Intervista ad Antonio Riotto, professore di fisica teorica e direttore del dipartimento di fisica all’Università di Ginevra, insignito del Buchalter Cosmology Prize 2018 per i suoi contributi innovativi alla cosmologia
Come ha avuto origine l’universo?
Non lo sappiamo con certezza, ma esistono diverse ipotesi. La più accreditata è che circa 14 miliardi di anni fa l’universo sia emerso dal nulla, come risultato di una fluttuazione quantistica del vuoto – un concetto su cui torneremo più avanti – che avrebbe prodotto una variazione di energia sufficiente ad avviare l’espansione cosmica. Oppure, un’altra possibilità è che l’universo sia eterno, che non abbia origine, e che quello che vediamo tornando indietro nel tempo e che pensiamo essere la sua origine non sia altro che la fine di un’altra epoca, di un universo che si è espanso e poi contratto, per poi espandersi di nuovo. Sfortunatamente, nessuna di queste ipotesi è verificabile sperimentalmente. Stando infatti alla visione cosmologica moderna, subito dopo la sua fase iniziale, l’universo avrebbe attraversato un periodo di espansione molto accelerata, detta inflazione, che in una frazione di secondo ne ha aumentato il volume in maniera esponenziale, cancellando qualsiasi informazione preesistente. Non possiamo più risalire al contenuto dell’universo prima del periodo inflazionario; per questo motivo, oggi il termine “big bang” viene usato – un po’ impropriamente – per indicare la fase di transizione tra l’inflazione e il momento in cui l’universo ha incominciato a riempirsi di un bagno termico, il cosiddetto brodo primordiale.
Come si è evoluto l’universo dopo questa prima fase?
La fase di espansione inflazionaria – determinata da un’energia del vuoto di origine ancora sconosciuta – è durata appena qualche frazione di secondo. Quando è terminata, grazie a una transizione di fase, ha generato un bagno termico che ha riempito l’universo di particelle relativistiche, ossia con velocità prossime a quella della luce: fotoni, elettroni, neutrini… tutte le particelle che studiamo oggi nei laboratori, e forse anche qualche particella in più, che non siamo ancora riusciti a rivelare negli acceleratori attuali. Poi è iniziata l’evoluzione descritta dal “modello cosmologico standard”. Dopo circa un minuto dalla creazione del bagno termico, è avvenuta la nucleosintesi, ovvero si sono generati i primi atomi, gli elementi chimici come idrogeno, elio e litio; e nel frattempo, il brodo primordiale di particelle – che interagivano tra di loro molto rapidamente, assumendo un’energia media comune, chiamata temperatura – ha incominciato a raffreddarsi con l’espansione dell’universo, proprio come un qualsiasi fluido che compresso si mantiene caldo, espanso si raffredda. Finché, a circa 380.000 anni dal big bang, i fotoni, le particelle della luce, hanno smesso di interagire con la materia circostante. Gli elettroni e i protoni, con cui i fotoni erano soliti interagire, hanno iniziato infatti ad aggregarsi in atomi di idrogeno stabili e neutri, e la luce, che interagisce solamente con particelle cariche, ha incominciato a propagarsi libera fino a noi: l’universo è diventato così da opaco a trasparente, e noi abbiamo potuto scattarne una “fotografia” negli anni Sessanta del secolo scorso, quando i primi radiotelescopi hanno immortalato la radiazione cosmica di fondo a microonde (Cosmic Microwave Background, CMB), la traccia fossile del momento in cui la luce si è liberata dalla materia. Durante questo periodo l’universo si è espanso decelerando e la sua energia ha smesso di essere dominata dalla radiazione di particelle relativistiche, in favore di materia non relativistica (cioè materia la cui velocità è più bassa di quella della luce), come i barioni, i protoni, i neutroni, e le particelle pesanti in generale. Questo ha permesso alle piccole fluttuazioni createsi durante l’inflazione di agglomerarsi in disomogeneità più estese per effetto della gravità, fino a creare le strutture che osserviamo oggi: le galassie, gli ammassi di galassie, gli aloni della materia oscura, e così via. Poi, ancora più recentemente, si è verificato un drammatico cambio di rotta: l’universo ha preso a espandersi in maniera accelerata, con una velocità che aumenta col tempo. Ce ne siamo resi conto nel 1998, osservando delle supernovae, oggetti estremamente luminosi, resti dell’esplosione di stelle, che possiamo individuare anche a distanze gigantesche. Queste supernovae apparivano più deboli del previsto, quindi più lontane di quanto ci aspettassimo, e l’unico modo per spiegare tale scarto era che l’universo avesse invertito la tendenza, accelerando la propria espansione.
