresentata a sinistra, dove si può distinguere, subito dopo il Big Bang, la fase inflazionaria. Crediti: Esa/C. Carreau
Fra i sei parametri fondamentali ce n’è uno, indicato dal simbolo ns, che rappresenta il cosiddetto indice spettrale delle fluttuazioni scalari, o indice spettrale scalare. È un parametro che descrive la distribuzione delle fluttuazioni di densità a diverse scale nell’universo primordiale, e ha grande rilievo nel campo della cosmologia inflazionaria in quanto diversi scenari inflazionari prevedono valori distinti per questo parametro, rendendolo dunque un potente strumento per decidere quali modelli siano compatibili con le osservazioni e quali no. In particolare, se inferiore a 1 sarebbero favoriti gli scenari cosiddetti “quasi de-Sitter”, con una graceful exit dalla fase d’inflazione, mentre valori pari a 1 suggerirebbero scenari “de-Sitter”.
Grazie alle osservazioni ad alta precisione della Cmb ottenute con il satellite Planck, il valore di ns si era negli ultimi anni assestato attorno a valori sempre più precisi, al punto da far ritenere che l’indice spettrale scalare fosse ormai strettamente vincolato, tanto che la sua misurazione ha avuto un ruolo centrale nel plasmare il panorama degli attuali modelli inflazionari plausibili. Man mano che la precisione di ns migliorava, l’attenzione dei cosmologi si è così spostata sempre più su altre grandezze osservabili – dunque altri parametri, quali il rapporto tensore-scalare r, o le non-gaussianità primordiali – come prossimi discriminanti della fisica inflazionaria.
Questo fino all’anno scorso, quando ulteriori analisi condotte combinando i dati di Planck con quelli raccolti da Act (l’Atacama Cosmology Telescope) e con le misurazioni delle Bao ottenute da Desi (il Dark Energy Spectroscopic Instrument) hanno portato a ritenere che il valore di ns potesse essere maggiore di quanto stimato. Uno spostamento verso l’alto che, se confermato, rimetterebbe in discussione alcuni dei modelli di inflazione sui quali c’è oggi più consenso, riportando così l’indice spettrale scalare al centro della discussione.
Confronto tra i vincoli derivanti da Act (in blu), Desi Bao (in grigio) e Act+Desi (in rosso) per i parametri Bao e l’indice spettrale ns. La banda rosa rappresenta i valori di ns per i modelli di inflazione favoriti dopo Planck. Si osserva uno spostamento dei valori dei parametri preferiti tra Act e Desi, o Act+Desi, a dimostrazione della tensione Bao–Cmb, con un conseguente spostamento di ns lontano dalla banda rosa. Crediti: Ferreira et al.
Ora però – e qui arriviamo alla notizia di questi giorni – un nuovo studio, pubblicato il mese scorso su Physical Review D da un team guidato da Elisa Ferreira del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Università di Tokyo), mostra come la discrepanza fra i valori di ns derivi, in realtà, da un’interazione statistica tra le misurazioni della Cmb e quella delle Bao. In particolare, analizzando come la combinazione dei dati Bao con le osservazioni della Cmb abbia un impatto sulla stima del valore dell’indice spettrale scalare, Ferreira e colleghi giungono a ritenere che lo spostamento verso l’alto di ns sia una conseguenza della lieve tensione tra questi insiemi di dati — la tensione Bao-Cmb, com’è chiamata sin dal titolo del nuovo articolo — che si propaga nei vincoli dei parametri inflazionari. Quando questo effetto viene adeguatamente preso in considerazione, concludono gli autori dello studio, le prove contro i modelli inflazionari standard tornano a indebolirsi in modo significativo.
«Quando si parla di inflazione e Cmb si pensa subito al famoso rapporto tensori-scalari r, e ai modi B che si stanno cercando per misurarlo. In effetti r è legato alla scala energetica dell’inflazione, ed è quindi estremamente importante, ma per la comprensione della dinamica inflazionaria un altro giocatore fondamentale è proprio l’indice spettrale delle fluttuazioni scalari», spiega a Media Inaf Daniela Paoletti, cosmologa dell’Inaf di Bologna non coinvolta nell’articolo del Kavli Institute alla quale ci siamo rivolti per un commento sul nuovo risultato. «Questo parametro ci dice quanto sono grandi le fluttuazioni alle piccole scale rispetto alle grandi scale, e rappresenta insieme a r la discriminante tra diversi modelli inflazionari. Come scritto nell’articolo, molti modelli inflazionari vivono o muoiono dipendentemente dal valore dell’indice spettrale scalare. Per questo, il valore più alto rispetto ai dati di Cmb che viene trovato combinandoli con le Bao di Desi stimola l’attenzione».
«Un valore del genere», continua Paoletti «potrebbe andare a escludere alcuni dei modelli di inflazione ritenuti più interessanti dopo Planck, e usati come target dai futuri esperimenti, e invece riaccendere l’interesse verso modelli che proprio sulla base dell’alto valore dell’indice spettrale che predicono sono esclusi dai dati di Cmb. Ma come evidenziato dall’articolo, la determinazione dell’indice spettrale dalla combinazione di Cmb e Desi potrebbe soffrire della tensione tra dati di Cmb e di Desi – tensione che apre a un notevole grado di incertezza sul suo valore».
«Per comprendere quale sarà il futuro dell’indice spettrale e dei vincoli ai modelli inflazionari», conclude Paoletti, «bisognerà aspettare nuovi dati: se confermeranno questa tensione potrebbero aprire a nuovi modelli cosmologici, in cui sarà interessante scoprire quali modelli inflazionari saranno veramente favoriti».
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review D l’articolo “The BAO-CMB Tension and Implications for Inflation”, di Elisa G. M. Ferreira, Evan McDonough, Lennart Balkenhol, Renata Kallosh, Lloyd Knox e Andrei Linde