Big Bang e oltre: ‘Onde gravi, in luce incerta e diffusa’

“Onde gravi, in luce incerta e diffusa…”.

Possono sembrare la prima strofa di una bella poesia, ma sono le ultime parole dell’ultimo capitolo, fino a oggi, della storia della cosmologia degli ultimi cinquant’anni.

Capitolo che si apre nel 1964 quando Arno Penzias e Robert Wilson, ricercatori dei mitici Bell Labs, scoprono la radiazione cosmica di fondo dell’universo, vestigia del Big Bang, conosciuta anche come CMB, Cosmic Microwave Backround radiation, che risale a 380mila anni da quando tutto iniziò. Prima di allora non poteva esserci luce nel calderone dell’esplosione iniziale. La possiamo considerare la “luce” primordiale dell’universo. Nulla a che fare con vagiti o suoni del genere, anche perché nello spazio interplanetario il suono non si diffonde.

L’annuncio è di qualche giorno fa. Sono state rilevate e ricostruita la mappa delle onde gravitazionali presenti nella radiazione diffusa dell’universo, quello che rimane dell’era del Big Bang. Per farlo ci si è avvalsi dei dati raccolti presso la stazione antartica Amundsen-Scott, dal gennaio 2010 al dicembre 2012 dal sistema BICEP 2, composto da 250 rilevatori di una particolare polarizzazione della luce associata al Big Bang denominata primordial B-mode polarization. BICEP 2 –gli acronimi a effetto piacciono sempre, sta per: Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2.

La polarizzazione della CMB (Cosmic Microwave Background), la radiazione cosmica di fondo, è un orientamento della radiazione che può essere causato solo da onde gravitazionali generate nel processo d’inflazione dell’universo. Occorre una piccola spiegazione.

L’inflazione cosmica è un’idea piuttosto semplice. Non molti istanti dopo che tutto ebbe inizio –nessuno sa esattamente quando, ma si parla di cento milionesimi di miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di secondo – l’universo si espanse, per qualche motivo non del tutto chiaro, in modo particolarmente accelerato. Molti sono i modelli teorici di questa fase che termina per motivi a noi altrettanto poco chiari, quando l’energia che alimenta l’accelerazione si converte in materia e radiazione e inizia la storia del Big Bang. Perché si accenda la prima stella ci vogliono circa 400 milioni di anni. I modelli teorici di cui sopra consentono di fare delle previsioni, molte delle quali sono state verificate: l’universo è approssimativamente omogeneo e sostanzialmente piatto. Però le minime perturbazioni all’omogeneità forniscono informazioni specifiche, quantitative, che possono farci capire in maggiore dettaglio cosa accadde nell’era dell’inflazione, sempre che ci sia stata. Due sono le perturbazioni che possiamo “vedere”, basate sulle fluttuazioni, durante l’inflazione, di due diversi campi: il campo dell’inflazione e quello gravitazionale. Non sappiamo cosa ha alimentato l’inflazione, ma qualcosa deve essere stato. Lo si è chiamato “inflatone” ed è “lui”, “lei” esso” che alla fine si trasforma in materia e radiazione. Le fluttuazioni dell’inflatone generano fluttuazioni nella densità del plasma primordiale, ovvero del CMB, rilevate per primi da Penzias e Wilson di cui sopra. Le mappe dell’universo generate dai dati rilevati dal satellite Planck, mostrano differenze di temperatura dell’ordine del centomillesimo di grado e sono proprio queste minime differenze –poc’anzi ne abbiamo parlato come perturbazioni- che hanno generato, nel corso dell’espansione dell’universo, stelle, galassie, e clusters.

Poi ci sono le fluttuazioni del campo gravitazionale: onde gravitazionali o “gravitoni”. La teoria è dei primi anni 1980 e afferma che le onde gravitazionali sono oscillazioni del campo gravitazionale che si propagano alla velocità della luce, proprio come le onde elettromagnetiche sono oscillazioni dei campi elettrico e magnetico che si propagano anch’esse alla velocità della luce. Tanto per capirci, sempre per analogia, le onde marine sono oscillazioni del campo costituito dell’acqua del mare. Possiamo rilevare le onde elettromagnetiche perché fanno oscillare in verticale delle particelle cariche, così come un’onda del mare fa andare su e giù un tappo di sughero o una nave. In modo analogo potremmo rilevare direttamente le onde gravitazionali per la compressione ed elongazione di un corpo solido. In teoria, perché per ora non ne siamo capaci. Dobbiamo ricorrere a metodi indiretti.

Le onde gravitazionali generate nella fase d’inflazione hanno un paio di proprietà interessanti. La prima è che ci devono essere. La seconda è che hanno la capacità di polarizzare la CMB (proprio come l’atmosfera polarizza la luce del sole), in una modalità particolare, chiamata B-mode polarization. Il cerchio ora è chiuso: anche di questo abbiamo parlato all’inizio.

Il gruppo di ricerca del BICEP2 ha rilevato proprio questa particolare modalità di polarizzazione. In modo indiretto ha rilevato le onde gravitazionali e la loro ampiezza. Nei modelli della fase di inflazione, l’ampiezza delle onde gravitazionali è proporzionale alla scala dell’energia coinvolta. Se le misure effettuate sono corrette, allora, per la prima volta, abbiamo a disposizione dati relativi a un processo fisico che si è realizzato 10^-35 secondi dopo l’inizio del tutto. BICEP2 è un’incredibile macchina del tempo. Fino ad oggi ci fermavamo a un secondo dopo l’inizio del tutto. Non male come risultato: il Nobel, se le misure sono confermate, è assicurato.

Perché, come sempre accade nella scienza, per validare un esperimento, occorre applicare il metodo galileiano, ripetendo metodi e misure per ottenere stessi risultati. Non ci sarà da aspettare molto. Ci sono diversi progetti in corso che cercano la polarizzazione in modalità B nella CMB: ABS, ovvero Atacama B-mode Search guidata dall’università di Princeton; POLARBEAR dell’università della California a Berkeley; EBEX dell’università del Minnesota; CLASS della John Hopkins University; e altri ancora.

Il prossimo passo è verificare che BICEP2 è corretto. Poi inizia l’avventura di estrarre informazione dai dati per trasformarla in conoscenza del nostro universo per rispondere a domande del tipo: “Come fa il nulla a generare energia e materia?”; “Perché accadde 13,7 miliardi di anni fa?”; “Perché il 5 percento del tutto è materia ordinaria mentre il 25 percento è materia oscura e il 70 per cento è energia oscura?”; “Cosa sono?”, “Perché?”.

Affascina l’universo, o gli universi perché non è proprio detto che questo sia l’unico, innato chiedersi l’origine del tutto, lascia perplessi percepire il labile confine fra scienza, filosofia e teologia.

Nulla in confronto alla capacità degli esseri umani di porsi domande, di essere curiosi, di andare sempre avanti, di creare strofe che raccontano di: “Onde gravi, in luce incerta e diffusa…”