SCIENZA IN PRIMO PIANO

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1 SCIENZA IN PRIMO PIANO INFLAZIONE E ONDE GRAVITAZIONALI IL CLAMORE PRECOCE DI UN RISULTATO ORA INCERTO EUGENIO COCCIA Università di Roma Tor Vergata, Roma, Italia INFN Gran Sasso Science Institute, L Aquila, Italia Quest anno, in un giorno di inizio primavera, la notizia più importante di giornali e notiziari TV di tutto il mondo ha riguardato l origine dell Universo. Cosa era accaduto? La collaborazione BICEP2 aveva annunciato la rivelazione, con il suo telescopio antartico, di onde gravitazionali generate nei primi istanti dopo il Big Bang. Le onde erano visibili come delle impronte impresse nella polarizzazione del fondo cosmico a microonde, con un livello di significatività superiore a 5 deviazioni standard. Il risultato è stato presentato come un fortissimo indizio della correttezza della teoria dell inflazione cosmica primordiale, creando naturalmente grande sensazione nella comunità scientifica, nei media e nel grande pubblico. Il risultato recentemente è stato però messo in discussione. Seri dubbi sono stati avanzati sulla correttezza dell analisi, e ora nuovi dati sono attesi con impazienza da Planck e da altri esperimenti. Vediamo di capire meglio cosa sta succedendo. Dal Big Bang a oggi ci separano circa 14 miliardi di anni. Il fondo di radiazione cosmica viaggia fino a noi quasi da quell epoca: l Universo aveva solo anni di vita quando a causa della sua espansione la temperatura scese abbastanza da rendere possibile la combinazione degli elettroni con i protoni e i nuclei leggeri. Dando origine agli atomi, oggetti neutri, l Universo diventò trasparente, permettendo alla radiazione elettromagnetica, cioè ai fotoni, di propagarsi liberamente. La radiazione risalente a quell epoca, raffreddatasi ulteriormente per l espandersi dell Universo, viene oggi a costituire il cosiddetto fondo a microonde, scoperto per caso nel 1964 da Arno Penzias e Robert Wilson [1]. È noto a tutti con la sigla CMB, da Cosmic Microwave Background. Guardando ai confini dell Universo osservabile vediamo quindi una sorta di sipario che rende impossibile, usando come messaggeri i fotoni, capire com era fatto il cosmo quando esso era più giovane di anni. Ma, straordinariamente, su questo sipario sono impresse le tracce della misteriosa storia precedente. Prima il satellite COBE, poi l esperimento su pallone BOOMERANG [ boomerang/], e poi ancora e con maggior dettaglio i telescopi spaziali WMAP [ map.gsfc.nasa.gov/] e PLANCK [ hanno misurato nel fondo cosmico, che riproduce la radiazione di un corpo nero a una temperatura di 2.7 K, piccole fluttuazioni di temperatura, ovvero regioni nelle quali materia ed energia erano più o meno dense. In verità sono fluttuazioni molto piccole, dell ordine del µk. Il significato di questa uniformità nella temperatura, o della presenza di fluttuazioni così piccole, è profondo. Esse sono dovute alle fluttuazioni quantistiche in un epoca in cui l Universo era così piccolo da poter avere connessioni causali in una grande porzione di VOL30 / NO3-4 / ANNO2014 > 17

2 SCIENZA IN PRIMO PIANO Fig. 1 La storia dell Universo con le tappe più significative della sua evoluzione. Nel momento in cui è abbastanza freddo da permettere ai protoni di legarsi con gli elettroni formando gli atomi di idrogeno, l universo ha anni di vita. La radiazione elettromagnetica smette allora di essere copiosamente diffusa dalle cariche elettriche libere e può cominciare a propagarsi nel cosmo. La superficie di ultimo scattering è testimone di questo momento dell evoluzione dell universo ed è il limite ultimo che possiamo osservare usando come messaggeri i fotoni. È la radiazione proveniente da questa superficie che ci fornisce il fondo a microonde, su cui sono impresse le onde generate dalla fase inflazionaria: onde di densità (scalari), e onde gravitazionali (tensoriali). Fonte: BICEP2 