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L’approfondimento
venerdì 21 marzo 2014
2
di Marco Cagnotti
Immagine a microonde del cielo con la Via Lattea e la radiazione cosmica di fondo
ESA, HFI & LFI CONSORTIA
A un passo dall’inizio
Che cosa è accaduto un centomilionesimo di miliardesimo di miliardesimo di
miliardesimo di secondo dopo il Big
Bang? C’è chi se lo chiede. E trova pure le
risposte. Tant’è che nei giorni scorsi la
notizia ha suscitato scalpore: c’è la prova
dell’inflazione. No, non quella economica.
Noi abbiamo chiesto lumi ad Amedeo
Balbi, cosmologo dell’Università di Roma
Tor Vergata e divulgatore.
In che cosa consiste la scoperta?
BICEP2 è un radiotelescopio situato al Polo Sud,
che nella radiazione cosmica di fondo, cioè il segnale radio che pervade tutto lo spazio ed è il residuo elettromagnetico delle fasi iniziali del cosmo, ha scoperto una caratteristica che dimostra l’esistenza delle onde gravitazionali primordiali.
E questa è una novità inattesa?
In realtà no. Le onde gravitazionali sono previste
dai modelli teorici secondo i quali all’inizio c’è
stata una fase di inflazione.
C’entra l’economia?
(Ride.) No, c’entra la cosmologia. L’inflazione è
uno scenario teorico che contempla, circa 14 miliardi di anni fa, una fase di rapidissima espansione accelerata iniziale di molti ordini di grandezza, da una regione primordiale nella quale
esistevano solo lo spaziotempo e i campi delle
forze fondamentali. In questa regione c’erano
delle fluttuazioni quantistiche casuali, che nell’espansione si sono amplificate e hanno formato i semi delle strutture che vediamo oggi, come
le galassie e gli ammassi di galassie.
E questa è la teoria.
Sì, una teoria con un buon supporto osservativo.
Per esempio, se c’è stata l’inflazione allora l’universo su larga scala dovrebbe apparire uniforme
e con una curvatura nulla, cioè uno spaziotempo mediamente piatto. E fin qui ci siamo. Poi
però l’inflazione prevede anche l’esistenza delle
onde gravitazionali primordiali, cioè delle increspature nella geometria dello spaziotempo.
Variazioni della densità?
Ci sono anche quelle, ma qui parliamo proprio di
onde che si propagano nello spaziotempo. Onde
non elettromagnetiche. Ecco, questa è una previsione molto specifica e precisa, che i modelli
alternativi all’inflazione non fanno. Se si scoprono le onde gravitazionali, quella è la “smoking
gun”. Meglio di così sarebbe difficile fare.
E, fra l’altro, si avrebbe anche la prova dell’esistenza delle fantomatiche onde gravitazionali.
Calma: non è così semplice. Le onde gravitazionali sono previste dalla teoria della relatività generale di Einstein. Per dimostrarne davvero
l’esistenza bisognerebbe costruire un’antenna
adatta a rivelarle direttamente. E naturalmente
ci sono dei progetti molto avanzati. Al momento
però ancora nessuna antenna ha registrato il
passaggio di un’onda gravitazionale. Troppo
piccolo l’effetto e troppo rari i fenomeni che le
producono.
Ma allora esistono o non esistono?
Beh, anche se non le abbiamo rivelate direttamente, abbiamo delle ottime prove indirette. Per
esempio, si è scoperto che in un sistema composto da due stelle di neutroni c’è una perdita di
energia compatibile con l’irraggiamento di onde
gravitazionali. È una rilevazione indiretta, ma
ha portato a un Nobel nel 1993.
E qui arriva BICEP2.
Esatto. Perché in questo caso abbiamo un’evidenza indiretta. Però, secondo me, l’importanza
di questo risultato sta soprattutto nella conferma dell’inflazione. Del resto di verifiche della relatività generale ne avevamo già molte altre.
Già, la relatività generale. Che bisognerebbe
riuscire a conciliare con la meccanica quantistica. La scoperta servirà anche a questo
scopo?
