martedì 18 marzo 2014

Onde gravitazionali a modo(-B)

La data di oggi potrebbe essere, d'ora in avanti, ricordata per parecchio nel mondo della cosmologia. Ma non creiamo confusione e, come al solito, andiamo con ordine.

Iniziamo con il dire cosa si pensa di aver trovato: una possibile evidenza dell'esistenza di onde gravitazionali primordiali nei dati sulla polarizzazione del fondo cosmico a microonde (d'ora in poi CMB, Cosmic Microwave Background). Questa potrebbe essere un prova del fatto che l'universo abbia attraversato un'epoca di rapida espansione chiamata inflazione subito dopo il Big Bang.

Ora vediamo le cose un po' più in dettaglio.
Dunque, dobbiamo andare sino al Polo Sud. Da quelle parti, in particolare al Polo Sud, siamo sui circa 3 km rispetto al livello del mare. Ma perché bisogna andare fin laggiù? Perché in quelle condizioni si possono fare osservazioni nell'intervallo di frequenze del microonde; infatti il principale nemico di questo tipo di osservazioni è il vapore acqueo. Al Polo Sud, a quella altezza, l'atmosfera è sottilissima e quindi è perfetta. Ma, ancora, c'era proprio bisogno di andare fino al Polo Sud? Eh sì, c'era bisogno perché da quelle parti un giorno dura 6 mesi e quindi, senza continue albe e tramonti, l'atmosfera risulta essere più stabile. Bene, questo è stato chiarito.

Ora vediamo quale strumento è stato utilizzato per fare la scoperta: eccolo qui, si chiama BICEP2 e i risultati che andremo a descrivere in questo post sono frutto degli studi di scienziati del Center for Astrophysics di Harvard (USA).

Fonte: http://bicepkeck.org
Si tratta di un telescopio di 26 cm di diametro ottimizzato per osservazioni nel regime delle microonde. Quindi, giusto per dire che, ebbene sì, della gente ha costruito uno strumento per cercare quello che hanno trovato.

Andiamo avanti. Qui trovate un paio di parole sull'inflazione (periodo di espansione accelerata dell'universo) mentre qui trovate qualcosa sul CMB (enorme quantità di fotoni che vagano nell'universo) come li abbiamo già trattati su questo blog. Restano da spiegare due concetti: modi di polarizzazione e onde gravitazionali primordiali.

In quattro (più o meno) parole povere: il campo elettromagnetico è dato da un'onda elettromagnetica. Le onde oscillano. E un fotone è un'onda elettromagnetica. La polarizzazione ci dice in che direzione oscillano i fotoni. Questo in parole povere proprio. Il punto è che ci sono dei modi di polarizzazione che ci aspettiamo di vedere in quanto dovuti a fenomeni fisici legati al comportamento dei fotoni quando si è formato il CMB (questi si chiamano modi-E). Altri (modi-B) sono principalmente riconducibili ad altre cause.
Per esempio, potrebbe accadere che i fotoni del CMB, durante il loro tragitto verso di noi vengano deflessi a causa della presenza delle strutture cosmiche (galassie, ammassi di galassie) dell'universo. Questo effetto, chiamato lensing gravitazionale, produce modi-B di polarizzazione.

Inoltre, ci sono le onde gravitazionali che potrebbero aver generato modi-B nella polarizzazione del CMB. E siamo, finalmente, arrivati al sodo.

[Prima di andare avanti una precisazione: come distinguiamo B-modi da lensing e da onde gravitazionali primordiali. I primi agiscono su piccole scale prevalentemente mentre i secondi su grande scala.]

Le onde gravitazionali, in generale, sono un fenomeno descritto dalla teoria della Relatività Generale di Albert Einstein.
Esattamente come le particelle cariche elettricamente generano onde elettromagnetiche, oggetti dotati di massa producono onde gravitazionali. Quest'ultime però sono diverse dalle cugine elettromagnetiche che si propagano nel vuoto. Infatti le onde gravitazionali sono perturbazioni dello spazio-tempo che trasportano energia. Anche per il campo gravitazionale c'è una particella, il gravitone, che dovrebbe svolgere un compito analogo a quello del fotone.

