Abraham (Avi) Loeb, scienziato di Harvard: “Il test che scarterebbe l’inflazione cosmica” | Un nuovo inizio per l’Universo

Abbiamo incontrato Abraham (Avi) Loeb, “Frank B. Baird Jr. Professor of Science” presso l’Università di Harvard di Cambridge, Massachusetts (USA). Nel 2012 è stato nominato “Frank B. Baird Jr. Professor of Science“, cioè la cattedra più prestigiosa dell’Università di Harvard, assegnata allo scienziato migliore. Nel giugno 2020, Loeb ha prestato giuramento come membro del President’s Council of Advisors on Science and Technology (PCAST) alla Casa Bianca (come uno dei consiglieri del Presidente degli Stati Uniti d’America, in materia di Scienza e tecnologia). Nel dicembre 2012, la rivista Time ha selezionato Loeb come una delle 25 persone più influenti nel settore spaziale.

Abraham (Avi) Loeb e Sunny Vagnozzi hanno recentemente pubblicato un articolo su The Astrophysical Journal Letters (per leggerlo clicca QUI), nel quale spiegano come potrebbe essere scartata la teoria dell’inflazione cosmica, grazie all’esistenza di un segnale nel Cosmo, chiamato fondo cosmico di gravitoni (Cosmic Graviton Background, CGB). La sfida è trovare questo segnale, cioè il fondo cosmico di gravitoni. Qualora riuscissero a trovarlo, avremmo la prova che l’origine dell’Universo non è avvenuta come pensiamo oggi. Infatti, la teoria del Big Bang non consente l’esistenza del CGB; per questo un suo rilevamento escluderebbe il Big Bang e l’inflazione cosmica. L’inflazione cosmica è una teoria, la quale ipotizza che l’Universo, poco dopo il Big Bang, abbia attraversato una fase di espansione estremamente rapida (si pensa per l’energia oscura).

Qual è l’enigma più importante dell’Inflazione Cosmica? Perché molti scienziati non sono tutti d’accordo sull’Inflazione Cosmica?

La versione iniziale dell’inflazione, sviluppata nei primi anni ’80, spiegava la geometria piatta, la quasi uniformità, l’isotropia dell’Universo e l’origine della sua struttura, come risultato delle fluttuazioni quantistiche. Faceva previsioni verificabili e, al contempo, era falsificabile. Ma man mano che la teoria veniva esplorata ulteriormente, ci si rese conto che poteva accogliere tutti i possibili risultati. I cosmologi sono arrivati con varianti del modello, che affermavano un Universo non piatto. In secondo luogo, ci si è resi conto che se si parte da condizioni iniziali casuali di grandi disomogeneità, l’inflazione potrebbe non essere possibile. In terzo luogo, le fluttuazioni quantistiche possono portare a qualsiasi risultato. Ricordiamo le parole di uno dei pionieri dell’inflazione, Alan Guth: “Tutto ciò che può accadere accadrà un numero infinito di volte”. Data questa affermazione, la teoria non è falsificabile perché non abbiamo modo di calibrare la probabilità di esiti diversi, e quindi non c’è modo di escludere la teoria basata sulle proprietà osservate del nostro Universo.

La teoria delle stringhe ha aggiunto la nozione di un numero enorme di possibili stati di vuoto, suggerendo che i nostri parametri cosmologici sono stati selezionati in modo tale che saremmo esistiti, il cosiddetto Principio Antropico (quando osserviamo l’Universo dobbiamo tenere presente che alcune delle sue caratteristiche, possono dipendere dal fatto che noi esistiamo: se io osservo l’Universo, l’Universo deve permettermi di esistere). Per molti scienziati, questa non è una spiegazione soddisfacente perché non può essere smentita da un ipotetico insieme di dati.

Per escludere la teoria dell’Inflazione Cosmica bisogna trovare il fondo cosmico di gravitoni (Cosmic Graviton Background, CGB). Come riuscirete a trovare il CGB?

Un approccio impegnativo consiste nel misurare con precisione la quantità di radiazione nell’Universo, in base al tasso di espansione cosmica, misurato dalle fluttuazioni nel fondo cosmico a microonde (Cosmic Microwave Background, CMB), cioè la luce più antica dell’Universo. Il fondo cosmico di gravitoni (Cosmic Graviton Background, CGB) si aggiungerebbe un po’ al fondo cosmico a microonde (CMB) e ai neutrini, entrambi residui dell’Universo primordiale. Un approccio più promettente consiste nel convertire i gravitoni in fotoni in un forte campo magnetico. Di seguito sono riportati alcuni commenti generali sulla Radiazione Cosmica di Fondo nell’Universo (Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR). La CMBR è la radiazione elettromagnetica che permea tutto l’Universo osservabile, ed è considerata la prova del modello cosmologico del Big Bang.

