La cosmologia ha vissuto diverse scoperte rivoluzionarie negli ultimi 100 anni e oltre, a partire dallo sviluppo della teoria della relatività da parte di Einstein. Due delle scoperte più significative sono state la rivelazione dello Sfondo Cosmico a Microonde (CMB) nel 1968 e la conferma delle onde gravitazionali nel 2015. Sebbene entrambe abbiano utilizzato strumenti diversi, entrambe hanno confermato la Teoria del Big Bang, che si riferisce alla formazione dell’universo. Tuttavia, non comprendiamo ancora una parte fondamentale di tale formazione, e un nuovo articolo di revisione di Rishav Roshan e Graham White dell’Università di Southampton suggerisce che potremmo fare progressi sulla nostra lacuna conoscitiva di un secondo, sfruttando la nuova comprensione delle onde gravitazionali.
Iniziamo a esaminare quale problema stiano cercando di risolvere i fisici. Attualmente, la teoria del Big Bang è la più accettata dagli scienziati. Essa comprende diverse fasi, inclusa la fase iniziale, nota come “inflazione”, e una fase in cui iniziano a formarsi gli atomi, conosciuta come Nucleosintesi del Big Bang (BBN). Tuttavia, tra la fine dell’inflazione e l’inizio della BBN c’è un intervallo di un secondo che gli scienziati non sono riusciti a osservare. È difficile comprendere cosa sia accaduto in quel secondo perché quel periodo specifico era opaco alle onde elettromagnetiche, come il CMB che ha contribuito a provare la teoria del Big Bang. Anche se un secondo potrebbe non sembrare molto, l’universo potrebbe aver subito una diminuzione della temperatura di circa ventidue ordini di grandezza in quel lasso di tempo. Comprendere come si è verificata questa variazione di temperatura è fondamentale per capire cosa sia accaduto nella BBN e, quindi, per la creazione dell’universo così come lo conosciamo oggi.
Fraser discute l’uso di missioni esistenti come rilevatori di onde gravitazionali.
Fortunatamente, le onde gravitazionali sono qui per aiutare. Potrebbero attraversare anche quel lasso di tempo di un secondo, permettendo ai cosmologi, per la prima volta, di affacciarsi a quel periodo misterioso e cercare di estrarre informazioni sull’impegno tra materia e antimateria o sul tasso di espansione dell’universo in quel momento. Ma per farlo, hanno bisogno di nuovi strumenti.
Ora che le onde gravitazionali sono state ufficialmente scoperte, dopo una ricerca durata oltre 100 anni, gli scienziati hanno molte idee nuove su modi innovativi per rilevarle. L’articolo analizza tre metodi, ciascuno dei quali potrebbe individuare onde a diverse frequenze. I primi sono sistemi più avanzati simili a LIGO, che ha rilevato la prima onda. Conosciuti come interferometri, questi strumenti precisi utilizzano laser sincronizzati per rilevare eventuali differenze minute tra due posizioni provocate dalle onde gravitazionali. Gli scienziati hanno tracciato piani per il futuro, includendo interferometri di grandi dimensioni basati a terra e alcuni basati nello spazio, che non sarebbero soggetti a disturbi come i terremoti. Queste soluzioni promettono di indagare le onde gravitazionali nelle gamme di frequenza da microhertz a kilohertz.
Fraser descrive in dettaglio le onde gravitazionali.
L’astrometria e gli array di temporizzazione dei pulsar sono le altre due tecniche. Entrambi sono utili in altre parti della cosmologia, ma possono anche rilevare onde gravitazionali a bassa frequenza se gli strumenti che le monitorano sono abbastanza sensibili. L’astrometria è più comunemente utilizzata per la rilevazione di esopianeti, mentre gli array di temporizzazione dei pulsar rappresentano una misura tipica delle distanze in cosmologia. Tuttavia, entrambi potrebbero essere influenzati da onde gravitazionali lente che potrebbero essere rilevabili dagli stessi strumenti già utilizzati per monitorarle.
Queste tecniche diverse cercheranno lo Sfondo Stocastico delle Onde Gravitazionali (SGWB), che opera in modo simile al CMB in quanto è un residuo della fase iniziale dell’universo. Tuttavia, in questo caso, l’SGWB è composto da onde gravitazionali che consentirebbero agli astronomi di vedere fino all’inizio dell’universo.
Se questi nuovi strumenti riusciranno a rilevarlo, potrebbero potenzialmente annunciare eventi altamente energetici avvenuti durante quella de-escalation di temperatura di un secondo. Una delle teorie di creazione più comunemente considerate per le onde gravitazionali è una fonte “acustica”. Questo non è suono come lo consideriamo tradizionalmente, ma descrive onde d’urto massive che si verificherebbero da due “gusci sonori” che circondano la materia calda e primordiale che si scontrano. Teorie di creazione come questa sono comunemente raggruppate nell’articolo come “transizioni di fase cosmiche”.
L’astronomia delle onde gravitazionali ha il potenziale di cambiare la nostra comprensione dell’universo, come discusso da Fraser.
Un altro raggruppamento nell’articolo riguarda eventi noti come “difetti topologici”. La topologia è un tema comune in fisica e un “difetto”, in questo caso, rappresenta una rottura effettiva nello spazio-tempo così come lo conosciamo. Quegli eventi potrebbero avere evidenti implicazioni gravitazionali, alcune delle quali dovrebbero essere rilevabili nelle frequenze monitorate dai nuovi rilevatori.
Un ulteriore gruppo di eventi che potrebbero generare onde gravitazionali è chiamato “scalari”. Invece di rappresentare una “rottura”, come i difetti menzionati sopra, questi eventi sono solo versioni su larga scala della fisica conosciuta. Le onde gravitazionali possono essere causate da masse grandi che si muovono insieme, sebbene tali eventi “scalari” siano meglio descritti da equazioni piuttosto che da parole.
Eventi ancora più esotici potrebbero generare onde gravitazionali durante questo periodo, ma la loro rilevazione richiederebbe rilevatori di frequenza più alta di quelli attualmente disponibili. Sono attualmente in fase di progettazione alcuni modelli per rilevatori che potrebbero identificare onde gravitazionali ad alta frequenza, ma al momento della scrittura non ci sono impegni solidi o prove sperimentali della loro efficacia.
Fraser discute LISA, uno dei proposti interferometri spaziali che potrebbe un giorno rilevare onde gravitazionali dallo spazio.
I cosmologi avranno senza dubbio una vasta gamma di elementi su cui riflettere anche senza rilevare onde gravitazionali ad alta frequenza. Abbiamo già parlato dell’imminente epoca dell’astronomia delle onde gravitazionali—e ogni giorno ci avviciniamo di più alla realtà. Articoli come quelli di Roshan e White sono ciò che aiuta ad illuminare il percorso.
Scopri di più:
Roshan & White – Utilizzare le onde gravitazionali per vedere il primo secondo dell’Universo
UT – I futuri osservatori delle onde gravitazionali potrebbero vedere le prime fusioni di buchi neri nell’universo
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Immagine principale:
Rappresentazione delle onde gravitazionali nel CMB.
Crediti – Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics