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18 marzo 2014

Onde gravitazionali dal big bang: cosa ha scoperto BICEP2 e perché è importante?

Come largamente anticipato da voci che avevano iniziato a circolare la settimana scorsa, ieri l'esperimento BICEP2 ha annunciato di aver osservato la traccia di onde gravitazionali primordiali impressa nella polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. Lo so, detta così suona tecnica e incomprensibile, ma se ci riesco vorrei spiegarvi perché invece si tratta (se confermata) di una scoperta epocale. Ci ho già provato ieri, nel corso degli eventi, a chi me lo ha chiesto (Europa, Il Giornale, Repubblica.it - e anche Repubblica Sera, a pagamento) ma adesso vorrei fare il punto con un po' di calma, ché ieri è stata una giornata parecchio concitata.

Se dovessi riassumere in una frase, la metterei così: quella trovata da BICEP2 è l'evidenza più diretta possibile di eventi che sono avvenuti appena 10 alla meno 35 secondi dopo il big bang. Per quanto ne sappiamo oggi, non si può guardare ancora più indietro nel tempo. Siamo arrivati più vicini possibile a osservare l'origine di tutto e a capire come sono andate davvero le cose.

Bellissimo, ma come è stato possibile? Andiamo con ordine. Come sapete, da queste parti abbiamo una lunga passione per la radiazione cosmica di fondo, ovvero il segnale radio che pervade tutto lo spazio e che proviene dalle fasi iniziali dell'evoluzione dell'universo (incidentalmente, è una fortunata coincidenza che appena due settimane fa io ne abbia parlato in tv, ma ci ho anche scritto un libro e un fumetto). Analizzando quel segnale possiamo ricostruire lo stato dell'universo quando aveva circa 400 mila anni. Quello che troviamo è che, all'epoca, il gas incandescente che riempiva tutto lo spazio non era perfettamente uniforme, ma aveva minuscole variazioni di densità. Con il tempo, quelle variazioni sono state amplificate dalla gravità fino a diventare stelle, galassie, ammassi di galassie, ecc.

Bene, ma cosa ha generato le variazioni di densità? La spiegazione teorica che è stata elaborata dai cosmologi negli ultimi decenni è basata su un meccanismo chiamato inflazione: all'inizio di tutto, una minuscola regione di dimensioni subatomiche si è espansa enormemente in un intervallo di tempo brevissimo, ed è diventata talmente grande che l'intero universo che oggi possiamo osservare ne costituisce solo una piccola parte. Ora, l'inflazione prevede una serie di cose: per esempio che l'universo sia molto "liscio" (ovvero molto simile ovunque, in media) e "piatto" (ovvero con una curvatura dello spazio trascurabile, su grande scala), cose che sono state effettivamente confermate dalle osservazioni. 

Ma la previsione più importante è un'altra: ovvero che le fluttuazioni quantistiche presenti nella regione microscopica iniziale diventino, alla fine dell'inflazione, perturbazioni nella densità di materia dell'universo. In pratica, l'inflazione spiega l'esistenza delle minuscole variazioni osservate nella radiazione cosmica di fondo, e lo fa in un modo che fa girare la testa: tutto quello che osserviamo oggi nell'universo - le enormi strutture che si estendono su scale di milioni di anni luce - è il risultato dell'amplificazione di agitazioni casuali su scala microscopica presenti una minuscola di frazione di secondo (10 alla meno 35 secondi, appunto) dopo il big bang. 

Tutto questo è meraviglioso e pazzesco, ma è anche vero? Be', la piattezza e l'uniformità dell'universo osservato sono argomenti forti, e la presenza delle fluttuazioni di densità è impossibile da spiegare con modelli alternativi. Ma si è sempre saputo che il vero indizio cruciale da cercare (la "smoking gun", la pistola fumante, come la chiamano gli anglosassoni) era un altro. Oltre alle "normali" variazioni nella densità di materia primordiale, l'inflazione dovrebbe avere prodotto anche increspature nel "tessuto" dello spazio tempo -- ovvero, un fondo di onde gravitazionali. Questa previsione è talmente specifica che osservare le onde gravitazionali primordiali è quanto di più vicino a una conferma diretta dell'inflazione possiamo sperare di ottenere. 

A questo punto dovreste cominciare a vedere l'importanza della cosa, o almeno spero. Quello che resta da capire è come fare a osservare queste famigerate onde gravitazionali primordiali. Un modo c'è, e qui torna in ballo la radiazione cosmica di fondo. Mentre le variazioni nella densità di materia primordiale restano impresse come piccole variazioni nell'intensità della radiazione cosmica di fondo proveniente da diverse direzioni del cielo, le onde gravitazionali primordiali si manifestano in un modo diverso, alterando la "polarizzazione" del segnale radio (la direzione lungo cui oscilla l'onda elettromagnetica).

Ok, stiamo andando sul tecnico, ma se siete ancora con me guardate l'immagine all'inizio del post. Le macchie di colore sono variazioni di intensità della radiazione di fondo, e quindi variazioni nella densità del gas primordiale che riempiva l'universo quattrocentomila anni dopo il big bang. I bastoncini, invece, mostrano la direzione della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. Il modo in cui si allineano i bastoncini attorno alle variazioni di densità è dettato (anche) dalla presenza o meno di onde gravitazionali. Analizzando questo pattern, quelli di BICEP2 sono riusciti a trovare la prova che c'erano, in effetti, onde gravitazionali del tipo previsto dall'inflazione. 

Insomma, con tutte le cautele del caso (perché, come sempre quando si parla di scienza, bisognerà fare ulteriori studi e ottenere conferme indipendenti) si tratterebbe di una scoperta storica, che sposterebbe la nostra comprensione diretta dell'evoluzione dell'universo indietro nel tempo fino a un passo dal momento iniziale. Lo ripeto di nuovo: non siamo mai stati così vicini ad avere le prove che tutto quello che osserviamo oggi nell'universo è il risultato dell'amplificazione di fluttuazioni microscopiche casuali presenti circa quattordici miliardi di anni fa in una minuscola regione di spazio-tempo.

Sono momenti che capitano raramente, con questa forza, ma sono i momenti in cui capisci quanto è meravigliosa la scienza e quanto sia grandioso poter avere un ruolo in tutto questo, che sia di protagonista, di comparsa o di semplice testimone. E se non ci credete, guardate la faccia di Andrei Linde (che è uno di quelli che, dopo l'idea iniziale di Alan Guth, ha speso più energie a studiare e perfezionare i modelli di inflazione) quando uno del gruppo di BICEP2 gli va a dare la notizia. 

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