Il fondo cosmico a microonde (CMB), cioè la radiazione elettromagnetica residua del Big Bang, rappresenta una percentuale del rumore statico, visibile come l’effetto “neve” che appariva nei vecchi televisori. La fotosfera che ha diffuso per ultima questa radiazione 400.000 anni dopo il Big Bang, aveva una temperatura di 3000 gradi Kelvin (2.726 gradi Celsius), metà della temperatura effettiva del Sole. La superficie sferica intorno a noi, che rappresenta l’ultima diffusione di questa radiazione, segna il confine del volume trasparente dell’Universo osservabile. Non possiamo vedere più lontano. Fortunatamente, le prime stelle si formarono circa 100 milioni di anni dopo. Il telescopio spaziale James Webb li cercherà attraverso le sue esposizioni più lunghe.

Qualsiasi segnale partito dal Big Bang e che ha viaggiato al limite della velocità della luce (300.000 km al secondo), ha viaggiato per 13,8 miliardi di anni (infatti, l’età dell’Universo è di 13,8 miliardi di anni). Perciò, il confine effettivo dell’Universo osservabile, si trova alla distanza che qualsiasi segnale avrebbe percorso al limite della velocità della luce, nei 13,8 miliardi di anni trascorsi dal Big Bang. In realtà, il raggio dell’Universo osservabile, cioè il vero confine dell’Universo osservabile, è molto più grande. I primi segnali partiti dal Big Bang hanno viaggiato per 13,8 miliardi di anni per arrivare fino ad oggi, ma nel frattempo l’Universo si è espanso, diventando più grande e allungando le distanze.

Come risultato dell’espansione dell’Universo, questo bordo (il confine dell’Universo osservabile) si trova attualmente a 46,5 miliardi di anni luce di distanza (questa cifra è il raggio dell’Universo osservabile partendo dalla Terra; quindi, il diametro è di circa 93 miliardi di anni luce, e un anno luce corrisponde a 9.460 miliardi di chilometri). Il volume sferico di questo confine è come uno scavo archeologico centrato su di noi: più ci addentriamo in profondità (nel nostro caso, più ci avviciniamo all’origine dell’Universo, cioè al Big Bang), più scopriamo il primo strato di storia cosmica, che rappresenta il nostro ultimo orizzonte (tutto ciò che si trova nel nostro orizzonte proviene dall’origine dell’Universo). Cosa c’è oltre l’orizzonte è sconosciuto. All’interno del sottile guscio sferico, tra il Big Bang e la fotosfera di fondo a microonde, l’Universo era opaco alla luce. Tuttavia, possiamo sondare questo strato. I neutrini hanno una debole sezione trasversale per le interazioni, quindi l’Universo era trasparente per loro fino a circa un secondo dopo il Big Bang, quando la temperatura era di 10 miliardi di gradi. L’Universo di oggi deve essere pieno di neutrini residui di quel tempo.

L’espansione dell’Universo ha raffreddato il fondo di neutrini alla temperatura attuale di 1,95 gradi sopra lo zero assoluto, paragonabile ai 2,73 gradi del fondo cosmico a microonde.

Possiamo sondare ancora più a fondo il nostro “scavo archeologico cosmico“? In linea di principio sì. La radiazione gravitazionale ha un’interazione più debole dei neutrini. Tanto che l’Universo era trasparente ai gravitoni, fin dal primo istante tracciato dalla Fisica conosciuta, il Tempo di Planck: 10 alla potenza di -43 secondi, quando la temperatura era la più alta concepibile: 10 alla potenza di 32 gradi. Una corretta comprensione dell’Era di Planck richiede una teoria predittiva della gravità quantistica, che non possediamo.

L’inflazione è stata teorizzata per spiegare varie sfide di messa a punto del modello del Big Bang. Spiega anche l’origine della struttura nel nostro Universo, come risultato delle fluttuazioni quantistiche. Tuttavia, l’ampia flessibilità mostrata da numerosi possibili modelli inflazionistici, fa temere che il paradigma inflazionario nel suo insieme non sia falsificabile, anche se si possono escludere modelli individuali di esso. È possibile, in linea di principio, testare l’intero paradigma inflazionario in modo indipendente dal modello?

Nel nostro nuovo articolo, realizzato con Sunny Vagnozzi (per leggerlo clicca QUI), abbiamo dimostrato che i futuri rilevatori potrebbero potenzialmente scoprire lo sfondo di onde gravitazionali, se esistono. Questo fondo di gravitoni cosmici si aggiunge al budget della radiazione cosmica, che include fondi di microonde e neutrini. Influisce quindi sul tasso di espansione cosmica dell’Universo primordiale, a un livello che potrebbe essere rilevabile dalla prossima generazione di sonde cosmologiche.

Una scoperta del fondo del gravitone termico (thermal graviton background) ha il potenziale per escludere il paradigma inflazionario, e riportarci al tavolo da disegno per ripensare all’origine dell’Universo. Dato che l’interno dei Buchi Neri è nascosto alla vista ed è rischioso avventurarsi, l’Universo primordiale potrebbe rappresentare la nostra migliore opportunità, per testare le teorie predittive della gravità quantistica.