Sì, potrebbe darci quantomeno degli indizi. Noi
abbiamo queste due teorie, la relatività generale
e la meccanica quantistica, che si applicano ad
ambiti molto differenti fra loro e che al momento ancora non si è riusciti a conciliare sul piano
teorico. Allora bisogna andare a vedere che cosa
succede in quei momenti e in quei luoghi in cui
entrambe le teorie sono necessarie. Gli attimi
poco dopo il Big Bang… in quella regione minuscola dove si applica la meccanica quantistica,
con dei campi gravitazionali molto intensi che
vengono descritti con la relatività generale…
ecco, lì possiamo trovare delle informazioni utili
per la cosiddetta gravità quantistica. E le onde
gravitazionali primordiali rilevate indirettamente potrebbero essere proprio un fenomeno
di gravità quantistica.
Stiamo parlando di un attimo brevissimo risalente a quasi 14 miliardi di anni fa.
Certo: osservare in profondità nel cosmo significa guardare indietro nel passato. Osservando
la radiazione cosmica di fondo, che è elettromagnetica, ci spingiamo a fino a 400mila anni
dopo il Big Bang. Ora, con le onde gravitazionali primordiali, siamo arrivati a un passo
dall’inizio.
E spingerci ancora più indietro…
… al momento non si può. Non conosciamo alcun modo per investigare gli eventi precedenti.
Certo, possiamo fare delle estrapolazioni teoriche. Ma questo confine temporale è il limite dettato dal modo in cui funzionano le forze fondamentali.
Potremmo dire – come si dice che nelle antiche mappe si indicavano i territori sconosciuti – che “hic sunt leones”.
Sì. Ora abbiamo un quadro teorico molto astratto, una teoria molto speculativa… e siamo stati
così bravi da riuscire a trovare delle evidenze
sperimentali. Questo dimostra come il metodo
scientifico, unione di astrazione razionale e di
indagine empirica, ci permetta di capire cose
strabilianti.
IL CASO
Increspature dello spaziotempo
C’era una volta Newton. Con la forza gravitazionale: i corpi si attraggono fra loro in virtù del fatto che possiedono una massa. E sembrava tutto
chiaro. Almeno chiaro abbastanza per spiegare
(quasi) tutti i movimenti delle stelle e dei pianeti.
Poi, all’inizio del Novecento, venne Einstein. Che
non solo dimostrò che nulla può superare la velocità della luce, principio fondamentale della
relatività ristretta, ma formulò pure una nuova
teoria della gravità, ossia la relatività generale.
Niente più forze fra i corpi: un concetto da dimenticare. Al loro posto, un nuovo modello: lo
spaziotempo che si incurva.
Immaginiamo di stendere in orizzontale un telo
elastico. Finché sopra non ci posiamo nulla, il
telo è ben teso. Però, appena in un punto depositiamo una massa, per esempio un pompelmo, lì il telo si incurva, formando una depressione. Se poi gli avviciniamo una ciliegia, ecco
che la nuova massa, più piccola, tende a cadere
nella buca prodotta dal pompelmo... Come se i
due frutti si attraessero. Niente più forze a distanza, quindi. Al loro posto, una curvatura
dello spaziotempo. Peraltro molto difficile da
trattare matematicamente. Tant’è che Einstein, per arrivare a formulare le sue equazioni
della relatività generale, dovette farsi aiutare.
E le onde gravitazionali che cosa sono? Torniamo al telo elastico. Sul quale si possono propagare delle increspature, simili a quelle prodotte
lanciando un sasso in uno stagno. Ebbene, proprio quelle sono le onde gravitazionali. Che si
producono in corrispondenza di sistemi astrofisici come le coppie di stelle di neutroni. In teoria.
Perché poi bisogna anche rilevarle, se ci sono. E
qui vengono le dolenti note. Infatti sono state
progettate alcune antenne dedicate proprio a
questo. Solo che l’effetto è talmente piccolo da
essere estremamente difficile da rilevare. Per
dare un’idea, diciamo che si tratta di scovare delle modificazioni di lunghezza di 21 ordini di
grandezza. Come la distanza fra la Terra e il sole
confrontata con le dimensioni atomiche. Non
stupisce che ancora nessuno ci sia riuscito. Oppure…
… oppure niente: restano solo le prove indirette.
Come le coppie di stelle di neutroni, appunto. E
come le onde gravitazionali primordiali, appena
scoperte dal radiotelescopio BICEP2. Che poi
confermano pure l’inflazione, cioè l’espansione
accelerata dell’universo primordiale. Due piccioni con una fava: e scusate se è poco.

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