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Come l’annosa questione di cosa si trova oltre il cosmo osservabile, l’indagine su cosa esistesse prima del Big Bang – il momento che segnò la nascita dello spazio, del tempo e della materia 13,8 miliardi di anni fa – rimane uno dei misteri più profondi della fisica moderna. In una conferenza del 2017, il famoso fisico teorico DavidTong ha sottolineato che il termine "BigBang" è un termine improprio, perché trasmette l'immagine di una semplice esplosione quando, in realtà, non abbiamo alcuna conoscenza empirica di ciò che ha preceduto la singolarità.
Al centro di questo enigma c’è la singolarità stessa:un punto in cui tutta la massa e l’energia dell’universo verrebbero compresse in un volume infinitesimale, risultando in una densità infinita e un’estensione spaziale pari a zero. Sebbene la singolarità sia anche un segno distintivo dell'interno dei buchi neri, le condizioni esatte che hanno dato origine all'universo in espansione sono ancora sconosciute.
Negli ultimi decenni, una manciata di ipotesi hanno cercato di colmare questo vuoto. Nel 2008, l’analisi del fondo cosmico a microonde (CMB), il debole bagliore residuo del Big Bang, ha suggerito che le fluttuazioni primordiali della temperatura potrebbero suggerire una “bolla” originata da un universo preesistente. Un articolo del 2018 in Physical Review Letters di LathamBoyle, KieranFinn e NeilTurok hanno avanzato l'idea di un universo speculare e contrarian che esisteva prima del BigBang. Lavori più recenti hanno addirittura ipotizzato un breve intervallo tra la singolarità e il Big Bang, durante il quale l'universo ha subito un'esplosione di rapida espansione che potrebbe generare la materia oscura che osserviamo oggi.
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Sebbene non possiamo ancora definire con precisione lo stato del cosmo nell’istante della sua nascita, la cosmologia fornisce un quadro straordinariamente preciso dei primi momenti dell’universo. Misurando il tasso di espansione ed estrapolando all’indietro, deduciamo che un tempo l’universo era condensato in una singolarità, uno stato di densità e temperatura infinite. La temperatura al momento del BigBang è stimata a 10²⁶K (1,8×10³²°F), un valore che sottolinea le condizioni estreme prevalenti in quel momento.
Come poteva, allora, qualcosa preesistere in un universo che presumibilmente iniziava con una singolarità? La risposta sta nell’evoluzione della struttura stessa del BigBang. Il modello standard descrive una fase inflazionistica rapida – una frazione di secondo durante la quale l’universo si espande più velocemente della luce – immediatamente dopo la singolarità. Recenti sviluppi teorici suggeriscono che questa epoca inflazionistica potrebbe essa stessa essere una transizione da una fase precedente, offrendo una finestra sul mondo pre-BigBang.
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L’inflazione cosmica fu articolata per la prima volta all’inizio degli anni ’80 da AlanGuth, AlexeiStarobinsky, AndreiLinde e KatsuhikoSato. La teoria propone che una breve espansione esponenziale si sia verificata prima del canonico Big Bang, appianando la geometria dell’universo e imprimendo le sottili anisotropie che ora osserviamo nella CMB. L'evidenza dell'esistenza di fluttuazioni super-orizzonte (variazioni di temperatura che superano l'orizzonte causale) supporta l'esistenza di tale fase inflazionistica pre-Big Bang, poiché non possono essere prodotte solo dalla fisica post-inflazionistica standard.
Queste intuizioni gettano le basi per considerare se forme esotiche di materia, come la materia oscura, potrebbero essersi originate durante questo intervallo.
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La materia oscura costituisce circa l’85% della massa totale dell’universo, ma sfugge al rilevamento diretto perché non emette né assorbe radiazioni elettromagnetiche. La sua influenza gravitazionale, tuttavia, è evidente nelle curve di rotazione galattica e nella formazione di strutture su larga scala.
In uno studio del 2024 pubblicato su Physical Review Letters , KatherineFreese, GabrieleMontefalcone e BarmakShamsEsHaghi dell’Università del Texas, Austin, hanno introdotto il modello di “inflazione calda tramite congelamento dei raggi ultravioletti” (WIFI). Questo quadro propone che la materia oscura sia stata prodotta durante l'epoca inflazionistica stessa, attraverso minuscole interazioni tra il campo dell'inflatone e un bagno termico generato dal decadimento dell'inflatone in radiazione.
Freese ha spiegato in un comunicato stampa:"Nella maggior parte dei modelli, qualsiasi particella creata durante l'inflazione viene diluita dall'espansione esponenziale. Il meccanismo WIFI, tuttavia, consente alla materia oscura di essere generata in situ e di sopravvivere alla diluizione inflazionistica."
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Sebbene lo scenario WIFI sia matematicamente intricato, offre una narrazione avvincente:la materia oscura potrebbe essere stata forgiata nel calore dell’universo primordiale, appena prima del Big Bang, e persisterebbe fino ai giorni nostri. Inoltre, il modello prevede un'efficienza nella produzione di materia oscura che supera i convenzionali meccanismi di congelamento, risolvendo potenzialmente le tensioni tra la densità osservata della materia oscura e le aspettative della fisica delle particelle.
“Oltre alla materia oscura, il Wi-Fi suggerisce una più ampia applicabilità alla generazione di altre particelle reliquie che potrebbero aver avuto un ruolo fondamentale nella formazione dell’universo primordiale”, ha osservato ShamsEsHaghi. "Queste intuizioni aprono nuove strade sia per l'indagine teorica che per le ricerche sperimentali."
Mentre la ricerca continua, le prossime osservazioni, come quelle del telescopio spaziale James Webb e gli esperimenti CMB di prossima generazione, potrebbero fornire i dati necessari per confermare o confutare l'ipotesi WIFI, riscrivendo potenzialmente la nostra comprensione dei primi istanti dell'universo.
