Un nuovo paradigma per la comprensione dei primordi della storia dell'Universo è stato sviluppato dagli scienziati della Penn State University.
Utilizzando dei concetti propri della moderna cosmologia quantistica "a loop", hanno esteso la loro ricerca alle grandi strutture che oggi osserviamo che si sono evolute da fluttuazioni fondamentali nella natura essenziale di "spazio-tempo", che esistevano già oltre 14 miliardi di anni fa. La realizzazione prevede anche nuove opportunità per testare le teorie concorrenti della cosmologia che i telescopi di nuova generazione potranno confermare o smentire.
"Noi esseri umani abbiamo sempre desiderato capire di più circa l'origine e l'evoluzione del nostro Universo", ha dichiarato Abhay Ashtekar, autore principale della carta. "É un momento emozionante per il nostro team in questo momento, da quando abbiamo iniziato a utilizzare il nostro nuovo paradigma per capire, più in dettaglio, le dinamiche che la materia e la geometria hanno sperimentato durante le primissime epoche dell'Universo". Ashtekar è titolare della cattedra in Fisica presso la Penn State e direttore dell'Istituto dell'Università per la Gravitazione e il Cosmo. I coautori della carta, insieme a Ashtekar, sono stati i borsisti post-dottorati Agullo Ivan e William Nelson.
Il nuovo paradigma fornisce un quadro concettuale e la matematica per descrivere l'esotica "meccanica quantistica e geometrica dello spazio-tempo" nell'Universo neonato.
Nei primi momenti di vita, con densità inimmaginabili, l'Universo non era governato dalla fisica classica della teoria generale della relatività di Einstein, ma da una teoria ancora più fondamentale che incorpora anche le strane dinamiche della meccanica quantistica.
La densità di materia era enorme, presumibilmente circa 1094 grammi per centimetro cubo, rispetto alla densità di un nucleo atomico oggi, che è solo 10alla14 grammi.
In questo bizzarro ambiente quanto-meccanico, in cui si può parlare solo di probabilità degli eventi, piuttosto che di certezze, le proprietà fisiche erano molto diverse da quelle in cui viviamo oggi. Tra queste differenze, ha detto Ashtekar, il concetto di "tempo", così come le mutevoli dinamiche dei vari sistemi nel tempo, sperimentano il tessuto della geometria quantistica stessa.
Nessun osservatorio spaziale è stato in grado di rilevare tracce di questa epoca remota descritta dal nuovo paradigma. Ma un paio di osservatori si sono avvicinati. La radiazione cosmica di fondo è stata rilevata in un'epoca in cui l'Universo aveva solo 380 mila anni. A quel punto, dopo un periodo di rapida espansione detta "inflazione", l'Universo mutó in una versione diluita della sua precedente super-compressa.
All'inizio dell'inflazione, la densità dell'Universo era un trilione di volte inferiore a quella durante la sua infanzia e i fattori quantistici ora sono molto meno importanti nel governare le grandi dinamiche della materia e della geometria.
Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo mostrano che l'Universo aveva una consistenza uniforme prevalentemente dopo il gonfiaggio, ad eccezione di una spruzzata luce di alcune regioni che erano più dense e altre che erano meno dense.
Il paradigma standard dell'inflazione per descrivere l'Universo primordiale, che utilizza le classiche equazioni standard di Einstein, trattano lo spazio-tempo come un continuum liscio.
"Il paradigma inflazionario gode di un notevole successo per spiegare le caratteristiche osservate della radiazione cosmica di fondo. Tuttavia questo modello è incompleto. Mantiene l'idea che l'Universo esplose dal nulla in un Big Bang, che deriva naturalmente dalla incapacità generale della fisica standard di descrivere bene le situazioni estreme della meccanica quantistica", ha detto Agullo. "Abbiamo bisogno di una teoria quantistica della gravità, come la cosmologia quantistica a loop, per andare al di là di Einstein, al fine di catturare la vera fisica vicino all'origine dell'Universo".
All'inizio del lavoro con la fisica quantistica a loop, Ashtekar e colleghi avevano aggiornato il concetto di Big Bang con il concetto intrigante di un Big Bounce, che prevede la possibilità che il nostro Universo non fosse emerso dal nulla, ma da un super-compressa massa di materia che in precedenza aveva aveva una storia a sé stante.
Anche se le condizioni della meccanica quantistica all'inizio dell'Universo fossero molto diverse condizioni dalla fisica classica dopo l'inflazione, la nuova realizzazione dai fisici della Penn State rivela una sorprendente connessione tra i due diversi paradigmi che descrivono queste epoche.