Ma che c'entrano con l'inflazione? Questa è una domanda tosta ma ci provo. Un possibile collegamento tra le due cose è il seguente: il CMB si forma quando i fotoni sono disaccoppiati dai barioni, cioè non interagiscono più con gli elettroni. Allo stesso modo, nei primissimi istanti dell'universo, durante l'inflazione appunto, i gravitoni si sono disaccoppiati da tutto il resto e hanno iniziato a vagare liberi nell'universo. Cioè, le onde gravitazionali primordiali iniziano il loro viaggio. Come abbiamo già detto, queste onde in qualche modo si fanno sentire sulla polarizzazione dei fotoni del CMB. Producendo però dei modi completamente diversi da quelli usuali, i modi-B, appunto.

In questa foto sono mostrati i modi-B misurati da BICEP2. Fonte: http://bicepkeck.org
Dunque, leggendo tutto all'indietro, misurare dei modi-B nel CMB su grandi scale vuol dire avere un'evidenza dell'esistenza delle onde gravitazionali primordiali. Ma quest'ultime si sono formate durante l'inflazione!

Ecco, per questo motivo il risultato di BICEP2, se confermato, potrebbe essere una prova del fatto che l'inflazione sia avvenuta.

Per finire, il grafico.
La quantità che si è stimata è chiamata "r" ed è il rapporto tra l'ampiezza delle fluttuazioni delle onde gravitazionali rispetto a quelle della temperatura (quelle che si misurano dal CMB) della radiazione di fondo. BICEP2 ha stimato questo rapporto uguale a 0.2, ovvero l'ampiezza delle fluttuazioni delle onde gravitazionali è numericamente il 20% del valore dell'ampiezza delle fluttuazioni in temperatura.  In particolare con questi dati, viene escluso abbastanza categoricamente che questo rapporto di ampiezze possa essere zero (cioè niente onde gravitazionali primordiali). Finora, con esperimenti precedenti, si erano trovati solo limiti superiori a tale valore. Con le misure di BICEP2 oggi si ha finalmente una stima più precisa.

Fonte: http://bicepkeck.org
Nella figura di sopra potete osservare la pletora di stime precedenti (i quali sono solo dei limiti superiori) e in basso la stima attuale data da BICEP2. I punti neri seguono abbastanza bene la curva rossa che descrive i modi-B, la quale, come detto in precedenza, è una combinazione degli effetti generati dal lensing più quelli delle onde gravitazionali primordiali.

Cioè, ma capite cosa potrebbe voler dire tutto questo? L'inflazione è avvenuta una mini-frazione di secondo dopo il Big Bang e noi ora abbiamo un segnale che proviene esattamente da quella fase "inizialissima" dell'universo. Non eravamo mai arrivati così lontano, indietro nel tempo. Questa è la notizia vera: se i risultati fossero confermati potremmo avere tra le mani una prova dell'inflazione.
Un qualcosa di spettacolare, direi!

Comunque, come avrete capito da tutte le proposizioni ipotetiche di questo post, questa non è la fine della storia: infatti bisognerà capire per bene se non ci sono errori nelle misure, ovvero se i modi-B misurati non sono altro che l'effetto di altre cause (per esempio emissioni della nostra galassia); inoltre, il satellite Planck dell'ESA esattamente un anno fa aveva trovato un limite superiore per il valore di "r" che sembra essere in conflitto con quello trovato da BICEP2.

Insomma, come sempre, c'è tanto da lavorare. Questo risultato apre ad un campo di ricerca tutto nuovo. Apre allo studio del "fondo di onde gravitazionali primordiali". Chissà quando altro c'è da scoprire ancora. Noi non vediamo l'ora.

P.S. Questo è il 100esimo post di Quantizzando. Un modo(-B) alquanto perfetto per festeggiare, direi.