Prima del Big Bang: un Universo a “brane 4D”

La teoria del Big Bang necessita di una revisione? Non è una domanda di poco conto, soprattutto per un gruppo di fisici teoretici che ritiene di poter rettificare quanto comunemente si pensa sulle dinamiche fisiche che potrebbero aver dato vita a quello che chiamiamo Big Bang, nonché alla formazione dell’Universo come oggi lo esperiamo. Secondo il nuovo modello proposto, il cosmo potrebbe essere il prodotto di un numero imprecisato di detriti espulsi dal collasso di una stella a 4 dimensioni in un buco nero. I risultati dello studio sono disponibili su arxiv.org/abs/1309.1487.

Perché questa ipotesi è così interessante? Innanzitutto perché spiega qualcosa che in altri contesti resta inspiegabile: l’isotropia dell’Universo, ad esempio, il motivo per cui, in qualsiasi direzione in cui guardiamo, vediamo il cosmo più o meno uguale, con caratteristiche identiche e leggi fisiche costanti. In secondo luogo perché permette di approfondire – e non di cancellare – la teoria standard secondo cui l’Universo è nato da un punto infinitamente denso di materia, che matematicamente viene chiamato singolarità, proprio cercando di capire che cosa c’era prima di questa singolarità.

Rappresentazione artistica di un buco nero circondato da materia. (Crediti: Schwanberg/Science Photo Library).

“Per quanto ne sanno i fisici oggi, anche un gruppo di draghi sarebbe potuto uscire dalla singolarità”, ha dichiarato Niayesh Afshordi, un astrofisico del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada e coautore dell’articolo. Si comprendono bene i limiti del modello standard del Big Bang. Al concetto di singolarità segue il mistero della costanza della temperatura – secondo i modelli attuali l’età dell’universo (13.8 miliardi di anni) non è sufficiente per spiegarla (l’Universo è troppo giovane per aver raggiunto l’equilibrio) – per finire con l’inflazione.  “La Teoria del Big Bang è così caotica che non è chiaro se c’era anche solo una piccola parte omogenea su cui l’inflazione poteva iniziare a lavorare”, ha commentato Niayesh Ashford.

Pur trattandosi di un’ipotesi puramente teorica, gli scienziati non sono stati avari nei dettagli di questa nuova visione cosmologica: (i) Si parte da una teoria precedente, nota come teoria dell’universo a brane (o membrane), risalente al 2000. Secondo il modello, un universo a 3 dimensioni “galleggia” come una brana in un universo più grande: un bulk universe a 4 dimensioni. Ovviamente noi vivendo in 3D non possiamo immaginare cosa significa di preciso, ma immaginatevi un universo a 2 dimensioni, come un foglio di carta, immerso in un contesto a 3 dimensioni, come una stanza.

(ii) Esiste allora un universo più grande a 4 dimensioni. Ora, l’idea è che anche questo universo sarebbe pieno di galassie e stelle a 4D che, però, hanno una vita e una evoluzione del tutto simile a quelle 3D. Di conseguenza, è possibile supporre che quelle più massicce esplodano come supernovae e in alcuni casi collassino come buchi neri.

(iii) Veniamo alla cosmogenesi. Come i nostri buchi neri, anche questi buchi neri 4D avrebbero un orizzonte degli eventi quel confine oltre il quale nulla riesce a sfuggire, nemmeno la luce. Dato che non abbiamo idea delle dinamiche interne nemmeno nei buchi neri 3D, quello che possiamo dire seguendo gli attuali modelli è che l’orizzonte degli eventi in un universo 3D appare come una superficie 2D. Cosa significa? Che in un universo 4D, l’orizzonte degli eventi darebbe vita ad un oggetto 3D chiamato ipersfera.

(iv) In altre parole, il modello dice che quando una stella massiccia a 4D esplode e collassa, il buco nero generato crea intorno a sé una brana 3D che, circondando un orizzonte degli eventi 3D, inizia ad espandersi.

Fin qui stiamo riassumendo una suggestiva teoria. Cosa c’è di vero o, meglio, cosa c’è che resiste al tribunale degli esperimenti? Secondo gli autori dello studio la risposa va cercata nell’espansione dell’universo. Sappiamo che il nostro cosmo si espande (e lo fa ad una velocità sempre maggiore, sotto la spinta dell’energia oscura) e nel nuovo modello si suppone che questo avvenga grazie alla crescita della una brana 3D in cui ci troviamo.

Da una parte è vero che questo modello spiegherebbe perché la temperatura dell’universo sembra uniforme (dato che l’Universo 4D sarebbe molto più vecchio), ma non riesce a riprodurre i dati sperimentali riguardo alla radiazione cosmica di fondo e alle piccole differenze di temperatura osservate di recente: il telescopio spaziale Planck ha infatti terminato di recente la mappatura della radiazione di fondo risalente all’infanzia dell’universo. Il modello proposto qui differisce dai dati delle osservazioni di circa 4%.

Gli astronomi hanno l’intenzione di migliorare e raffinare il proprio modello e ricordano con decisione che Planck mostra che un’inflazione è avvenuta ma non spiega perché. Fin qui siamo d’accordo, ma non basta. Se questo studio potrà aiutare a capire in che modo l’inflazione si è originata dal movimento dell’universo attraverso una realtà iperdimensionale è ancora tutto da dimostrare.