Cosa significa catturare le tracce del big bang?

Come sapete, ieri il team guidato da John Kovac dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ha comunicato di aver catturato  i primi segnali di vita dell’universo, risalenti a circa 13,8 miliardi di anni fa.

Si tratta della prima prova sperimentale dell’esistenza di onde gravitazionali primordiali generatesi durante il big bang, una scoperta importante che, con un livello di significatività di oltre 5 sigma, conferma la teoria dell’inflazione proposta dal Alan Guth nel 1980. Cerchiamo di capire meglio di cosa si tratta. 

BICEP mostra il pattern in polarizzazione nella radiazione cosmica di fondo a microonde. (Credit: Harvard/CfA).

Questa scoperta non nasce dal nulla ma è il frutto di anni di studi, osservazioni e raccolta di dati. Per fare un esempio, tra i mesi di marzo e novembre del 2012, il South Pole Telescope ha scandagliato oltre 100 gradi quadrati di cielo raccogliendo un numero impressionante di dati. A luglio 2013 risale la prima rilevazione dei Modi B, un segnale nella polarizzazione della CMB, o radiazione cosmica di fondo, la luce che si irradiava dal plasma incandescente e che si è progressivamente raffreddata fino a energie dell’ordine delle microonde. Duncan Hanson, dell’università canadese Mc Gill, ha comunicato la scoperta con un articolo messo in rete su arXiv e ripreso poi dalle pagine di Nature.

La scoperta comunicata ieri si inserisce nel quadro più ampio di queste ricerche, e riguarda proprio i Modi B.  Le impronte che il telescopio antartico ha rilevato, debolmente impresse sotto forma di Modi B sul segnale in polarizzazione del fondo cosmico a microonde, sono le tracce dell’inflazione (collocabili a 10 alla meno 35 secondi dopo il big bang). Se l’universo si espande allora la polarizzazione deve mantenerne traccia. Sebbene oggi queste onde primordiali siano troppo deboli per essere rilevate, dovrebbe essere possibile notare i loro effetti sulla CMB proprio in termini di polarizzazione; detto più semplicemente, la radiazione cosmica di fondo dovrebbe essere distorta in qualche modo dalle onde gravitazionali.

Grafico che mostra la storia cosmologica dell’Universo in base alle nostre attuali conoscenze. (Credit: particleadventure.org).

La radiazione di fondo cosmico a microonde è infatti anisotropa. Significa che è piena di grumi, impercettibili fluttuazioni in temperatura la cui distribuzione rispecchia le regioni nelle quali materia ed energia erano più o meno dense (fluttuazioni rilevate in modo sempre più preciso dai telescopi spaziali come WMAP e Planck). Ed è da questi grumi che, sotto l’azione della forza di gravità, sono nati gli ammassi e le galassie, le strutture a grande scala dell’universo che conosciamo.

Dicevamo che i Modi B sono una delle due componenti del pattern della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo (in analogia con la suddivisione fra campi magnetici ed elettrici, possiamo distinguerli dai Modi E). Per completezza va detto che esistono anche altri tipi di Modi B, quelli generati indirettamente ad esempio dall’interazione fra i modi E primordiali e l’effetto di lensing gravitazionale, importanti soprattutto per calcolare la massa del neutrino. Ma qui non stiamo parlando di questo.

Come riferisce Ron Cowen a Nature, i ricercatori di Harvard hanno ottenuto una fotografia delle onde gravitazionali che si propagavano nell’Universo circa 380mila anni dopo il Big Bang. John Kovac e colleghi, usando uno strumento chiamato Bicep2, hanno misurato con estrema precisione (un decimilionesimo di Kelvin) la CMB. E questa fotografia conferma che la materia che vediamo nel cosmo si sarebbe espansa in un’infinitesima frazione temporale dopo il Big Bang, passando da dimensioni subatomiche a quelle di un pallone da calcio.

Il valore trovato da BICEP, r = 0.2, il doppio rispetto al valore atteso, potrà finalmente contribuire a scartare numerosi modelli cosmologici ancora in voga. La scoperta sarà importante per conciliare meccanica quantistica e relatività generale: il fatto che l’inflazione, un fenomeno quantistico, abbia prodotto onde gravitazionali dimostra che anche la gravità ha una natura quantistica, proprio come le altre quattro forze fondamentali della natura. La Teoria del Tutto non è più un miraggio.

Bibliografia:

D. Hanson et alii., Detection of B-mode Polarization in the Cosmic Microwave Background with Data from the South Pole Telescope“,arXiv.org

BICEP2 Collaboration, BICEP2 I: Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales

BICEP2 Collaboration, BICEP2 II: Experiment and Three-Year Data Set

Fonti in rete per approfondire:

http://www.cfa.harvard.edu/news/2014-05
http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_shape.html
http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/inflation.html
http://www.esa.int/For_Media/Press_Releases/Planck_reveals_an_almost_perfect_Universe
http://www.nasa.gov/home/hqnews/2013/mar/HQ_13-079_Planck_Mission.html