Quando gli scienziati hanno usato il paradigma dell'inflazione con le equazioni di Einstein per modellare l'evoluzione dei semi (le zone sparse in tutta la radiazione cosmica di fondo) hanno scoperto che le irregolarità fungevano da semi che si evolvevano nel corso del tempo negli ammassi di galassie e di altri grandi strutture che vediamo nell'Universo di oggi. Sorprendentemente, quando gli scienziati della Penn State hanno usato il loro nuovo paradigma con le sue equazioni della cosmologia quantistica, hanno scoperto che le fluttuazioni fondamentali nella natura stessa dello spazio al momento del Big Bounce si sono evolute per diventare come le strutture a semi viste nella radiazione cosmica di fondo.
"Il nostro nuovo lavoro mostra che le condizioni iniziali dell'Universo portano alla struttura a larga scala che osserviamo oggi", ha detto Ashtekar. "In termini umani, è come scattare una fotografia di un bambino alla nascita in cui poi siamo in grado di proiettarne un profilo preciso di come sarebbe all'età di 100".
"Questa carta spinge indietro la genesi della struttura cosmica del nostro Universo dall'epoca inflazionistica fino al Big Bounce, che copre circa 11 ordini di grandezza nella densità della materia e della curvatura dello spazio-tempo", ha detto Nelson. "Ora abbiamo ristretto le condizioni iniziali che possono esistere al tempo del Big Bounce, scoprendo che l'evoluzione di tali condizioni iniziali è d'accordo con le osservazioni della radiazione cosmica di fondo".
I risultati del team hanno anche individuato una gamma più ristretta di parametri per i quali il nuovo modello predice nuovi effetti, distinguendolo dall'inflazione standard. Ha detto Ashtekar, "É emozionante che ben presto saremo in grado di verificare le previsioni di queste due diverse teorie contro le future scoperte con le missioni di osservazione di prossima generazione. Tali esperimenti ci aiuteranno molto presto ad avere una comprensione più profonda dell'Universo".
La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e sarà pubblicata l'11 dicembre del 2012 sul Physical Review Letters.
Foto In Alto
L'immagine mostra la potenza dello spettro della "Cosmic microwave background (CMB)" predetto nella "Loop Quantum Cosmology" e nello Scenario Inflazionario Standard.
I due differenti spettri sono contrastati per mostrare il loro andamento in funzione dell'inverso della durata delle onde nelle fluttuazioni delle microonde nello sfondo cosmico. Per molti dei parametri osservabili le onde k sono più grandi di 9 e le due previsioni sono indistinguibili.
(Credit: Image courtesy of Penn State)
Traduzione a cura di Arthur McPaul
Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/11/121129143452.htm
Utilizzando dei concetti propri della moderna cosmologia quantistica "a loop", hanno esteso la loro ricerca alle grandi strutture che oggi osserviamo che si sono evolute da fluttuazioni fondamentali nella natura essenziale di "spazio-tempo", che esistevano già oltre 14 miliardi di anni fa. La realizzazione prevede anche nuove opportunità per testare le teorie concorrenti della cosmologia che i telescopi di nuova generazione potranno confermare o smentire.
"Noi esseri umani abbiamo sempre desiderato capire di più circa l'origine e l'evoluzione del nostro Universo", ha dichiarato Abhay Ashtekar, autore principale della carta. "É un momento emozionante per il nostro team in questo momento, da quando abbiamo iniziato a utilizzare il nostro nuovo paradigma per capire, più in dettaglio, le dinamiche che la materia e la geometria hanno sperimentato durante le primissime epoche dell'Universo". Ashtekar è titolare della cattedra in Fisica presso la Penn State e direttore dell'Istituto dell'Università per la Gravitazione e il Cosmo. I coautori della carta, insieme a Ashtekar, sono stati i borsisti post-dottorati Agullo Ivan e William Nelson.
Il nuovo paradigma fornisce un quadro concettuale e la matematica per descrivere l'esotica "meccanica quantistica e geometrica dello spazio-tempo" nell'Universo neonato.
Nei primi momenti di vita, con densità inimmaginabili, l'Universo non era governato dalla fisica classica della teoria generale della relatività di Einstein, ma da una teoria ancora più fondamentale che incorpora anche le strane dinamiche della meccanica quantistica.
La densità di materia era enorme, presumibilmente circa 1094 grammi per centimetro cubo, rispetto alla densità di un nucleo atomico oggi, che è solo 10alla14 grammi.
In questo bizzarro ambiente quanto-meccanico, in cui si può parlare solo di probabilità degli eventi, piuttosto che di certezze, le proprietà fisiche erano molto diverse da quelle in cui viviamo oggi. Tra queste differenze, ha detto Ashtekar, il concetto di "tempo", così come le mutevoli dinamiche dei vari sistemi nel tempo, sperimentano il tessuto della geometria quantistica stessa.
