0116. Ci sono dati sperimentali che giustificano la teoria dell'inflazione cosmica?

 Ci sono dati sperimentali che giustificano la teoria dell'inflazione cosmica ? Cosa spiega esattamente questo modello? (Dario Binarelli)

Varie osservazioni astronomiche giustificano l'ipotesi che un periodo di inflazione cosmica abbia avuto luogo nei primi istanti dell'Universo, prima della "cosmologia standard" (vedi ad esempio [19] e [76]), ma purtroppo non sappiamo quale modello inflazionario ne sia stato responsabile e se l'inflazione sia veramente l'unico meccanismo possibile per spiegare tali dati. Viene chiamata inflazione cosmica una fase di espansione quasi esponenziale dell'Universo, proposta per la prima volta nel 1982 da Alan Guth , la quale fissa le condizioni iniziali per la successiva cosmologia standard. In termini matematici, visualizzando l'Universo come un palloncino, l'inflazione corrisponde alla crescita del raggio come una serie di potenze: ad esempio diventa il doppio al tempo t, il quadruplo a 2×t, 8 volte più grande a 3×t, ..., 2n volte a n×t, mentre l'attuale velocità di espansione è molto più ridotta (anche se pare aumentare...). Una tale fase di rapidissima espansione, che fa crescere il raggio dell'Universo di un fattore grandissimo, 10²⁵-10³⁰ (cioè circa un miliardo di miliardi di miliardi di volte!) , riesce a spiegare alcune strane proprietà del nostro Universo, per esempio:

1) Sembra che l'Universo sia spazialmente piatto, ossia, usando sempre l'analogia con spazi di due dimensioni, corrispondente ad un piano euclideo (a curvatura zero), invece che una sfera (con curvatura positiva) oppure una sella (a curvatura negativa). Recentemente gli esperimenti Boomerang  , Maxima ed il satellite WMAP  , hanno misurato la curvatura dell'universo e trovato che lo spazio è in buona precisione piatto. Non c'è alcuna ragione nella cosmologia standard perché sia così, anzi, se si parte con uno spazio curvo, esso diventa sempre più curvo. L'inflazione fa derivare la zero curvatura dalla grandissima espansione subita dall'Universo, che ha "appiattito" lo spazio, come nel caso del palloncino: più è gonfio e più la superficie diventa piatta...

2) L'Universo è incredibilmente omogeneo su larga scala, anche tra regioni agli antipodi : ad esempio la radiazione di fondo ha la stessa temperatura in una parte per diecimila in qualsiasi direzione la si misuri. Nella cosmologia standard ciò non è spiegato, ma nella teoria inflazionaria possiamo ricondurre tutto l'Universo osservato ad un'unica microscopica regione che era inizialmente omogenea.

3) La struttura su piccola scala, come il sistema solare, la nostra galassia, i cluster di galassie, etc... sembra avere origine da piccole fluttuazioni su questo sfondo omogeneo, che sono state amplificate negli ultimi dieci miliardi di anni dall'attrazione gravitazionale. Senza la presenza di tali fluttuazioni iniziali, l'Universo sarebbe rimasto del tutto omogeneo e non vedremmo tutti gli oggetti astronomici che invece ci appaiono. Nella teoria inflazionaria si riconducono le iniziali piccole disomogeneità a fluttuazioni quantistiche su scala microscopica, che durante la fase inflazionaria sono state "stirate" fino ad avere la lunghezza d'onda corrispondente oggi alle scale galattiche e intergalattiche.

4) Un'altra osservazione a favore dell'inflazione è di carattere negativo: l'assenza di alcuni tipi di particelle esotiche che vengono predette in modelli delle particelle elementari ad alte energie oltre il Modello Standard , come i monopoli magnetici o altri difetti topologici oppure i gravitini. Se, come assunto in cosmologia standard, l'Universo ha avuto inizio in uno stato di densità e temperatura infinite, tale materia esotica dovrebbe essere stata prodotta e ancora presente. Possiamo spiegare perché non osserviamo tali relitti del Big Bang grazie all'espansione inflazionaria, che ha aumentato il volume dell'Universo di un fattore 10⁷⁵-10⁹⁰ e quindi diluito fortemente qualsiasi materia preesistente.

Laura Covi - Fisico