Rappresentazione artistica del collegamento fra le minuscole perturbazioni quantistiche presenti nell’universo appena nato (in basso) e – a seguito dello stiramento e dell’amplificazione avvenuti durante l’inflazione cosmica (in mezzo) – la struttura a larga scala del cosmo (in alto). Crediti: University of Waterloo
Presentato un nuovo scenario che mira a descrivere com’è nato l’universo. Se confermato, porterebbe a dover rivedere alcune nostre conoscenze sul Big Bang e i primi istanti di vita del cosmo. La ricerca, pubblicata il 18 marzo su Physical Review Letters, è stata condotta da tre ricercatori dell’Università di Waterloo e del Perimeter Institute (Canada) e suggerisce che l’espansione iniziale dell’universo – la cosiddetta inflazione – emerga naturalmente da una teoria della gravità quantistica.
La relatività generale, nonostante il successo ininterrotto che sta riscuotendo da più di un secolo e benché sia ottima se trattata come teoria di campo efficace, fallisce quando si tratta di spiegare la fisica delle condizioni estreme del Big Bang. A questa scala di elevate energie, la teoria diventa non rinormalizzabile, presentando singolarità – serie di infiniti – che si sviluppano nelle soluzioni delle equazioni classiche di Einstein ed impediscono di trovare un risultato numerico.
Per questo si stanno sviluppando molteplici teorie della gravità quantistica: per studiare le regole che governano lo spaziotempo alle scale più piccole ed estreme dell’universo. Tra queste c’è la gravità quadratica quantistica (Qqg), protagonista di questa ricerca, i cui calcoli non divergono nel regime ultravioletto (UV) della relatività generale.
È quindi interessante esplorare i regimi UV in cui gli effetti della gravità quadratica potrebbero manifestarsi ed essere verificati, come nei buchi neri e nell’universo primordiale – quest’ultimo il caso studio della ricerca.
In particolare, i ricercatori hanno visto come la Qqg inneschi naturalmente l’inflazione cosmica. Inoltre, nello scenario proposto, al termine del periodo di inflazione le forze in gioco diventano così intense da far emergere la relatività generale. Questo passaggio permette all’universo di riscaldarsi ed entrare nella sua era di radiazione standard, evolvendosi coerentemente nell’universo odierno.
«Questo lavoro dimostra che la crescita esplosiva iniziale dell’universo può derivare direttamente da una teoria più profonda della gravità stessa», dice uno dei coautori dello studio, Niayesh Afshordi, dell’Università di Waterloo. «Invece di aggiungere nuovi elementi alla teoria di Einstein, abbiamo scoperto che la rapida espansione emerge naturalmente una volta che la gravità viene trattata in modo da rimanere coerente a energie estremamente elevate».
Il coautore dello studio Niayesh Afshordi, dell’Università di Waterloo e del Perimeter Institute, mentre illustra il flusso del gruppo di rinormalizzazione per la gravità quantistica quadratica. Crediti: University of Waterloo
Tutto estremamente teorico, certo. Ma il modello, sottolineano gli autori, prevede sia presente una minima quantità di onde gravitazionali primordiali – ovvero minuscole increspature nella geometria dello spaziotempo generate nei primi istanti dopo il Big Bang – che potrebbero essere rilevabili nei prossimi esperimenti, offrendo così una rara opportunità per verificare le ipotesi sulle origini quantistiche dell’universo.
I ricercatori sono rimasti sorpresi da quanto la loro teoria si sia rivelata verificabile. «Anche se questo modello ha a che fare con energie incredibilmente elevate, porta a previsioni chiare che gli esperimenti odierni possono effettivamente verificare», osserva infatti Afshordi. «Il collegamento diretto tra la gravità quantistica e i dati reali è raro ed entusiasmante».
Molti aspetti restano ancora da approfondire ma, nel complesso, lo scenario proposto – sostengono gli autori dello studio – offre un laboratorio per stabilire un collegamento fra la gravità quadratica quantistica da una parte e, dall’altra, le dinamiche inflazionarie, il reheating e i dati di precisione della radiazione cosmica di fondo, invitando al contempo a confronti più ampi con scenari cosmologici con completamento ultravioletto.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Ultraviolet Completion of the Big Bang in Quadratic Gravity” di Ruolin Liu, Jerome Quintin e Niayesh Afshordi