La materia oscura e l'energia oscura potrebbero aver determinato l'inflazione, l'espansione esponenziale dell'universo pochi istanti dopo il Big Bang. Un nuovo modello cosmologico proposto dai fisici dell'Università di Varsavia, che spiega l'inflazione oscura, è il primo a delineare una cronologia precisa dei principali eventi della prima storia del nostro universo. Il modello fa una previsione spettacolare:dovrebbe essere possibile rilevare le onde gravitazionali formate solo frazioni di secondo dopo la creazione dello spaziotempo.

Cosa sappiamo dell'evoluzione dell'universo subito dopo il Big Bang? Nonostante le ricerche approfondite condotte nel corso di decenni, gli attuali modelli cosmologici non delineano ancora una precisa cronologia degli eventi. I ricercatori della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia (UW Physics) hanno sviluppato un nuovo modello in cui l'espansione esponenziale della materia oscura e dell'energia oscura gioca un ruolo chiave. Il modello dell'inflazione oscura organizza la storia termica dell'universo in ordine cronologico e prevede che presto dovremmo essere in grado di rilevare le onde gravitazionali primordiali formatesi immediatamente dopo il Big Bang.

La prima struttura dell'universo che possiamo studiare oggi è la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB). Questa reliquia elettromagnetica risale al 380 circa, 000 anni dopo il Big Bang ed è sorprendentemente omogeneo, anche in regioni così distanti che la luce non avrebbe potuto coprire la distanza tra loro nel tempo a disposizione. Nel 1979, Alan Guth ha proposto l'inflazione come una semplice spiegazione per questa uniformità:le attuali vaste distanze tra le regioni omogenee sono così grandi perché un tempo, c'è stata un'espansione estremamente rapida dello spaziotempo, ingrandendo un miliardo di miliardi di volte in poche frazioni di secondo. Si dice che questo sia stato guidato da un ipotetico campo di inflazione e da particelle note come inflatoni.

"Il problema fondamentale con l'inflazione è che non sappiamo davvero quando si è verificato esattamente, o a quali livelli di energia. La gamma di energie alle quali potrebbe essersi verificata l'inflazione è vasta, che si estende su oltre 70 ordini di grandezza, " spiega il Prof. Zygmunt Lalak (UW Physics). Aggiunge, "L'inflazione è descritta come un periodo di espansione superraffreddata. Tuttavia, affinché i modelli cosmologici siano coerenti, a seguito dell'inflazione, l'universo avrebbe dovuto subire un riscaldamento a una temperatura molto elevata, e non abbiamo idea di come o quando questo possa essere accaduto. Proprio come con l'inflazione stessa, abbiamo a che fare con energie in una gamma di 70 ordini di grandezza. Di conseguenza, la storia termica dell'universo deve ancora essere descritta."

Le misurazioni della radiazione CMB tramite il satellite Planck sono state utilizzate per stimare la composizione dell'universo contemporaneo. Si scopre che l'energia oscura comprende fino al 69 percento di tutta l'energia/materia esistente, con la materia oscura che comprende il 26% e la materia ordinaria solo il 5%. La materia oscura e la materia ordinaria non interagiscono affatto, o le loro interazioni sono così deboli che stiamo appena iniziando a notare l'impatto gravitazionale della materia oscura sul movimento delle stelle nelle galassie e delle galassie negli ammassi. L'energia oscura dovrebbe essere un fattore responsabile dell'espansione accelerata dell'universo.

"Il nostro modello di inflazione è significativamente diverso da quelli proposti in passato. Siamo partiti dal presupposto che da oggi, la materia oscura e l'energia oscura costituiscono fino al 95% della struttura dell'universo, quindi entrambi i fattori devono essere stati estremamente importanti anche subito dopo il Big Bang. Questo è il motivo per cui descriviamo il settore oscuro dell'universo come responsabile del processo di inflazione, " spiega il Dr. Michal Artymowski (UW Physics), autore principale dell'articolo pubblicato su Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

Nel modello proposto, l'inflazione è guidata da un campo scalare. Le proprietà del campo indicano che l'inflazione non è permanente e deve finire, a un certo punto, il tasso di espansione dell'universo inizierà a rallentare invece di accelerare. Al punto di questo spostamento, si formano nuove particelle relativistiche, comportandosi allo stesso modo delle radiazioni. Alcune di queste particelle sono descritte dal Modello Standard, mentre altri possono corrispondere a particelle previste da teorie oltre il Modello Standard, come la supersimmetria.

"Nei nostri modelli, le nuove particelle sono il risultato della gravitazione, che è una forza molto debole. Il processo di formazione delle particelle è inefficace, e alla fine dell'inflazione, i gonfiatori continuano a dominare l'universo, "dice Olga Czerwinska, dottorato di ricerca studente presso UW Fisica.

Al fine di ricreare la dominanza osservata della radiazione nell'universo, i gonfiatori dovrebbero perdere rapidamente energia. I ricercatori propongono due meccanismi fisici che potrebbero essere responsabili del processo. Rivelano che il nuovo modello prevede il corso degli eventi della storia termica dell'universo con una precisione molto maggiore rispetto al passato.

Particolarmente interessanti sono le previsioni del modello relative alle onde gravitazionali primordiali. Le onde gravitazionali sono vibrazioni dello spaziotempo stesso, e sono già stati rilevati più volte. In ogni caso, la loro fonte è stata la fusione di una coppia di buchi neri o stelle di neutroni. Gli attuali modelli cosmologici prevedono che le onde gravitazionali dovrebbero apparire anche come risultato dell'inflazione. Però, tutte le prove suggerivano che le vibrazioni dello spaziotempo causate dall'inflazione sarebbero state così deboli ormai che nessun rilevatore esistente o futuro sarebbe stato in grado di registrarle. Queste previsioni sono state riviste quando i fisici dell'Università di Varsavia hanno preso in considerazione gli effetti del settore oscuro dell'universo.

"Le onde gravitazionali perdono energia sotto forma di radiazioni. Tuttavia, i gonfiatori devono perderlo significativamente più velocemente. Se l'inflazione ha coinvolto il settore oscuro, l'ingresso delle onde gravitazionali aumentava proporzionalmente. Ciò significa che le tracce delle onde gravitazionali primordiali non sono così deboli come pensavamo inizialmente, " aggiunge il dottor Artymowski.

Le stime fatte dal fisico di Varsavia sono ottimistiche. I dati suggeriscono che le onde gravitazionali primordiali potrebbero essere rilevate da osservatori attualmente in fase di progettazione o in costruzione, come il Deci-Hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory (DECIGO), Antenna spaziale con interferometro laser (LISA), European Pulsar Timing Array (EPTA) e Square Kilometer Array (SKA). I primi eventi potrebbero essere rilevati nel prossimo decennio. Per i cosmologi, sarebbe una scoperta senza precedenti, aprendo la strada alla ricerca sugli eventi gravitazionali avvenuti immediatamente dopo il Big Bang, un periodo finora impossibile da studiare.

Il modello dell'inflazione oscura ha un altro aspetto affascinante:è fortemente dipendente dalla teoria gravitazionale. Confrontando le previsioni del modello con i dati raccolti dagli osservatori gravitazionali, i cosmologi dovrebbero essere in grado di fornire nuove verifiche della teoria della relatività generale di Einstein. Cosa succede se trovano discrepanze? Significherebbe che i dati osservativi forniscono le prime informazioni sulle proprietà della gravità reale.