BICEP3 riduce i confini all’inflazione cosmica.

Nuove analisi delle osservazioni sulla radiazione cosmica di fondo (CMBR) del telescopio BICEP3 al Polo Sud hanno rimesso in discussione diversi modelli popolari dell’inflazione.

Dusting for the fingerprint of inflation with BICEP3 | symmetry magazine
Il telescopio BICEP3 al Polo Sud. (BICEP/Keck Collaboration)

I fisici sono da tempo a caccia dei segni delle onde gravitazionali primordiali, setacciando la radiazione cosmica di fondo. Ma ad oggi gli sforzi non hanno prodotto dei risultati.

Ma lungi dall’essere un disastro, tale ricerca può oggi avvalersi ed arrichirsi grazie agli ultimi risultati dell’esperimento BICEP3 che hanno delineato e rafforzato i limiti dei modelli d’inflazione cosmica. Ma cos’è l’inflazione cosmica? E’ un processo che in teoria spiega diverse caratteristiche sconcertanti del nostro Universo e come risultato avrebbe dovuto produrre onde gravitazionali subito dopo i primissimi istanti di vita. Adesso con questi nuovi dati raccolti e le successive analisi possiamo dire che i modelli di inflazione un tempo promettenti sono ora esclusi dai giochi.

L’esplosione primordiale.

L’inflazione cosmica è l’idea che nei primissimi istanti di vita del nostro Universo, la quantità di spazio è passata dalle dimensioni di un atomo di idrogeno a circa un anno luce di diametro, nello stesso tempo (un trilionesimo di secondo) necessario alla luce per attraversare lo stesso atomo.

L’inflazione può spiegare molte cose, in particolare perché l’universo sembra essere abbastanza uniforme e ha lo stesso aspetto in tutte le direzioni, perché lo spazio è piatto e perché non ci sono monopoli magnetici. Tuttavia, i fisici non sono ancora riusciti ad elaborare i dettagli esatti e hanno escogitato molti modi diversi in cui potrebbe essersi verificata l’inflazione.

Un modo per stabilire quale di questi modelli inflazionistici è corretto, se esiste, è quello di cercare le onde gravitazionali che sarebbero state prodotte quando lo spazio si è espanso e la materia e l’energia in esso contenute si sono espanse. In particolare, quelle onde dovrebbero lasciare un’impronta sulla polarizzazione della luce nel fondo cosmico a microonde.

Onde gravitazionali polarizzate.

In generale, questa impronta di polarizzazione ha due componenti geometriche. Invece di descriverla con le definizioni Nord-Sud ed Est-Ovest, che dipendono da una scelta arbitraria di coordinate, possiamo descriverla per il suo orientamento rispetto a se stessa.

Ci sono due direzioni individuate da un modello di polarizzazione: quella che viene rilevata dal suo orientamento e quella che viene rilevata dalla sua ampiezza. Le ampiezze dei pattern di polarizzazione sono modulate nello spazio dall’onda piana su cui si trovano.

Percorsi di polarizzazione

Qui l’onda piana sta andando nella direzione su-giù (Nord-Sud). Se la polarizzazione è parallela o perpendicolare a questa direzione, si parla di polarizzazione E-mode. Se è attraversato ad angoli di 45 gradi, si parla di polarizzazione B-mode.

Il modello di polarizzazione completa è una sovrapposizione casuale di questi modelli modulati dalle onde piane. Il modello B-mode mantiene la sua natura speciale che risiede nel fatto di possedere una proprietà che distingue la sinistra dalla destra. Ad esempio, ecco due campi di polarizzazione con la stessa struttura ma in modalità E a sinistra e modalità B a destra.

Polarizzazione E-mode a sinistra e B-mode a destra.

Sebbene i dettagli dipendano da quale modello di inflazione è corretto, le onde gravitazionali primordiali dovrebbero presentarsi come modelli particolari dei modi B ed E.

A partire dalla metà degli anni 2000, i ricercatori hanno iniziato a studiare la polarizzazione in modalità B della radiazione cosmica di fondo, alla ricerca di prove di onde gravitazionali primordiali. Nel corso del tempo, i dettagli degli esperimenti sono cambiati considerevolmente.

Il primo esperimento BICEP ha utilizzato circa 50 trombe metalliche che rilevano piccole differenze nella radiazione a microonde, ognuna dotata di sensori termici e griglie polarizzanti per misurare la polarizzazione. La generazione successiva, BICEP2, ha richiesto un salto tecnologico: nuovi rivelatori superconduttori più densamente ammassati nella stessa area dei telescopi precedenti. Il successore Keck Array era essenzialmente costituito da diversi telescopi BICEP2 in uno.

Per arrivare al livello successivo, BICEP3, si è reso necessario inventare letteralmente alcune cose durante la fase di progettazione ed evoluzione.

I progettisti hanno sviluppato una nuova serie di sistemi e materiali. Tra questi ci sono componenti del rivelatore che sono più modulari, più facili da sostituire con lenti e filtri che sono più trasparenti alle microonde mentre bloccano in modo più efficiente la luce infrarossa, il che aiuta a mantenere freschi i rivelatori a microonde superconduttori sensibili alle temperature.

Questi progressi tecnologici combinati con i dati di esperimenti precedenti tra cui BICEP2, Keck, WMAP e Planck, hanno permesso ai ricercatori di stabilire dei limiti più ristretti su quali tipi di onde gravitazionali primordiali potrebbero essere là fuori – e quindi i limiti più stringenti sui modelli dell’inflazione cosmica.

La ricerca continua.

I risultati odierni escludono una serie di modelli di inflazione, inclusi alcuni modelli più vecchi e popolari e alcune versioni di quelli più recenti, motivati ​​dalla teoria delle stringhe. Essi suggeriscono che il modello corretto sarà leggermente più complicato di quelli che sono stati esclusi, sebbene vi sia ancora un’ampia gamma di valide alternative.

Man mano che arriveranno più dati da BICEP3 e dal suo immediato successore, il BICEP Array, così come da altri progetti, i fisici inizieranno a ottenere indizi che aiuteranno a focalizzare ancora di più la loro ricerca sui modelli d’inflazione. Tuttavia, si dovrà aspettare fino alla partenza dell’esperimento CMB-S4, un progetto attualmente in fase di revisione, per ottenere risposte più chiare. Il CMB-S4 dispiegherà un arsenale tecnologico equivalente a circa 21 telescopi tra il Polo Sud e il deserto di Atacama in Cile e ci vorrà circa un decennio prima che possa entrare a pieno titolo in funzione.

Il progetto del telescopio da 5 metri anastigmatico a tre specchi che verrà installato al Polo Sud.
Il progetto del telescopio da 6 metri Cross-Dragon che verrà installato in Cile.

Nel prossimo articolo, continueremo il nostro viaggio nell’affascinante mondo della radiazione elettromagnetica.

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