Qual è la causa di questa accelerazione?
La causa è tuttora ignota. Una possibilità è che, molto recentemente nell’evoluzione dell’universo, la densità di energia dell’universo sia stata dominata non più dalla materia non relativistica, ma da un altro tipo di fluido di cui non conosciamo l’origine e a cui diamo il nome di energia oscura. Questo fluido presenta una caratteristica controintuitiva: esercita una pressione negativa. In altre parole, se compresso, non reagisce opponendosi, spingendo indietro, all’opposto, si comporta come una sorta di antigravità, espandendosi ancora di più verso l’esterno, e dunque favorendo l’espansione accelerata dello spazio. L’energia oscura però è solo un’ipotesi. Così come è solo un’ipotesi quella secondo cui la gravità a grandi distanze – distanze di ordine cosmologico – non segua esattamente la legge di Newton (secondo cui la sua forza decade come l’inverso del quadrato della distanza). Su scale enormi la gravità sarebbe ancora più debole, e con lei anche la sua capacità di esercitare un’azione frenante, permettendo dunque all’universo di accelerare naturalmente la sua espansione. Chiaramente, come anticipavo, è solo una teoria, al momento insondabile a livello sperimentale.
A proposito di ipotesi insondabili, facciamo un passo indietro, all’ipotesi sull’origine dell’universo dalle fluttuazioni quantistiche del vuoto. Che cosa sono queste fluttuazioni?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo entrare nel mondo della meccanica quantistica. A energie molto elevate o a distanze molto piccole, infatti, alle leggi della fisica classica subentrano quelle quantistiche, che risultano alle volte un po’ controintuitive. Per esempio, in meccanica quantistica non si può determinare la posizione di una particella in maniera esatta, perché al concetto di particella è associato anche il concetto di onda – un’onda di luce che non è localizzata in un punto, ma è distribuita nello spazio. Proprio a causa di questa natura duale, la particella-onda non può essere descritta in maniera univoca, ma solo in termini di probabilità. La stessa logica probabilistica permea anche la descrizione quantistica del vuoto. Immaginiamo di creare in laboratorio un vuoto classico, aspirando tutto il contenuto di una scatola, e di osservarlo con un microscopio in grado di sondare distanze estremamente ridotte. Scopriamo così che il vuoto non è vuoto: esiste una certa probabilità che, in un certo momento, in una certa regione dello spazio, si creino coppie di particelle e antiparticelle, dette virtuali. Queste coppie si creano e si distruggono senza posa – di qui l’aggettivo virtuale –, affollando il vuoto quantistico, il cui stato di energia minima non è mai zero. Se però allontaniamo molto rapidamente, in modo esponenziale, le pareti della scatola – simulando la fase di espansione inflazionaria dell’universo – accade qualcosa di nuovo: le coppie di particelle virtuali appena create si separano tra loro troppo rapidamente per potersi rincontrare e annichilire; perdono la possibilità di tornare allo stato precedente, e da virtuali diventano reali. Questo fenomeno in cosmologia viene chiamato fluttuazione quantistica, e implica che dal vuoto emergano delle particelle, delle disomogeneità. In fisica, tutto ciò che ha un’energia, come queste particelle, in qualche modo cambia la geometria dello spaziotempo in cui viene creato. E infatti queste disomogeneità, originatesi nel mondo microscopico, permangono e addirittura vengono esaltate dal periodo inflazionario, vedono crescere la propria lunghezza d’onda con l’aumentare delle dimensioni dell’universo, fino a quando la gravità le attrae le une verso le altre a formare le strutture classiche (galassie, sistemi solari) che osserviamo oggi su scale macroscopiche. Questa è la rappresentazione più affascinante di come agisce la fisica quantistica: la macroscopica struttura dell’universo e tutto quello che ne consegue – come il fatto che si sia potuta sviluppare la vita – ha la sua origine dal microscopico mondo quantistico, dalle minuscole fluttuazioni emerse nei primissimi istanti dell’universo.
