L'Orizzonte Cosmologico e il Modello Inflazionario

L'Orizzonte Cosmologico e il Modello Inflazionario

Dato che la velocità della luce è finita, e corrisponde a circa 299.792,5 km/s, quella che ci arriva oggi da galassie molto distanti è partita milioni o miliardi di anni fa, e quindi ci fornisce un'immagine di come queste erano milioni o miliardi di anni prima, durante le prime fasi della loro vita. Più distante è un oggetto nello spazio, più 'giovane' lo vediamo. La galassia più vicina alla nostra, quella di Andromeda, dista da noi 'soltanto' due milioni di anni luce, ma con gli attuali strumenti è possibile osservare galassie e quasar distanti anche 13 miliardi di anni luce, cioè quando l'Universo era ancora molto giovane.

La loro osservazione è di estremo interesse per i cosmologi, dato che può fornire informazioni sull'Universo nei primi miliardi di anni dopo il Big Bang. Per questo motivo sono stati costruiti strumenti astronomici come il Telescopio Spaziale Hubble ed i nuovi telescopi giganti a terra

Non tutto l'Universo, comunque, è accessibile alle nostre osservazioni, indipendentemente dalla potenza degli strumenti astronomici: se osserviamo per esempio una galassia distante 10 miliardi di anni luce, possiamo osservarla soltanto com'era 10 miliardi di anni fa, ma non com'era, poniamo, 8 miliardi di anni fa. La luce che essa ha emesso in quel momento ci arriverà solo tra 2 miliardi di anni.
Ovvero, in ogni istante ci sono settori dello spazio e del tempo (o meglio, dello spaziotempo) che sono a noi inaccessibili, così come parte del nostro passato è inaccessibile a galassie lontane. Questo limite definisce il cosiddetto orizzonte cosmologico, cioè quel settore dello spaziotempo accessibile a noi. Di tutto quello che sta al di fuori dell'orizzonte non possiamo avere informazioni. L'orizzonte cosmologico ha costituito un problema per la teoria del Big Bang. Se due oggetti nello spazio sono in grado di comunicare tra loro per mezzo di un 'segnale' (meccanico o luminoso), si dice che sono in contatto causale, nel senso che l'uno può provocare nell'altro un effetto, in conseguenza del segnale che gli invia (per esempio una perturbazione meccanica, o un irraggiamento luminoso). I segnali viaggiano nello spazio ad una velocità finita, uguale o minore di c (la velocità della luce nel vuoto) a seconda che non o abbiamo massa, quindi gli effetti di un segnale emesso da un oggetto sull'altro, si faranno sentire solo un certo tempo, tanto maggiore tanto più distanti essi sono. La regione dello spaziotempo entro la quale un corpo può avere con altri una relazione causa-effetto, si dice orizzonte causale anche se in alcuni casi viene chiamato orizzonte-particella.

Dove sta il problema ?

Anche se vi sono addensamenti di galassie ed ammassi e regioni relativamente 'vuote', l'Universo appare nel complesso omogeneo e isotropo (cioè ha le stesse proprietà nei vari punti dello spazio e nelle varie direzioni). Anche regioni dell'Universo tra loro molto lontane, ciascuna al di fuori dell'orizzonte causale dell'altra, sembrano avere proprietà simili. Nemmeno la luce, il segnale che viaggia più velocemente, avrebbe potuto metterle in contatto causa-effetto nel tempo trascorso.
Come hanno fatto allora a comunicarsi le informazioni che hanno permesso loro di 'accordarsi' su proprietà simili ?

Nei primi anni '80, Alan Guth propose una modifica al modello classico del Big Bang, il cosiddetto modello inflazionario. Esso prevede che nei primi istanti di vita dopo il Big Bang, precisamente dopo 10^-35 secondi, l'Universo abbia subito una rapidissima espansione, detta inflazione, che nel giro di mille unità di tempo si è conclusa 10^-32 secondi dopo il Big Bang; il Cosmo aveva aumentato, in un tempo così piccolo, le sue dimensioni di un fattore 10⁵⁰.
Dopo questa fase, l'evoluzione sarebbe proseguita secondo la teoria classica del Big Bang. Prima della fase inflattiva l'Universo era così piccolo che parti di materia, che adesso sono al di fuori dei rispettivi orizzonti causali, potevano trovarsi in contatto causa-effetto. Viene così risolto il problema dell'orizzonte.

Qual è stata la causa del fenomeno inflazionario ?Secondo le ipotesi correnti, essa va ricercata nell'ambito della Grande Unificazione (G.U.T.) delle quattro interazioni fondamentali: la forza gravitazionale, quella elettromagnetica, quella nucleare debole e nucleare forte. Le quattro forze della natura sarebbero manifestazioni diverse di un'unica interazione; attenzione: in questo breve scritto non si tratta l'ultima forza scoperta da un'équipe italiana, la forza gravitomagnetica, in quanto troppo recente come scoperta, perché si possa affermare con certezza come possa essere inquadrata nel contesto generale. Alle altissime temperature e densità dei primi istanti di vita dell'Universo, esse erano indistinguibili; si sarebbero poi diversificate nel tempo, via via che l'Universo si raffreddava e si espandeva, generando ogni volta una transizione di fase, liberando energia che 'riscaldava' nuovamente l'universo e producendo classi ben precise di particelle subatomiche. Queste classi di particelle segnano ciascuna separazione tra le forze, al punto che le varie 'ere di separazione' vengono identificate con le particelle prodotte principalmente in quel preciso momento. Fu proprio durante questo processo di diversificazione che avvenne l'inflazione, come conseguenza della rottura di simmetria tra la forza gravitazionale e le restanti tre. La separazione dell'ambito di influenza reciproco, potrebbe aver liberato un'energia così spaventosamente grande da far letteralmente esplodere l'Universo, al punto che dalle dimensioni più piccole di una particella subatomica alla fine si ritrovò più grande di un ammasso di galassie.

Dobbiamo ora ricordare che la versione iniziale della Teoria Inflazionaria di Guth si è dimostrata parecchio lacunosa, a causa di incongruenze che le impedivano di essere accettata completamente. Il lavoro svolto da decine di fisici teorici, negli ultimi vent'anni, sotto la guida di Stephen Hawking, ha permesso di sviluppare quell'idea originale per portare alla luce la nuova versione, solo pochi anni dopo la sua formulazione originale.