Alcuni fisici vedono i segni delle corde cosmiche del Big Bang
I cosmologi pensano che all'inizio dell'universo, tutte le forze della natura fossero, per una breve frazione di secondo, unificate. Ma mentre l'universo si espandeva e si raffreddava, questa super forza si condensava nelle sue parti familiari: gravità, elettromagnetismo e forze forti e deboli.
Secondo alcuni calcoli, il cosmo potrebbe essersi raffreddato così rapidamente che il tessuto dello spazio-tempo si è fratturato, creando una rete di tubi sottilissimi pieni di pura energia che si estende attraverso l'ampiezza dell'universo osservabile.
Questa è una possibile storia di origine delle stringhe cosmiche.
Predette negli anni '70 , le stringhe cosmiche sono state a lungo fuori dalla portata degli esperimenti. Ora, però, alcuni fisici pensano di aver intravisto la prima prova dell'esistenza di queste gigantesche strutture unidimensionali.
"La mia sensazione istintiva è che questi primi segni sembrano molto promettenti", ha detto Kai Schmitz , un fisico teorico al CERN, il laboratorio in Europa. Ma ha notato che c'è ancora molta strada da fare prima che qualcuno possa rivendicare una scoperta.
"Se scopriamo le stringhe cosmiche, sarà il risultato del secolo", ha detto Eugene Lim , che ricerca la cosmologia dell'universo primordiale al King's College di Londra. "Ma per citare Carl Sagan," affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie ", e in questo momento le prove sono un po 'scarse".
Pulsar vacilla
I nuovi dati che potrebbero suggerire la presenza di stringhe cosmiche provengono da NANOGrav , un gruppo di astronomi che tengono d'occhio dozzine di stelle morte rotanti chiamate pulsar.
Le pulsar emettono onde radio dai loro poli, in modo che dalla Terra vediamo lampi regolari ogni volta che i raggi passano lungo la nostra linea di vista, come i lampi di un faro. In effetti, i blip della pulsar sembrano così innaturalmente regolari che alla loro scoperta nel 1967 la prima pulsar fu chiamata LGM-1 per "piccoli uomini verdi".
Le pulsar sono i cronometristi cosmici più precisi. Quindi, quando i loro segnali sono distorti, i fisici sanno che sta succedendo qualcosa. In particolare, i ricercatori cercano le distorsioni causate dalle onde gravitazionali – increspature nello spazio-tempo che, quando passano attraverso le pulsar, cambiano il tempo di arrivo dei blip sulla Terra. Queste onde gravitazionali potrebbero provenire dal ticchettio di stringhe cosmiche, dalle collisioni di buchi neri supermassicci o da altri processi cosmici violenti.
L' ultima analisi di NANOGrav , pubblicata online il 9 settembre, riunisce più di 12 anni di osservazioni di dozzine di pulsar da radiotelescopi sparsi per il Nord America. Il documento è ancora in fase di revisione tra pari, ma i ricercatori hanno scoperto che qualcosa distorceva i segnali emessi da tutte le pulsar nello stesso modo e con le frequenze che ci si aspetta dalle onde gravitazionali. Resta possibile che questo modello provenga invece da una fonte di rumore sconosciuta e comune nelle pulsar, o negli orologi che misurano l'arrivo dei blip sulla Terra.
I teorici hanno già iniziato a speculare sulle spiegazioni cosmiche del segnale provvisorio di NANOGrav, anche se il segnale manca di una caratteristica di pistola fumante che proverebbe che si tratta di onde gravitazionali: un tipo di correlazione nei tempi delle pulsar che si verifica a causa del modo alternato in cui le onde gravitazionali si allungano e schiacciano lo spazio-tempo. Saranno necessari più dati di temporizzazione della pulsar prima che gli scienziati possano dire se il loro segnale ha questo segno distintivo cruciale.
"Non possiamo dire con certezza se si tratta di rumore o di un segnale di onde gravitazionali", ha affermato Alberto Sesana , ex presidente dell'International Pulsar Timing Array , un consorzio di progetti tra cui NANOGrav.
Fili cosmici
L'articolo di NANOGrav ha provocato una reazione particolarmente rapida tra i fisici che lavorano su stringhe cosmiche. "Questo è quello che si chiama inseguimento di ambulanze … tutti cercano di tirare fuori il primo giornale", ha detto Schmitz, che stava facendo un'escursione sulle montagne italiane quando ha sentito la notizia e che ha trascorso il weekend scambiando entusiasti messaggi WhatsApp con il collega Simone Blasi .