Collaboration esso. Come altro immaginare, altrimenti, una temperatura così uniforme in tutto il cielo? A tempi successivi dell evoluzione dell Universo, regioni tanto distanti non avrebbero più potuto essere connesse causalmente da nessun processo dinamico, neanche se fossero state accoppiate da interazioni alla velocità della luce: non ci sarebbe semplicemente stato abbastanza tempo prima che l Universo cambiasse le sue condizioni fisiche espandendosi secondo quanto indicato dalla costante di Hubble. Insomma per giustificare la sostanziale uniformità di questo fondo,in qualunque direzione lo si guardi, occorre supporre che l Universo appena nato, caldissimo e uniforme, sia stato sottoposto improvvisamente a un enorme stiramento dello spaziotempo, una fase di espansione violenta cui si da il nome di inflazione (vedi fig. 1). La teoria dell inflazione cosmica primordiale fu proposta da vari scienziati, in particolare Alan Guth, Andrei Linde e Aleksei Starobinsky, per risolvere alcune incongruenze della teoria del Big Bang, tra cui, oltre a quella della uniformità del cosmo, anche quello della sua piattezza, il fatto cioè che la geometria dell Universo appaia essere quella euclidea. La teoria inflazionaria assume che questa fase iniziale di espansione accelerata, sia stata generata dall energia di un campo quantistico scalare nello stato di vuoto, l inflatone. 18 < IL NUOVO SAGGIATORE

3 E. COCCIA: INFLAZIONE E ONDE GRAVITAZIONALI Fig. 2 Lo spettro delle onde gravitazionali con le possibili sorgenti e i rivelatori in grado di studiarle. Si va dalle bassissime frequenze delle onde dovute alle fluttuazioni quantistiche nell universo primordiale, ai segnali generati da buchi neri supermassivi a costituire mostruosi sistemi binari, alle onde a frequenza più elevata (10 Hz - 10 khz) come quelle previste dalla coalescenza di stelle di neutroni e di buchi neri di massa stellare. Corrispondentemente, i metodi di rivelazione variano dall osservazione dei modi B nella polarizzazione del CMB, alla misura, con una rete di antenne radio, dell effetto di modulazione nella regolarità temporale dei segnali emessi da pulsars ben note, alla misura della variazione nella distanza tra masse libere, nello spazio o a terra, effettuata con metodi interferometrici. Fonte: NASA. In un tempo dell ordine di s, una regione di spazio di dimensioni infinitamente piccole si è espansa esponenzialmente prendendo le dimensioni del nostro Universo. Le fluttuazioni quantistiche dell inflatone avrebbero generato quelle fluttuazioni iniziali nella densità di materia, quei semi primordiali, che hanno poi formato per attrazione gravitazionale tutte le strutture che osserviamo nel cosmo, le galassie e gli ammassi di galassie. E le onde gravitazionali? Queste, secondo la relatività generale di Einstein, sono perturbazioni dello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce (fig. 2). Oggi le cerchiamo con appositi rivelatori (il più grande in Europa è l interferometro Virgo a Cascina, vicino Pisa) avendo in mente soprattutto sorgenti astrofisiche discrete, dove materia a densità elevatissima è sottoposta a grandi accelerazioni: coalescenza di stelle di neutroni, collisioni di buchi neri, collassi gravitazionali. Ma onde gravitazionali primordiali sono state inevitabilmente generate in conseguenza della tempesta spaziotemporale costituita dalla fase di inflazione. È stata quella senz altro una fase in cui materia a densità elevatissima ha subito una enorme accelerazione. Queste onde spremono e dilatano lo spaziotempo ed il suo contenuto, secondo una geometria caratteristica tensoriale. Guidando l accelerazione della materia secondo le direzioni preferenziali dettate dalla simmetria delle onde gravitazionali, la radiazione elettromagnetica emessa dalle particelle cariche viene polarizzata in modo caratteristico. Questo effetto appare con la presenza di figure circolari, o