Un team di scienziati ha proposto un nuovo potente test per l'inflazione, la teoria secondo cui l'universo si espanse drammaticamente di dimensioni in una fugace frazione di secondo subito dopo il Big Bang. Il loro obiettivo è fornire informazioni su una domanda di vecchia data:com'era l'universo prima del Big Bang?

Sebbene l'inflazione cosmica sia ben nota per risolvere alcuni importanti misteri sulla struttura e l'evoluzione dell'universo, anche altre teorie molto diverse possono spiegare questi misteri. In alcune di queste teorie, lo stato dell'universo precedente al Big Bang – il cosiddetto universo primordiale – si contraeva invece di espandersi, e il Big Bang faceva quindi parte di un Big Bounce.

Per aiutare a decidere tra l'inflazione e queste altre idee, la questione della falsificabilità, ovvero se una teoria può essere testata per dimostrare potenzialmente che è falsa – è inevitabilmente sorto. Alcuni ricercatori, incluso Avi Loeb del Centro di Astrofisica | Harvard &Smithsonian (CfA) a Cambridge, Messa., hanno sollevato preoccupazioni per l'inflazione, suggerendo che la sua adattabilità apparentemente infinita lo rende quasi impossibile da testare correttamente.

"La falsificabilità dovrebbe essere un segno distintivo di qualsiasi teoria scientifica. La situazione attuale dell'inflazione è che è un'idea così flessibile, non può essere falsificato sperimentalmente, " Ha detto Loeb. "Non importa quale valore le persone misurino per qualche attributo osservabile, ci sono sempre alcuni modelli di inflazione che possono spiegarlo".

Ora, un team di scienziati guidati da Xingang Chen del CfA, insieme a Loeb, e Zhong-Zhi Xianyu del Dipartimento di Fisica dell'Università di Harvard, hanno applicato un'idea che chiamano "orologio standard primordiale" alle teorie non inflazionistiche, e ha definito un metodo che può essere utilizzato per falsificare l'inflazione sperimentalmente. Lo studio apparirà in Lettere di revisione fisica come suggerimento della redazione.

Nel tentativo di trovare qualche caratteristica che possa separare l'inflazione da altre teorie, il team ha iniziato identificando la proprietà che definisce le varie teorie:l'evoluzione delle dimensioni dell'universo primordiale.

"Per esempio, durante l'inflazione, la dimensione dell'universo cresce esponenzialmente, " Xianyu ha detto. "In alcune teorie alternative, la dimensione dei contratti dell'universo. Alcuni lo fanno molto lentamente, mentre altri lo fanno molto velocemente.

"Gli attributi che le persone hanno proposto finora di misurare di solito hanno difficoltà a distinguere tra le diverse teorie perché non sono direttamente correlati all'evoluzione delle dimensioni dell'universo primordiale, "continuò. "Quindi, volevamo trovare quali sono gli attributi osservabili che possono essere direttamente collegati a quella proprietà che definisce."

I segnali generati dall'orologio standard primordiale possono servire a tale scopo. Quell'orologio è un qualsiasi tipo di particella elementare pesante nell'universo primordiale. Tali particelle dovrebbero esistere in qualsiasi teoria e le loro posizioni dovrebbero oscillare con una frequenza regolare, proprio come il ticchettio del pendolo di un orologio.

L'universo primordiale non era del tutto uniforme. C'erano minuscole irregolarità nella densità su scale minuscole che divennero i semi della struttura su larga scala osservata nell'universo di oggi. Questa è la principale fonte di informazioni su cui i fisici si affidano per conoscere cosa è successo prima del Big Bang. I tic dell'orologio standard generavano segnali che venivano impressi nella struttura di quelle irregolarità. Gli orologi standard in diverse teorie dell'universo primordiale prevedono diversi modelli di segnali, perché le storie evolutive dell'universo sono diverse.

"Se immaginiamo tutte le informazioni che abbiamo appreso finora su ciò che è accaduto prima del Big Bang si trovano in un rullino di fotogrammi, quindi l'orologio standard ci dice come dovrebbero essere riprodotti questi fotogrammi, " Chen ha spiegato. "Senza alcuna informazione sull'orologio, non sappiamo se il film debba essere riprodotto in avanti o all'indietro, veloce o lento, proprio come non siamo sicuri se l'universo primordiale si stesse gonfiando o contraendo, e quanto velocemente lo ha fatto. Questo è dove sta il problema. L'orologio standard indicava l'ora su ciascuno di questi fotogrammi quando il film è stato girato prima del Big Bang, e ci dice come interpretare il film."

Il team ha calcolato come dovrebbero apparire questi segnali di clock standard nelle teorie non inflazionistiche, e ha suggerito come dovrebbero essere cercati nelle osservazioni astrofisiche. "Se si trovasse uno schema di segnali che rappresenta un universo in contrazione, falsificherebbe l'intera teoria inflazionistica, " ha detto Xianyu.

Il successo di questa idea sta nella sperimentazione. "Questi segnali saranno molto sottili da rilevare, "Chen ha detto, "e quindi potremmo dover cercare in molti posti diversi. La radiazione cosmica di fondo a microonde è uno di questi posti, e la distribuzione delle galassie è un'altra. Abbiamo già iniziato a cercare questi segnali e ci sono già dei candidati interessanti, ma abbiamo bisogno di più dati".

Molte future indagini sulla galassia, come LSST a guida statunitense, Euclid europeo e il progetto appena approvato dalla NASA, SferaX, ci si aspetta che forniscano dati di alta qualità che possono essere utilizzati per raggiungere l'obiettivo.

La prestampa di questo documento è disponibile in:arxiv.org/abs/1809.02603 . Un lavoro precedente correlato può essere trovato in:arxiv.org/abs/1509.03930 .