Mentre la teoria della relatività generale di Einstein può spiegare una vasta gamma di affascinanti fenomeni astrofisici e cosmologici, alcuni aspetti delle proprietà dell'universo su larga scala rimangono un mistero. Un nuovo studio che utilizza la cosmologia quantistica a loop, una teoria che utilizza la meccanica quantistica per estendere la fisica gravitazionale oltre la teoria della relatività generale di Einstein, spiega due grandi misteri. Mentre le differenze nelle teorie si verificano alla più piccola delle scale, molto più piccole anche di un protone, hanno conseguenze alla più grande delle scale accessibili nell'universo. Lo studio, che appare online il 29 luglio sulla rivista Lettere di revisione fisica , fornisce anche nuove previsioni sull'universo che le future missioni satellitari potrebbero testare.

Mentre un'immagine ingrandita dell'universo sembra abbastanza uniforme, ha una struttura su larga scala, ad esempio perché le galassie e la materia oscura non sono distribuite uniformemente in tutto l'universo. L'origine di questa struttura è stata fatta risalire alle minuscole disomogeneità osservate nel Cosmic Microwave Background (CMB), radiazioni emesse quando l'universo era giovane di 380 mila anni che possiamo ancora vedere oggi. Ma la stessa CMB ha tre caratteristiche sconcertanti che sono considerate anomalie perché sono difficili da spiegare usando la fisica nota.

"Anche se vedere una di queste anomalie potrebbe non essere statisticamente notevole, vederne due o più insieme suggerisce che viviamo in un universo eccezionale, " ha detto Donghui Jeong, professore associato di astronomia e astrofisica alla Penn State e autore dell'articolo. "Un recente studio sulla rivista Nature Astronomy ha proposto una spiegazione per una di queste anomalie che ha sollevato così tante preoccupazioni aggiuntive, hanno segnalato una "possibile crisi in cosmologia". Usando la cosmologia del ciclo quantistico, però, abbiamo risolto naturalmente due di queste anomalie, evitare quella potenziale crisi".

La ricerca negli ultimi tre decenni ha notevolmente migliorato la nostra comprensione dell'universo primordiale, compreso come le disomogeneità nel CMB sono state prodotte in primo luogo. Queste disomogeneità sono il risultato di inevitabili fluttuazioni quantistiche nell'universo primordiale. Durante una fase di espansione molto accelerata nei primissimi tempi, nota come inflazione, questi primordiali, minuscole fluttuazioni sono state allungate sotto l'influenza della gravità e hanno seminato le disomogeneità osservate nel CMB.

"Per capire come sono nati i semi primordiali, abbiamo bisogno di uno sguardo più da vicino all'universo primordiale, dove crolla la teoria della relatività generale di Einstein, " ha detto Abhay Ashtekar, Evan Pugh Professore di Fisica, titolare della Eberly Family Chair in Fisica, e direttore del Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "Il paradigma inflazionistico standard basato sulla relatività generale tratta lo spazio-tempo come un continuum uniforme. Considera una maglietta che appare come una superficie bidimensionale, ma a un esame più attento puoi vedere che è tessuto da fili unidimensionali densamente impacchettati. In questo modo, il tessuto dello spazio-tempo è in realtà intessuto da fili quantici. Nel tenere conto di questi thread, la cosmologia quantistica a loop ci permette di andare oltre il continuum descritto dalla relatività generale in cui la fisica di Einstein si rompe, per esempio oltre il Big Bang."

La precedente indagine dei ricercatori sull'universo primordiale ha sostituito l'idea di una singolarità del Big Bang, dove l'universo è emerso dal nulla, con il Grande Rimbalzo, dove l'attuale universo in espansione è emerso da una massa super-compressa che si è creata quando l'universo si è contratto nella sua fase precedente. Hanno scoperto che tutte le strutture su larga scala dell'universo spiegate dalla relatività generale sono ugualmente spiegate dall'inflazione dopo questo Big Bounce usando equazioni della cosmologia quantistica a loop.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno determinato che l'inflazione sotto la cosmologia quantistica ad anello risolve anche due delle principali anomalie che appaiono sotto la relatività generale.

"Le fluttuazioni primordiali di cui stiamo parlando si verificano alla scala di Planck incredibilmente piccola, " ha detto Brajesh Gupt, un ricercatore post-dottorato presso la Penn State al momento della ricerca e attualmente presso il Texas Advanced Computing Center dell'Università del Texas ad Austin. "Una lunghezza di Planck è di circa 20 ordini di grandezza più piccola del raggio di un protone. Ma le correzioni all'inflazione su questa scala inimmaginabilmente piccola spiegano simultaneamente due delle anomalie alle scale più grandi dell'universo, in un tango cosmico del molto piccolo e del molto grande."

I ricercatori hanno anche prodotto nuove previsioni su un parametro cosmologico fondamentale e sulle onde gravitazionali primordiali che potrebbero essere testate durante le future missioni satellitari, inclusi LiteBird e Cosmic Origins Explorer, che continuerà a migliorare la nostra comprensione dell'universo primordiale.