riccioli, nella mappa della polarizzazione del fondo a microonde. È l impronta fossile di questo antichissimo e straordinariamente dinamico passato del nostro Universo. Tuttavia, se rivelare le fluttuazioni di temperatura era stato relativamente facile, rivelare le fluttuazioni della polarizzazione è mille volte più difficile, essendo segnali dell ordine dei nk. Lo sviluppo di nuovi rivelatori di radiazione e di nuove tecnologie sono state necessarie. Tanti sono i frutti di questo sviluppo, ad esempio il satellite PLANCK. BICEP2 è un altro. Si tratta di un telescopio situato al Polo Sud (fig. 3), dove le condizioni di freddo secco e aria stabile realizzano una condizione di pulizia nelle osservazioni vicina a quella che si trova nello spazio. Gli scienziati che lavorano a questo telescopio hanno VOL30 / NO3-4 / ANNO2014 > 19

4 SCIENZA IN PRIMO PIANO Fig. 3 Immagine notturna del telescopio antartico Bicep2. Fonte: Daniel Luong-Van, National Science Foundation. esaminato la radiazione a microonde in polarizzazione su scale spaziali nel cielo che si estendono da uno a cinque gradi, cioè da due a dieci volte la larghezza della Luna piena, riuscendo a misurare le tracce delle onde gravitazionali. L ampiezza delle onde viene calcolata misurando il rapporto tra le fluttuazioni tensoriali, i cosiddetti modi B, dovute alle onde gravitazionali e quelle scalari dovute solo alle fluttuazioni di densità, i cosiddetti modi E. Gli esperimenti condotti fino a oggi suggerivano un limite superiore, per il rapporto B su E, pari a circa 0,11. Il numero trovato da BICEP2 è praticamente il doppio: 0,2 (fig. 4). [ harvard.edu/cmb/bicep2/] Questo risultato, se preso sul serio, ci dice quindi che l Universo appena nato ha avuto effettivamente una fase di inflazione. E naturalmente costituisce anche una prova dell esistenza delle onde gravitazionali. Ci suggerisce anche la scala di energia in gioco durante l inflazione: GeV. Questa non è un livello di energia qualsiasi. Corrisponde a quello in cui tre forze fondamentali della natura (elettromagnetica, debole e forte) si manifestano come una forza unica, secondo le previsioni delle cosiddette teorie GUT, o Teorie di Grande Unificazione. Grande entusiasmo [2]. Poi con l arrivo dell estate qualcosa ha raffreddato gli animi. Prima solo voci, poi ammissioni di alcune carenze nell analisi, infine l articolo della collaborazione BICEP2 con i dati e i dubbi onestamente riportati [3]. Di fatto la rivelazione certa delle onde gravitazionali e la conferma della teoria inflazionaria rischia di trasformarsi in un flop. Il problema è che altri effetti, come l emissione termica da polveri interstellari e la radiazione di sincrotrone generata da elettroni nei campi magnetici all interno della nostra Galassia, possono contribuire a costruire segnali simili a quelli osservati. Lo strumento BICEP2 rileva la radiazione a una sola frequenza, quindi non può distinguere i contributi da varie fonti. Per farlo, i ricercatori di BICEP2 hanno usato misure di polveri raccolte da esperimenti spaziali come WMAP (Wilkinson Microonde Anisotropy Probe) e da PLANCK, che invece operano a varie frequenze. Quando il team di BICEP2 ha fatto la sua analisi, la mappa sull effetto della polvere di PLANCK non era ancora stata pubblicata, quindi sono stati estratti i dati da una mappa preliminare che era stata presentata informalmente diversi mesi prima. Ora una rianalisi indipendente da parte di alcuni ricercatori di Princeton ha concluso che il segnale dei modi B di BICEP2 potrebbe essere dovuto in gran 20 < IL NUOVO SAGGIATORE