Nessun osservatorio spaziale è stato in grado di rilevare tracce di questa epoca remota descritta dal nuovo paradigma. Ma un paio di osservatori si sono avvicinati. La radiazione cosmica di fondo è stata rilevata in un'epoca in cui l'Universo aveva solo 380 mila anni. A quel punto, dopo un periodo di rapida espansione detta "inflazione", l'Universo mutó in una versione diluita della sua precedente super-compressa.
All'inizio dell'inflazione, la densità dell'Universo era un trilione di volte inferiore a quella durante la sua infanzia e i fattori quantistici ora sono molto meno importanti nel governare le grandi dinamiche della materia e della geometria.
Le osservazioni della radiazione cosmica di fondo mostrano che l'Universo aveva una consistenza uniforme prevalentemente dopo il gonfiaggio, ad eccezione di una spruzzata luce di alcune regioni che erano più dense e altre che erano meno dense.
Il paradigma standard dell'inflazione per descrivere l'Universo primordiale, che utilizza le classiche equazioni standard di Einstein, trattano lo spazio-tempo come un continuum liscio.
"Il paradigma inflazionario gode di un notevole successo per spiegare le caratteristiche osservate della radiazione cosmica di fondo. Tuttavia questo modello è incompleto. Mantiene l'idea che l'Universo esplose dal nulla in un Big Bang, che deriva naturalmente dalla incapacità generale della fisica standard di descrivere bene le situazioni estreme della meccanica quantistica", ha detto Agullo. "Abbiamo bisogno di una teoria quantistica della gravità, come la cosmologia quantistica a loop, per andare al di là di Einstein, al fine di catturare la vera fisica vicino all'origine dell'Universo".
All'inizio del lavoro con la fisica quantistica a loop, Ashtekar e colleghi avevano aggiornato il concetto di Big Bang con il concetto intrigante di un Big Bounce, che prevede la possibilità che il nostro Universo non fosse emerso dal nulla, ma da un super-compressa massa di materia che in precedenza aveva aveva una storia a sé stante.
Anche se le condizioni della meccanica quantistica all'inizio dell'Universo fossero molto diverse condizioni dalla fisica classica dopo l'inflazione, la nuova realizzazione dai fisici della Penn State rivela una sorprendente connessione tra i due diversi paradigmi che descrivono queste epoche.
Quando gli scienziati hanno usato il paradigma dell'inflazione con le equazioni di Einstein per modellare l'evoluzione dei semi (le zone sparse in tutta la radiazione cosmica di fondo) hanno scoperto che le irregolarità fungevano da semi che si evolvevano nel corso del tempo negli ammassi di galassie e di altri grandi strutture che vediamo nell'Universo di oggi. Sorprendentemente, quando gli scienziati della Penn State hanno usato il loro nuovo paradigma con le sue equazioni della cosmologia quantistica, hanno scoperto che le fluttuazioni fondamentali nella natura stessa dello spazio al momento del Big Bounce si sono evolute per diventare come le strutture a semi viste nella radiazione cosmica di fondo.
"Il nostro nuovo lavoro mostra che le condizioni iniziali dell'Universo portano alla struttura a larga scala che osserviamo oggi", ha detto Ashtekar. "In termini umani, è come scattare una fotografia di un bambino alla nascita in cui poi siamo in grado di proiettarne un profilo preciso di come sarebbe all'età di 100".
"Questa carta spinge indietro la genesi della struttura cosmica del nostro Universo dall'epoca inflazionistica fino al Big Bounce, che copre circa 11 ordini di grandezza nella densità della materia e della curvatura dello spazio-tempo", ha detto Nelson. "Ora abbiamo ristretto le condizioni iniziali che possono esistere al tempo del Big Bounce, scoprendo che l'evoluzione di tali condizioni iniziali è d'accordo con le osservazioni della radiazione cosmica di fondo".
I risultati del team hanno anche individuato una gamma più ristretta di parametri per i quali il nuovo modello predice nuovi effetti, distinguendolo dall'inflazione standard. Ha detto Ashtekar, "É emozionante che ben presto saremo in grado di verificare le previsioni di queste due diverse teorie contro le future scoperte con le missioni di osservazione di prossima generazione. Tali esperimenti ci aiuteranno molto presto ad avere una comprensione più profonda dell'Universo".
La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e sarà pubblicata l'11 dicembre del 2012 sul Physical Review Letters.
Foto In Alto
L'immagine mostra la potenza dello spettro della "Cosmic microwave background (CMB)" predetto nella "Loop Quantum Cosmology" e nello Scenario Inflazionario Standard.
I due differenti spettri sono contrastati per mostrare il loro andamento in funzione dell'inverso della durata delle onde nelle fluttuazioni delle microonde nello sfondo cosmico. Per molti dei parametri osservabili le onde k sono più grandi di 9 e le due previsioni sono indistinguibili.
(Credit: Image courtesy of Penn State)
Traduzione a cura di Arthur McPaul
Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/11/121129143452.htm
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