Alcuni fisici hanno simulato la fase dopo l'Inflazione: il reheating

Secondo la teoria del Big Bang, l'Universo è nato il 13,8 miliardi di anni fa, a partire da un punto con densità e temperatura infinita. I fisici credono che immediatamente dopo il Big Bang ci sia stata una fase di espansione accelerata chiamata inflazione. Al termine di questo processo l'Universo era molto freddo e non adatto all'evoluzione.

L'inflazione, proposta da Alan Guth nel 1980, non è una teoria confermata ma è in grado di risolvere, con un unico meccanismo, molti problemi del modello cosmologico standard. Durante questo periodo, l'Universo è estremamente piccolo e riempito di una particella molto energetica detto inflatone. La fase inflativa crea un Universo freddo e statico, in cui non si possono formare le strutture che osserviamo attualmente come le Stelle e le Galassie, e contribuisce a decidere quale sarà la fine del cosmo.

Gli scienziati hanno ipotizzato un successiva fase di reheating: l'inflatone è una particella molto pesante e, a temperature estremamente basse, forma uno stato della materia detto "condensato di Bose-Einstein". Il condensato è in grado di decadere e formare particelle più leggere; per la conservazione dell'energia, queste sono molto veloci e quindi molto calde.

Alcune osservazioni recenti hanno supportato sia la teoria del Big Bang che la teoria dell'inflazione, ma i due processi sono radicalmente differenti e gli scienziati stanno cercando di capire in che modo uno segue l'altro.

Un team di ricercatori del MIT hanno simulato in dettaglio la fase del reheating. "Il reheating dopo l'inflazione fornisce le condizioni per il Big Bang, in qualche modo mette il Bang nel Big Bang," dice David Kaiser, professore di storia della scienza e fisica presso il MIT.

Kaiser e i suoi colleghi hanno simulato in dettaglio come diverse forme di materia interagiscono durante questo periodo caotico. Le loro simulazioni hanno mostrato come l'estrema quantità di energia che ha guidato l'inflazione è stata ridistribuita velocemente, in una piccola frazione di secondo, in modo da ricreare le condizioni del Big Bang.

Il team ha mostrato come questa trasformazioni possa avvenire ancora più velocemente se gli effetti quantistici modificano il modo in cui la materia interagisce con la forza di gravità ad alte energie.

"Questo ci permette di raccontare una storia ininterrotta, dall'inflazione fino ad oggi," dice Kaiser. "Possiamo tracciare una serie di processi continui, tutti con una fisica conosciuta, e dire che questa è una strada plausibile con cui l'Universo è arrivato ad avere l'aspetto che osserviamo oggi".

Kaiser e i suoi colleghi hanno cercato di capire come sia avvenuta la fase di reheating, in particolare la fase iniziale. "La fase iniziale è dominata dalle risonanze. Una forma di materia ad alta energia domina sulle altre, il suo oscillare aventi indietro in sincrono con se stessa attraverso lo spazio in espansione porta alla creazione di nuove particelle," dice Kaiser. "Questo comportamento non dura per sempre e inizia a trasferire energia a una seconda forma di materia. Vogliamo misurare quanto tempo ci mette la risonanza per interrompersi e, per le particelle prodotte, di creare l'equilibrio termico".

Nelle simulazioni hanno rappresentato l'Universo come un grande reticolo in cui hanno inserito diverse specie di materia e hanno tracciato come la loro energia cambia nello spazio e nel tempo, in funzione di alcuni parametri decisi dagli scienziati. Le condizioni iniziali sono basati su un particolare modello di inflazione, quello che ha un accordo migliore con i dati del fondo cosmico a microonde.

Le simulazioni si sono concentrate su due specie di particelle, molto simili al Bosone di Higgs, che si pensa che fossero dominanti; allo stesso tempo hanno utilizzato una teoria delle gravità diversa dalla semplice Relatività Generale. Nella loro teoria hanno inserito un accoppiamento tra l'energia della particella e l'intensità della forza gravitazionale.

Hanno trovato che più è grande l'effetto della gravità modificata e più è rapida la transizione da un Universo freddo alla materia calda che caratterizza il Big Bang.

"Abbiamo mostrato che la materia era fortemente interagente e poteva rilassare velocemente, impostando le condizioni del Big Bang. Non sappiamo se questo è quello che è avvenuto, ma è quello che emerge dalle simulazioni, tutte con fisica conosciuta. Questo è molto eccitante per noi."