5 E. COCCIA: INFLAZIONE E ONDE GRAVITAZIONALI Fig. 4 Le onde gravitazionali dell inflazione generano deboli ma distintive forme a ricciolo nella polarizzazione della CMB, note come modi B. Niente di simile è generato dalle semplici fluttuazioni di densità. In questa figura viene mostrata la configurazione dei modi B effettivamente osservata con il telescopio BICEP2. I segmenti mostrano la polarizzazione da differenti zone del cielo. Le ombreggiature in rosso e blu mostrano il grado di arricciamento in verso orario e antiorario dei modi B. Fonte: BICEP2 Collaboration parte, e forse quasi totalmente, a questi effetti spuri, senza alcun contributo da onde gravitazionali. Anche altri modelli degli effetti della polvere, considerati dal team di BICEP2, non cambierebbero questa conclusione negativa [4]. Altri dati sono necessari per chiarire la situazione ammette l articolo della collaborazione BICEP2 su Physical Review Letter, ribadendo però che le analisi erano corrette con i dati in loro possesso e tenendo ancora la porta aperta sulla grande scoperta. In effetti altri dati sono in arrivo: almeno otto esperimenti, compresi BICEP3, Keck Array e PLANCK, stanno già puntando allo stesso obiettivo. Misure in più di un range di frequenza dovrebbero dare garanzie di poter discriminare l effetto delle polveri dalla intrinseca polarizzazione del fondo cosmico. Dopo una calda primavera e una fredda estate, vedremo che raccolto ci porteranno le prossime stagioni. Intanto la vicenda ha dato spazio a commenti che non mancano di far discutere la comunità dei fisici, e non solo. Ad esempio, da molte parti si sottolinea che nella scienza gli annunci dovrebbe essere fatti solo dopo la presentazione di un articolo a una rivista con vaglio di referees esperti. Se ci deve essere una conferenza stampa, questa dovrebbe sempre essere accompagnata da una opportuna documentazione, compresi i dettagli dell analisi e dati sufficienti per consentire una verifica oggettiva. Ma la vicenda BICEP2 ha anche dato luogo a riflessioni in merito alla teoria dell inflazione e alla mentalità di alcuni suoi sostenitori. Secondo Paul Steinhardt, famoso fisico teorico di Princeton, è opinione comune che l inflazione sia una teoria altamente predittiva e, nel caso in questione, la rivelazione delle onde gravitazionali sarebbe stata la pistola fumante della sua correttezza [5]. Ma allora si potrebbe pensare che se questa rivelazione si dimostrasse sbagliata, se cioè non ci fosse traccia di onde gravitazionali, anche la teoria fallirebbe. Invece alcuni sostenitori dell inflazione che hanno celebrato l annuncio di BICEP2, già sostengono che la teoria sarebbe ugualmente valida anche se le onde gravitazionali primordiali non venissero viste. Come è possibile, si chiede Steinhardt, giudicando al tempo stesso allarmante la risposta data dai sostenitori: il paradigma inflazionistico è così flessibile che è immune alle prove sperimentali. In primo luogo, l inflazione è guidata da un campo scalare ipotetico, l inflatone, che ha proprietà che possono essere regolate per produrre efficacemente qualsiasi risultato. In secondo luogo, l inflazione non VOL30 / NO3-4 / ANNO2014 > 21

6 termina con un Universo con proprietà uniformi, ma quasi inevitabilmente porta ad un multiverso con un numero infinito di bolle, in cui le proprietà fisiche e cosmiche variano da bolla a bolla. La parte del multiverso che osserviamo corrisponde ad un pezzo di una di queste bolle. Ogni cosa che può fisicamente accadere può capitare un infinito numero di volte considerando tutte le possibili bolle nel multiverso. Ma nessun esperimento può escludere una teoria che consente tutti i risultati possibili. Quindi, conclude Steinhardt, è chiaro che il paradigma inflazionistico è fondamentalmente non verificabile e quindi scientificamente insignificante. Attendiamo i prossimi risultati per capire cosa dobbiamo pensare dell inflazione. E attendiamo nei prossimi anni, con altri strumenti, anche la rivelazione diretta delle onde gravitazionali. Di fatto, al di là della rivelazione indiretta delle onde primordiali tramite la radiazione di fondo, la rivelazione diretta delle onde gravitazionali e il loro studio segnerà l inizio di una nuova astronomia basata su segnali