In pochi giorni, hanno pubblicato un documento scritto in collaborazione con Vedran Brdar sostenendo che i dati potrebbero essere interpretati come provenienti da stringhe cosmiche, se le stringhe fossero state create quando l'universo aveva una certa temperatura ultraelevata. Questa temperatura "suonerà sempre un campanello" tra i fisici, ha detto Schmitz, perché è il punto in cui si ritiene che le forze forti, deboli ed elettromagnetiche siano state unificate.
Dopo il Big Bang, la super forza unificata si sarebbe separata nelle forze della natura che vediamo oggi attraversando una serie di transizioni di fase, simili all'acqua liquida che si congela in ghiaccio. Questo processo casuale potrebbe aver creato stringhe cosmiche come crepe nello spazio-tempo, come le crepe che puoi vedere all'interno dei cubetti di ghiaccio.
L'universo avrebbe continuato ad espandersi, le stringhe cosmiche sarebbero cresciute insieme ad esso. Ma ogni tanto le corde si piegano su se stesse o si scontrano con altre corde, provocando il distacco dei loop in raffiche di energia. Questi anelli di corde continuerebbero a oscillare per miliardi di anni, perdendo gradualmente energia man mano che emettono onde gravitazionali. "È molto simile a quando si eccita la corda di un violino", ha detto Schmitz.
Collettivamente, i circuiti vibranti creerebbero il tipo di segnale di onde gravitazionali che NANOGrav potrebbe aver visto. (Questo segnale non dovrebbe essere visibile a LIGO, l'osservatorio di onde gravitazionali che rileva le collisioni di buchi neri e stelle di neutroni.) Se fosse vero, sarebbe la prima finestra che i fisici avrebbero aperto su quelle transizioni di fase primordiali.
Un'altra possibilità più speculativa è che le stringhe cosmiche possano provenire dalle minuscole stringhe vibranti della teoria delle stringhe . Alcuni modelli di teoria delle stringhe suggeriscono che le stringhe avrebbero potuto crescere fino a proporzioni colossali durante la rapida espansione iniziale del cosmo. Le differenze nella tensione di questi tipi di corde cosmiche e nel modo in cui i loop delle corde si staccano creerebbero una firma unica dell'onda gravitazionale che li distingue da altri tipi.
John Ellis , un fisico delle particelle al King's College, dubita che i nuovi dati siano una prova della teoria delle stringhe. "Se perdoni l'espressione, penso che sarebbe un grosso sforzo."
Mega-fusioni
In alternativa, il possibile segnale di onde gravitazionali di NANOGrav potrebbe provenire da buchi neri supermassicci, che, a differenza delle stringhe cosmiche, sono noti per esistere.
Quasi ogni grande galassia, inclusa la Via Lattea, ha un buco nero supermassiccio al centro che pesa milioni o miliardi di volte più del sole. Se due galassie si fondono, i loro buchi neri inizieranno a ruotare l'uno intorno all'altro, creando onde gravitazionali mentre si muovono a spirale.
Le fusioni di buchi neri supermassicci non sono mai state viste. “È imbarazzante che non abbiamo idea se si fondano. È una tale lacuna nella nostra conoscenza ", ha detto Jenny Greene , astronomo alla Princeton University. "Sono passati un miliardo di anni o ci vuole più vicino all'età dell'universo perché si uniscano?"
In un documento pubblicato online il 16 settembre, Ellis e un collaboratore hanno scoperto che la forma del segnale NANOGrav assomiglia più a ciò che ti aspetteresti da stringhe cosmiche che da buchi neri supermassicci. "I dati sembrano preferire l'interpretazione delle stringhe cosmiche, ma non di molto", ha detto Ellis.
Altri ricercatori hanno esplorato la possibilità che NANOGrav possa vedere buchi neri primordiali o radiazioni dalla materia oscura . Ma tutti stanno procedendo con cautela.
“Personalmente, la cosa giusta da fare è sedermi e aspettare ulteriori dati. Ma, sai, siamo tutti impazienti ", ha detto Lim.
Insieme a NANOGrav, l' European Pulsar Timing Array e il Parkes Pulsar Timing Array in Australia, a tempo debito, rilasceranno i propri dati. Il nuovo telescopio cinese FAST da 500 metri e l'array di telescopi MeerKAT del Sud Africa stanno anche unendo le forze nello sforzo internazionale per cercare le onde gravitazionali con le pulsar, ha detto Sesana. "Stiamo lavorando tutti insieme per raccogliere e analizzare i dati al fine di costruire la fiducia di ciò che c'è".
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/pulsar-data-may-point-to-cosmic-strings-from-the-big-bang-20200929/ in data Tue, 29 Sep 2020 14:30:58 +0000.