Che cosa ne sarà dell’universo? Quali scenari cosmologici riteniamo oggi più plausibili?
Prima dell’osservazione delle supernovae nel 1998, si pensava che l’universo, oltre ad espandersi, stesse decelerando. Questo perché si supponeva che il suo contenuto di energia fosse dominato da materia non relativistica, cioè dalla materia di cui noi stessi siamo composti e da quella che viene chiamata materia oscura, che è diversa dall’energia oscura che pensiamo domini adesso. La materia oscura è composta da particelle che non abbiamo ancora scoperto, ma siamo certi della sua esistenza, perché essa agisce sulla gravità: se l’universo fosse formato solamente dalla materia che conosciamo – che corrisponde a circa il 5% del suo contenuto – questa materia non avrebbe avuto una forza gravitazionale sufficiente per agglomerare le disomogeneità e formare le strutture che osserviamo oggi. La materia oscura ha agito, in questo senso, da intensificatrice della gravità, da catalizzatrice di queste strutture; ed essendo non relativistica, cioè avendo una velocità molto più piccola di quella luce, si pensava che l’universo stesse decelerando. Stando così le cose, c’erano due ipotesi sul destino dell’universo. La prima immaginava l’universo espandersi decelerando per sempre, senza nessuna conseguenza particolare, dal momento che le galassie si sarebbero allontanate da noi con velocità sempre minore e avremmo potuto continuare a osservarle. L’altra ipotesi, invece, suggeriva che l’universo a un certo punto avrebbe raggiunto un’espansione massima e avrebbe cominciato a contrarsi in quello che viene chiamato il “big crunch”: le galassie si sarebbero avvicinate a noi sempre di più, fino a raggiungere una contrazione massima e a produrre un anti-big bang. Ma tutto è cambiato dopo il 1998, quando osservando le supernovae a distanze molto grandi, ci siamo resi conto che l’universo sta in realtà accelerando a causa di un’ignota energia oscura. Questa nuova consapevolezza ha eliminato l’ipotesi del big crunch, che non è più considerata ammissibile, e ha introdotto una nuova ipotesi: l’universo continuerà a espandersi a velocità sempre maggiore, e a velocità sempre maggiore le galassie si allontaneranno da noi. La luce impiegherà sempre più tempo per raggiungerci e le immagini diventeranno sempre più oscure, sempre più buie, finché le galassie smetteranno di essere visibili. Questo è quello che viene chiamato il “buio cosmico”, ed è l’ipotesi al momento confermata dai dati. Naturalmente potrebbe essere dismessa anche questa – se per esempio scoprissimo che l’energia oscura, esattamente come è comparsa, scomparirà –, ma al momento è lo scenario più plausibile.
Lei quali conferme sperimentali spera di veder arrivare?
