Sondare l’inflazione cosmica nell’universo primordiale
Nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang, l’universo si è espanso a una velocità impressionante; gli scienziati utilizzano una teoria nota come inflazione cosmica per spiegare questo rapido processo. L’inflazione è stata determinata da un cosiddetto campo di inflazione, che alla fine si è rilassato passando a uno stato energetico inferiore; l’energia al suo interno si è convertita in particelle, luce e materia, ovvero ciò che nel corso di miliardi di anni ha portato alla formazione di tutte le galassie, le stelle e i fenomeni cosmici da noi osservabili. I modelli inflazionistici nella fisica delle alte energie prevedono diversi campi di inflazione. Sébastien Renaux-Petel, ricercatore del Centro nazionale per la ricerca francese (CNRS) attivo presso l’Institut d’Astrophysique de Paris, ha studiato in precedenza la geometria di questi campi e il modo in cui ha influenzato la stabilità dell’inflazione cosmica. Renaux-Petel e i suoi colleghi hanno stabilito che era presente una destabilizzazione geometrica dell’inflazione, riguardante potenzialmente tutti i modelli. Nel progetto GEODESI, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, Renaux-Petel e il suo team hanno proseguito il loro lavoro sondando questi processi geometrici fondamentali in atto alla genesi del nostro universo conosciuto. «L’instabilità non pone fine all’inflazione», afferma Renaux-Petel, proseguendo: «Essa continua, ma in un modo insolito che chiamiamo fase deviata dell’inflazione.»
L’inflazione cosmica deviata
Il team ha studiato questa fase dell’inflazione durante la prima parte del progetto, trovando nuovi meccanismi per generare l’inflazione cosmologica. Parallelamente all’espansione dell’universo, si verificarono fluttuazioni di densità e di energia da cui derivarono increspature nello spazio e alterazioni nella forma della materia. I modelli semplici relativi all’inflazione cosmica suggeriscono che queste increspature siano caratterizzate da una distribuzione gaussiana, diffondendosi uniformemente. Per contro, il lavoro realizzato dal team ha dimostrato che l’inflazione deviata genera un sostanziale allontanamento dalle statistiche gaussiane, di tipologia inedita, e ha più in generale ampliato le nostre conoscenze in merito a queste non gaussianità primordiali. «Ispirandoci a ciò, abbiamo trovato un nuovo meccanismo per la generazione dei buchi neri primordiali», osserva Renaux-Petel.
Sondare l’era oscura dell’inflazione
In tal modo il team ha potuto identificare nuovi segnali di onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo che contengono informazioni sull’universo primordiale. I ricercatori si sono resi conto che stavano aprendo un nuovo campo all’interno della cosmologia e sono stati in grado di sondare «l’era oscura dell’inflazione», normalmente inaccessibile. Il lavoro di GEODESI ha attirato attenzione e la sua équipe è stata coinvolta nella missione LISA dell’Agenzia spaziale europea, il cui lancio è previsto per il 2035, che porterà per la prima volta nello spazio un rilevatore di onde gravitazionali. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato strumenti intesi a sondare l’età oscura dell’inflazione mediante simulazioni numeriche grazie ai quali hanno identificato un nuovo fenomeno noto come «effetto farfalla inflazionistico», spiegato in un articolo pubblicato sulla prestigiosa rivista «Physical Review Letters». «L’articolo segna una sorta di svolta nell’impiego delle simulazioni al fine di studiare l’inflazione», aggiunge il ricercatore.
Il flusso cosmologico
Un altro importante progresso compiuto dal progetto è stato lo sviluppo di un quadro computazionale in grado di determinare sistematicamente le proprietà statistiche delle increspature generate nelle teorie dell’universo primordiale. Questo codice, noto come CosmoFlow, ha permesso ai ricercatori di effettuare previsioni su teorie che erano fuori portata mediante l’impiego di altri mezzi. Il team ha ricevuto il riconoscimento Buchalter Cosmology Prize 2023 per il suo lavoro, che è stato inoltre pubblicato su «Physical Review Letters». Il codice CosmoFlow è aperto a ulteriori ricerche. «Stiamo promuovendo il suo utilizzo affinché diventi uno strumento ampiamente utilizzato dalla comunità cosmologica», conclude Renaux-Petel, a cui è stato assegnato un ulteriore premio: la medaglia di bronzo 2024 del CNRS per il lavoro svolto nell’ambito del progetto.
Parole chiave
GEODESI, cosmico, inflazione, universo, buchi neri, cosmologico, comunità