Non c’è motivo di presumere che le nostre radici cosmiche abbiano avuto inizio al Tempo di Planck. Albert Einstein era incline a pensare che la nostra linea temporale passata non dovesse avere inizio. Ma con suo sgomento, in seguito si rese conto che le equazioni della Teoria della Relatività Generale, non ammettono una soluzione statica stabile e, inoltre, l’Universo reale sembra essere in espansione. La sua preferenza filosofica per l’assenza di un inizio, potrebbe essere convalidata dalla teoria ultima per combinare la relatività generale con la meccanica quantistica, che potrebbe spiegare ciò che ha preceduto il Big Bang.

Una teoria predittiva della gravità quantistica potrebbe liberarci dalla singolarità del Big Bang. Ma proprio come con lo sviluppo della meccanica quantistica, potremmo aver bisogno di una guida dai dati sperimentali, altrimenti avremo troppi possibili scenari teorici.

Spero che il nuovo documento che ho scritto con Sunny porti a dei progressi, eliminando le possibilità teoriche. La conoscenza scientifica incapsula ciò che esiste realmente nel cosmo, tra le molte possibilità che avrebbero potuto esistere. A volte, le possibilità più belle vengono escluse, anche se sono state concepite dai più brillanti scienziati del pianeta Terra, come Albert Einstein. Come noto dai social media o dalla politica, bellezza e verità non sono necessariamente la stessa cosa.

Se riusciste a trovare il CGB, cambierebbe l’origine dell’Universo? E se l’Universo non è nato da un Big Bang, come spiegate l’energia oscura che ha accelerato l’espansione dell’Universo?

L’energia oscura rappresenta lo stato fondamentale del vuoto nell’Universo attuale. Potremmo essere in grado di spiegarlo una volta che avremo una teoria predittiva della gravità quantistica.

Nella la tua prestigiosa carriera, sei stato anche membro del President’s Council of Advisors on Science and Technology (PCAST) alla Casa Bianca (un consigliere del Presidente degli Stati Uniti d’America, in materia di scienza e tecnologia), sei il direttore fondatore della Black Hole Initiative di Harvard University, e la rivista Time ti ha inserito tra le 25 persone più influenti al mondo, nel settore spaziale. Qual è l’emozione più grande che ricordi nella tua carriera?

La sorpresa più grande è stata che i primi tre oggetti interstellari, scoperti nell’ultimo decennio (due dei quali erano meteore di dimensioni metriche, che ho scoperto con il mio studente), sembrano essere anomali. Le loro proprietà sono diverse, rispetto ai nostri asteroidi o comete presenti nel Sistema Solare. Proprio come nel caso della materia oscura e dell’energia oscura, l’Universo ci sta dicendo che ciò che esiste al di fuori del Sistema Solare è diverso da ciò che troviamo nel nostro cortile.

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Il tuo lavoro si concentra anche sulla vita extraterrestre. Quali sono le anomalie più importanti del famoso oggetto interstellare Oumuamua? E cosa ne pensi della possibile vita extraterrestre?

Ora sappiamo che una frazione significativa di tutte le stelle simili al Sole, ha un pianeta delle dimensioni della Terra, situato all’incirca alla stessa distanza Terra-Sole. Inoltre, la maggior parte delle stelle simili al Sole si sono formate 10 miliardi di anni fa, mentre il Sole si è formato solo 4,6 miliardi di anni fa. Ciò implica che i dadi dell’intelligenza sono stati lanciati miliardi di volte nella sola galassia della Via Lattea (la nostra galassia). È molto probabile che Albert Einstein, non sia stato lo scienziato più intelligente che sia mai vissuto negli ultimi 13,8 miliardi di anni dal Big Bang. Allo stesso modo, Elon Musk potrebbe non essere il più grande costruttore di razzi nella storia della Via Lattea (noi non sappiamo se ci siano altre civiltà tecnologiche nell’Universo, o se ci siano state in passato; perciò, non possiamo affermare con certezza che Albert Einstein ed Elon Musk siano i più grandi geni dell’Universo).

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Poiché un razzo chimico, simili a quelli che lanciamo, impiegherebbe meno di un miliardo di anni per attraversare la Via Lattea (la nostra galassia), dovremmo essere in grado di trovare, attraverso i nostri telescopi, sonde interstellari di civiltà avanzate che ci hanno preceduto. Questo è l’obiettivo del Progetto Galileo che sto conducendo all’Università di Harvard. Stiamo iniziando a ricevere dati dalla nostra nuova suite di telescopi, che monitorano il cielo.

Abbiamo anche in programma di recuperare, entro l’estate del 2023, i frammenti della prima meteora interstellare, precipitata vicino alla Papua Nuova Guinea. Sappiamo che questa meteora era più dura del ferro dalla bassa elevazione in cui si è disintegrata. Vorremmo scoprire se fosse fatta di una lega artificiale come l’acciaio inossidabile. Ho promesso alla curatrice del Museum of Modern Art di New York City, Paula Antonelli, che se troveremo un frammento tecnologico di un’altra civiltà extraterrestre, lo porterò in mostra. Per noi rappresenterebbe la modernità, anche se per i mittenti potrebbe rappresentare la storia antica.

• Cover image credit: Foto al centro: Washington Post. Credit: Adam Glanzman (Posted: March 27, 2019); foto a sinistra: TAKE 27 LTD/SPL; foto a destra: Goddard Space FLight Center/Flickr CC BY 2.0