Per un teorico come me tre conferme sarebbero veramente interessanti. La prima potrebbe arrivare da Euclid, un esperimento in cui l’INFN ha un ruolo fondamentale e che sta già raccogliendo dati. Euclid è stato progettato per esplorare la composizione e l’evoluzione dell’universo oscuro e dovrebbe darci una risposta sulla cosiddetta “costante cosmologica”, ovvero l’energia oscura, che noi immaginiamo essere un fluido con pressione e densità di energia costanti nel tempo (di qui il nome costante). Se i dati di Euclid ci indicassero, al contrario, che questa energia oscura ha una densità di energia e una pressione che cambiano nel tempo, potremmo scoprire che l’energia oscura non è un fluido, non ha delle proprietà statiche ma evolve nel tempo, e quindi anche l’universo potrebbe evolvere in un altro stato, aprendosi così a uno scenario diverso dall’altrimenti inevitabile buio cosmico. Questa conferma sarebbe interessante non solo dal punto di vista sperimentale, ma anche dal punto di vista teorico, perché vorrebbe dire che questo fluido è un oggetto fondamentale, assimilabile a un campo scalare come quello di Higgs, e che ha delle proprietà identificabili dal punto di vista della fisica delle particelle. In altre parole, potremmo finalmente attribuire dei connotati all’energia oscura, e questo comporterebbe una rivoluzione nella cosmologia. L’altra conferma che mi piacerebbe avere in tempi brevi sarebbe scoprire le onde gravitazionali generate durante l’evoluzione primordiale dell’universo. Anche questa sarebbe una rivoluzione, non tanto per il fatto di avere una misura da un’altra sorgente delle onde gravitazionali – che già sappiamo esistere e che già abbiamo misurato –, quanto per il fatto che le onde gravitazionali ci porterebbero informazioni su ciò che è veramente successo vicino al big bang, poiché arrivano fino a noi indisturbate, libere da qualsiasi interazione. Sarebbe probabilmente l’unico modo per testare che cosa è accaduto un miliardesimo di secondo dopo il big bang, nella fase di passaggio dall’inflazione al bagno termico. Esiste infatti una teoria secondo cui, in quel momento, è avvenuta una transizione di fase in cui si sono formate delle bolle e la simmetria del Modello Standard si è rotta. Proprio come quando si mette l’acqua a bollire per fare la pasta e l’acqua passa dallo stato liquido allo stato di vapore, il fluido che riempiva l’universo sarebbe passato da uno stato di energia all’altro, e le particelle del Modello Standard come le conosciamo oggi sarebbero passate dal non avere all’avere una massa. Questa transizione di fase sarebbe avvenuta in modo violento e si sarebbero perciò formate delle bolle, che si sono espanse fino a riempire tutto l’universo e ad alterarne totalmente lo stato di energia. La collisione tra bolle potrebbe aver avuto conseguenze testabili, cioè potrebbe aver generato delle onde gravitazionali, e noi speriamo di misurarle con esperimenti come LISA, un interferometro spaziale cui l’INFN dà un contributo fondamentale. Ultima ma non meno importante, la terza conferma che mi piacerebbe avere dovrebbe arrivare dalla misura della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo a microonde. Questa radiazione di fondo, generata quando l’universo aveva circa 380.000 anni, in realtà dovrebbe avere una certa polarizzazione, cioè la luce dovrebbe in qualche modo ruotare, a causa delle onde gravitazionali generate durante l’inflazione. Se riuscissimo a misurarla, risaliremmo ai primordi dell’universo, ancora prima delle transizioni di fase, e aggiungeremmo un tassello fondamentale alla teoria dell’inflazione. Abbiamo già parecchi dati che confermano che l’inflazione sia avvenuta, ma quest’ultima misura ci permetterebbe davvero di chiudere il capitolo.
BIO
Antonio Riotto è attualmente professore di fisica teorica e direttore del dipartimento di fisica all’Università di Ginevra. Si occupa di cosmologia, della fisica dei buchi neri e delle onde gravitazionali. In passato è stato postdoc nel gruppo di cosmologia del Fermilab di Chicago, CERN fellow a Ginevra, dirigente di ricerca presso l’INFN e ricercatore nella divisione teorica del CERN. È stato insignito nel 2018 del Buchalter Cosmology Prize per i suoi contributi innovativi alla cosmologia.
