Secondo la teoria del Big Bang, da qualche parte circa 13,8 miliardi di anni fa l'universo esplose in essere, come un infinitamente piccolo, palla di fuoco compatta di materia che si raffreddava espandendosi, innescando reazioni che hanno creato le prime stelle e galassie, e tutte le forme di materia che vediamo (e siamo) oggi.

Poco prima che il Big Bang lanciasse l'universo nel suo corso in continua espansione, i fisici credono, ce n'era un altro, fase più esplosiva dell'universo primordiale in gioco:inflazione cosmica, che durò meno di un trilionesimo di secondo. Durante questo periodo, materia:un raffreddore, goop omogeneo - gonfiato in modo esponenziale rapidamente prima che i processi del Big Bang prendessero il sopravvento per espandere e diversificare più lentamente l'universo infantile.

Osservazioni recenti hanno sostenuto indipendentemente teorie sia per il Big Bang che per l'inflazione cosmica. Ma i due processi sono così radicalmente diversi l'uno dall'altro che gli scienziati hanno faticato a concepire come l'uno seguisse l'altro.

Ora i fisici al MIT, Kenyon College, e altrove hanno simulato in dettaglio una fase intermedia dell'universo primordiale che potrebbe aver colmato l'inflazione cosmica con il Big Bang. Questa fase, noto come "riscaldamento, "si è verificato alla fine dell'inflazione cosmica e ha coinvolto processi che hanno combattuto il freddo dell'inflazione, materia uniforme nell'ultracaldo, zuppa complessa che era in vigore all'inizio del Big Bang.

"Il periodo di riscaldamento successivo all'inflazione crea le condizioni per il Big Bang, e in un certo senso mette il "bang" nel Big Bang, "dice David Kaiser, il Professore di Storia della Scienza di Germeshausen e professore di fisica al MIT. "È questo periodo ponte in cui si scatena l'inferno e la materia si comporta in modo tutt'altro che semplice".

Kaiser e i suoi colleghi hanno simulato in dettaglio come più forme di materia avrebbero interagito durante questo periodo caotico alla fine dell'inflazione. Le loro simulazioni mostrano che l'energia estrema che ha spinto l'inflazione avrebbe potuto essere ridistribuita altrettanto rapidamente, in una frazione ancora più piccola di secondo, e in un modo che ha prodotto le condizioni che sarebbero state richieste per l'inizio del Big Bang.

Il team ha scoperto che questa trasformazione estrema sarebbe stata ancora più veloce ed efficiente se gli effetti quantistici avessero modificato il modo in cui la materia risponde alla gravità a energie molto elevate, deviando dal modo in cui la teoria della relatività generale di Einstein prevede che la materia e la gravità dovrebbero interagire.

"Questo ci permette di raccontare una storia ininterrotta, dall'inflazione al periodo post-inflazione, al Big Bang e oltre, " dice Kaiser. "Possiamo tracciare un insieme continuo di processi, tutto con fisica nota, dire che questo è un modo plausibile in cui l'universo è arrivato ad apparire come lo vediamo oggi."

I risultati della squadra appaiono oggi in Lettere di revisione fisica . I coautori di Kaiser sono l'autrice principale Rachel Nguyen, e John T. Giblin, entrambi del Kenyon College, e l'ex studente laureato del MIT Evangelos Sfakianakis e Jorinde van de Vis, entrambi dell'Università di Leiden nei Paesi Bassi.

"In sincronia con se stesso"

La teoria dell'inflazione cosmica, proposto per la prima volta negli anni '80 da Alan Guth del MIT, il V.F. Weisskopf Professore di Fisica, predice che l'universo sia iniziato come un minuscolo granello di materia, forse circa un centomiliardesimo delle dimensioni di un protone. Questo granello era pieno di materia ad altissima energia, così energico che le pressioni all'interno hanno generato una forza gravitazionale repulsiva, la forza trainante dell'inflazione. Come una scintilla a una miccia, questa forza gravitazionale fece esplodere l'universo infantile verso l'esterno, a un ritmo sempre più veloce, gonfiandolo a quasi un ottantotto di volte la sua dimensione originale (questo è il numero 1 seguito da 26 zeri), in meno di un trilionesimo di secondo.

Kaiser e i suoi colleghi hanno tentato di capire come potevano essere le prime fasi del riscaldamento, quell'intervallo di ponte alla fine dell'inflazione cosmica e appena prima del Big Bang.

