RICERCANDO ALL’ESTERO – Il modello standard della cosmologia è la teoria comunemente accettata dagli scienziati per descrivere la nascita e l’evoluzione dell’Universo. Nonostante sia stato confermato da diverse osservazioni cosmologiche, il modello presenta ancora alcuni punti oscuri tra cui la formazione dell’Universo primordiale. Per risolvere questa e altre difficoltà, la teoria standard è stata spesso accompagnata da altri modelli: quello maggiormente usato è il modello dell’inflazione cosmologica.

Micol Benetti lavora all’Observatório Nacional di Rio de Janeiro dove, nel contesto dell’inflazione, analizza le equazioni teoriche e le confronta con i dati osservativi per valutare la bontà delle predizioni ottenute dai modelli.

Cosa prevede il modello di inflazione?

L’idea di base è che l’universo inizialmente fosse in uno spazio molto contenuto ma altamente denso ed energetico e che, in una piccolissima frazione di tempo (nell’ordine dei 10-36 secondi), abbia avuto una crescita esponenziale e sia passato da dimensioni quantiche a dimensioni cosmiche. Facendo questa assunzione, riusciamo a risolvere diversi quesiti che il modello standard non riesce a spiegare, come la piattezza dell’universo. Immaginiamo di prendere un palloncino e gonfiarlo: nel suo insieme la superficie è curva ma se la analizziamo su scala locale la curvatura è pari a zero. Secondo l’inflazione, ciò succede anche all’universo ed è per questo che ci appare piano.

Un altro problema risolto dal modello dell’inflazione è quello dell’orizzonte, ossia del fatto che regioni molto distanti tra di loro hanno la stessa temperatura. Ciò si può spiegare ammettendo che in un tempo antico tutto era condensato in una regione molto piccola e che, al momento dell’inflazione, il plasma è stato spinto molto lontano in brevissimo tempo: in questo modo, la materia non è riuscita a scambiarsi informazioni e si è raffreddata ovunque nello stesso modo.

Di tutto questo periodo non abbiamo dati perché l’inflazione è avvenuta molto prima che la luce cominciasse a propagarsi nell’universo, quando tutto era plasma e i fotoni erano vincolati a esso. Possiamo carpire quello che è successo prima che il primo fotone si disaccoppiasse dalla materia grazie alla radiazione cosmica di fondo, un segnale a microonde molto omogeneo osservato da esperimenti come Planck e WMAP.

Che tipo di informazioni si possono ricavare dalla radiazione cosmica di fondo?

In particolare abbiamo visto che ci sono piccole ma rilevanti fluttuazioni di temperatura (dell’ordine dei 10-5 microkelvin) che la teoria standard non spiega ma che possono essere descritte da alcuni modelli detti a singolo campo. Sono modelli di tipo gradino, cioè in cui introduciamo nel potenziale classico dell’inflatone una funzione che ci permette di spiegare l’oscillazione nello spettro della radiazione cosmica di fondo. L’inflatone è una particella che potrebbe aver guidato l’espansione esponenziale dell’Universo e di cui si è parlato un po’ di tempo fa assieme al bosone di Higgs; non tutte le forme di potenziale dell’inflatone hanno senso in relazione allo spettro ed è per questo che molti modelli sono stati esclusi. Altri invece sembrano funzionare molto bene.

A cosa corrispondono le oscillazioni di temperatura?

A piccole variazioni nella distribuzione della materia e rappresentano i semi che hanno permesso alle nostre galassie di formarsi. All’interno della materia c’erano regioni sovra dense e regioni sotto dense: andando avanti nel tempo, le zone sovra dense sono collassate a causa della gravità e hanno formato varie strutture. Non sarebbero esistite se la temperatura fosse stata costante!

Nei nostri studi, siamo riusciti a vincolare i modelli di inflazione di tipo gradino con un numero differente di osservabili, tra cui la radiazione cosmica di fondo e la distribuzione della materia nell’universo. Attualmente si sta aprendo un nuovo panorama nella cosmologia grazie alle onde gravitazionali: per ora sono state osservate da buchi neri che collidono, ma alcuni modelli di inflazione prevedono che onde gravitazionali primordiali possano essersi generate dalla rapida espansione esponenziale dell’universo.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

Un altro grande problema del modello cosmologico standard è che non è in grado di descrivere la materia di cui è composto l’universo e assume che il 97% sia fatto da qualcosa di oscuro (dark energy e dark matter) e solo una piccolissima parte sia materia ordinaria, cioè barionica. A questo punto, si aprono due strade possibili: cercare di capire se la materia oscura può essere composta da particelle particolari che non abbiamo in natura ma possiamo produrre tramite gli acceleratori; oppure assumere che l’Universo abbia una geometria che non si comporta in maniera regolare. Per esempio, la gravitazione che vediamo nel nostro quotidiano potrebbe non seguire le stesse leggi nell’Universo primordiale e, partendo dalle equazioni di Einstein, potremmo creare dei modelli di gravità modificata che spieghino come mai le galassie sono compatte e le stelle non evaporano durante la rotazione.

Un altro aspetto interessante del modello cosmologico standard è che considera la materia organizzata come in fisica nucleare con un numero di specie di neutrini pari a 3. Tuttavia, quello che emerge dai dati osservativi è un numero un po’ superiore a 3 e ciò ha portato alla ribalta le teorie sui neutrini sterili (di Majorana o di altre specie).

La cosmologia è davvero affascinante e tutte queste lacune nel modello standard ci danno l’opportunità di interrogarci su tanti aspetti che non conosciamo, dal come si è formato l’Universo al da cosa è composto.

Nome: Micol Benetti

Età: 35 anni

Nata a: Roma

Vivo a: Rio de Janeiro (Brasile)

Dottorato: astrofisica relativistica (Roma)

Ricerca: Test dei modelli cosmologici e confronto con i dati osservativi

Istituto: Observatório Nacional, Rio de Janeiro (Brasile)

Interessi: leggere, viaggiare, scoprire

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