costituiti dalle vibrazioni dello spazio-tempo. Segnali generati dal movimento coerente di sorgenti dove le densità sono elevatissime e la gravità prevale sulle altre interazioni come le stelle di neutroni e i buchi neri. E forse da sorgenti ancora sconosciute (sempre, quando si è aperta una nuova finestra astronomica, si sono scoperte sorgenti assolutamente impensate). Poiché interagiscono pochissimo con la materia, catturarle è impresa davvero ardua. Sono ancora più elusive dei neutrini o delle particelle di materia oscura, tanto per citare altre sfide che vedono impegnati fior di cacciatori. Questa elusività è dovuta proprio all essere la gravitazione la più debole delle interazioni della Natura. D altronde nessun altro messaggero può dirci cosa è accaduto nell Universo subito dopo il Big Bang quanto può farlo l eco delle onde gravitazionali generato, come abbiamo visto, molto prima di quello dei fotoni. I rivelatori di onde gravitazionali hanno una loro storia. Si è iniziato con i rivelatori risonanti, sensibili diapason, raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto con uso di tecnologie quantistiche. Senza soluzione di continuità, gli anni 2000 hanno visto il sorpasso nella sensibilità da parte dei grandi interferometri laser, come Virgo. Questi sono straordinari rivelatori, potenzialmente sensibili a molte sorgenti provenienti da migliaia di galassie, che devono la loro sensibilità all uso estremo delle tecnologie laser, ottiche e meccaniche, fino a spingersi al limite quantistico imposto dal principio di indeterminazione di Heisenberg. E si stanno provando tecniche di misura per andare oltre. L appuntamento con la prima rivelazione è fissato entro un lustro con i rivelatori Advanced Virgo in Italia e Advanced LIGO negli USA. Nella prossima decade, dopo la rivelazione dei primi segnali, si prevede di realizzare in Europa un progetto ambizioso, chiamato Einstein Telescope: un interferometro di 10 km di lunghezza, situato in sotterraneo per ridurre il rumore sismico e newtoniano, e con gli specchi raffreddati a bassa temperatura per ridurre il rumore termico. E poi tra una decina di anni il rivelatore forse con il maggior fascino: il progetto elisa di interferometro nello spazio, con le masse di riferimento a distanze di un milione di km per studiare sorgenti più lente, quali i buchi neri supermassivi al centro delle galassie, le stelle binarie ancora lontane dalla coalescenza e il fondo stocastico di onde gravitazionali nella regione del mhz. Il dimostratore, LISA PathFinder, a guida italiana, volerà l anno prossimo [6]. È opinione di molti che la cosmologia sia una scienza straordinaria in un momento straordinario. Nuovi rivelatori e nuovi dati sono in arrivo, condizione necessaria questa per avvicinarci all obiettivo di identificare un paradigma scientifico esplicativo e predittivo per descrivere l origine, l evoluzione e il futuro dell Universo. Bibliografia [1] A. Penzias e R. Wilson, Astrophys J. Lett., 142 (1965) 419. [2] R. Cowen, Nature, 507 (2014) 281. [3] P. A. R. Ade et al. (BICEP2 Collaboration), Phys. Rev. Lett., 112 (2014) [4] R. Flauger, J. C. Hill e D. N. Spergel, preprint 2014, [5] P. Steinhardt, Nature, 510 (2014) 9. [6] Tutte le informazioni sui progetti di ricerca delle onde gravitazionali possono essere ottenute attraverso il sito del GWIC (Gravitational Wave International Committee) Eugenio Coccia Eugenio Coccia è Professore Ordinario all Università di Roma Tor Vergata e Direttore del Gran Sasso Science Institute dell INFN. Fisico sperimentale, è riconosciuto per lo sviluppo dei rivelatori criogenici di onde gravitazionali. Ha diretto l esperimento Explorer al CERN e Nautilus ai Laboratori di Frascati dell INFN ed è membro della Collaborazione Virgo. È stato Direttore dei Laboratori del Gran Sasso dell INFN. È attualmente Presidente del Gravitational Wave International Committee. 22 < IL NUOVO SAGGIATORE