"Le prime fasi del riscaldamento dovrebbero essere contrassegnate da risonanze. Domina una forma di materia ad alta energia, e si muove avanti e indietro in sincronia con se stesso attraverso grandi distese di spazio, portando alla produzione esplosiva di nuove particelle, " dice Kaiser. "Questo comportamento non durerà per sempre, e una volta che inizia a trasferire energia a una seconda forma di materia, le sue stesse oscillazioni diventeranno più irregolari e irregolari nello spazio. Volevamo misurare quanto tempo ci sarebbe voluto perché quell'effetto risonante si interrompesse, e affinché le particelle prodotte si disperdano a vicenda e raggiungano una sorta di equilibrio termico, ricorda le condizioni del Big Bang."

Le simulazioni al computer del team rappresentano un grande reticolo su cui hanno mappato più forme di materia e hanno tracciato come la loro energia e distribuzione sono cambiate nello spazio e nel tempo mentre gli scienziati variavano determinate condizioni. Le condizioni iniziali della simulazione erano basate su un particolare modello inflazionistico, una serie di previsioni su come la distribuzione della materia nell'universo primordiale potrebbe essersi comportata durante l'inflazione cosmica.

Gli scienziati hanno scelto questo particolare modello di inflazione rispetto ad altri perché le sue previsioni corrispondono da vicino a misurazioni ad alta precisione del fondo cosmico a microonde:un bagliore residuo di radiazioni emesse solo 380, 000 anni dopo il Big Bang, che si pensa contenga tracce del periodo inflazionistico.

Un tweak universale

La simulazione ha tracciato il comportamento di due tipi di materia che potrebbero essere stati dominanti durante l'inflazione, molto simile a un tipo di particella, il bosone di Higgs, che è stato recentemente osservato in altri esperimenti.

Prima di eseguire le loro simulazioni, il team ha aggiunto un leggero "ritocco" alla descrizione della gravità del modello. Mentre la materia ordinaria che vediamo oggi risponde alla gravità proprio come aveva predetto Einstein nella sua teoria della relatività generale, materia a energie molto più elevate, come quello che si pensa sia esistito durante l'inflazione cosmica, dovrebbe comportarsi in modo leggermente diverso, interagiscono con la gravità in modi modificati dalla meccanica quantistica, o interazioni su scala atomica.

Nella teoria della relatività generale di Einstein, la forza di gravità è rappresentata come una costante, con quello che i fisici chiamano accoppiamento minimo, intendendo che, non importa l'energia di una particolare particella, risponderà agli effetti gravitazionali con una forza fissata da una costante universale.

Però, alle altissime energie previste nell'inflazione cosmica, la materia interagisce con la gravità in un modo leggermente più complicato. Gli effetti quantomeccanici prevedono che la forza di gravità può variare nello spazio e nel tempo quando interagisce con la materia ad altissima energia, un fenomeno noto come accoppiamento non minimo.

Kaiser e i suoi colleghi hanno incorporato un termine di accoppiamento non minimo nel loro modello inflazionistico e hanno osservato come la distribuzione di materia ed energia cambiasse quando aumentavano o diminuivano questo effetto quantistico.

Alla fine hanno scoperto che più forte era l'effetto gravitazionale quantistico modificato nell'influenzare la materia, più velocemente l'universo è passato dal freddo, materia omogenea nell'inflazione al molto più caldo, diverse forme di materia che sono caratteristiche del Big Bang.

Sintonizzando questo effetto quantistico, potrebbero fare in modo che questa transizione cruciale avvenga su 2 o 3 "e-fold, " riferendosi al tempo necessario all'universo per triplicare (circa) le sue dimensioni. In questo caso, sono riusciti a simulare la fase di riscaldamento entro il tempo necessario all'universo per triplicare le dimensioni da due a tre volte. A confronto, l'inflazione stessa ha avuto luogo in circa 60 e-fold.

"Il riscaldamento è stato un periodo folle, quando tutto è andato in tilt, "Dice Kaiser. "Mostriamo che la materia interagiva così fortemente in quel momento che poteva anche rilassarsi in modo corrispondentemente rapido, preparando magnificamente il palcoscenico per il Big Bang. Non sapevamo che fosse così, ma è quello che emerge da queste simulazioni, tutto con fisica nota. Questo è ciò che è eccitante per noi".