inflazione cosmica
Fase primordiale di espansione accelerata dell’Universo ipotizzata per spiegarne l’alto grado di omogeneità.
La teoria dell’i., formulata nel 1981 dal fisico statunitense A.H. Guth (n. 1947), si propone di risolvere alcune difficoltà rilevate nel cosiddetto modello cosmologico standard, la teoria comunemente accettata della nascita ed evoluzione dell’Universo, ipotizzando una fase primordiale di espansione cosmica accelerata, anziché rallentata. Tale brevissimo periodo, iniziato 10–35 secondi dopo la nascita dell’Universo e durato intorno ai 10–30 secondi, sarebbe stato capace di moltiplicare il fattore di scala cosmico, cioè la distanza che separa due qualsiasi punti (galassie) dell’Universo, di un fattore superiore a 1030 volte, producendo un contemporaneo raffreddamento della materia primordiale, una pressoché totale scomparsa delle fluttuazioni di materia eventualmente presenti nella fase anteriore e un appiattimento della curvatura iniziale dello spazio tridimensionale, fino a valori compatibili con le osservazioni attuali; quest’ultimo fenomeno è paragonabile all’appiattimento locale della superficie bidimensionale di una sfera sottoposta a espansione.
Durante la fase inflazionaria, inoltre, la velocità della luce, in accordo con la teoria della relatività generale, sarebbe stata tale da permettere processi fisici a distanze molto superiori a quelle previste dal modello standard, condizione necessaria per rendere conto dell’alto grado di omogeneità e isotropia dell’Universo attuale. I dati astrofisici di interesse cosmologico riguardano principalmente le velocità di recessione delle galassie, dedotte dallo spostamento verso lunghezze d’onda maggiori (più «rosse») dei loro spettri elettromagnetici (per effetto Doppler), e la loro distribuzione nello spazio; queste osservazioni hanno rivelato un Universo sostanzialmente omogeneo e isotropo, formato da galassie e ammassi di galassie in allontanamento con velocità proporzionale alla distanza che le separa dall’osservatore (legge di Hubble), con una densità totale di materia ed energia ρ (comprendente anche l’ipotetica ‘materia’ oscura, soggetta solo alla forza gravitazionale) stimata intorno a quel valore critico ρc che, secondo la relatività generale, comporta un Universo spazialmente piatto, o euclideo. Ricordiamo che nella relatività generale la densità di materia determina la geometria dello spazio-tempo: una densità maggiore di ρc porta a un Universo spazialmente chiuso e destinato a ricollassare nel futuro, mentre una densità minore di ρc caratterizza uno spazio infinito e in eterna espansione; in entrambi i casi la geometria è di tipo non-euclideo; soltanto una densità di materia pari a ρc assicura la piena validità della geometria euclidea. A partire dai dati osservativi, la soluzione di A. Friedmann (1888-1925) delle equazioni della relatività generale perviene alla conclusione che l’Universo ebbe inizio 10-20 miliardi di anni fa in condizioni di pressione, densità e temperatura teoricamente infinite, condizione nota come singolarità iniziale (➔ cosmologia). A una prima caldissima fase in cui la radiazione era la componente dominante dell’Universo (durata circa 105 anni) è seguita l’attuale lunga epoca dominata dalla materia; residuo odierno della prima fase è la radiazione di fondo cosmico a 2,7 K proveniente in maniera isotropa da tutte le direzioni del cielo e da una distanza di circa 3000 h–1 megaparsec (un megaparsec, o Mpc, è pari a più di tre milioni di anni-luce), dove h è la costante di Hubble in unità di Ho=100 km/s/Mpc. Questa distanza costituisce il nostro orizzonte osservabile, cioè la massima profondità che un rivelatore di onde elettromagnetiche, sia esso un telescopio o un’antenna radio, possa direttamente indagare.
Benché tutti i dati osservativi cosmologici possano essere accomodati nel modello standard assumendo condizioni iniziali molto specifiche, si devono notare in esso due importanti enigmi cui la teoria inflazionaria fornisce una elegante risposta: il problema della curvatura e quello dell’orizzonte. Il primo consiste nel fatto che l’Universo quasi euclideo nel quale viviamo (in cui, come già detto, il parametro Ωo definito come rapporto tra la densità ρ di materia oggi misurata e il valore critico ρc è circa pari a 1) è una soluzione instabile delle equazioni di Friedmann e dunque fisicamente inspiegabile: basta pensare che una sia pur microscopica deviazione dalle opportune condizioni iniziali avrebbe portato a un collasso o a una rarefazione quasi totale della materia in tempi dell’ordine di 10–43 secondi.
Il problema dell’orizzonte si manifesta invece osservando che l’Universo possiede le stesse proprietà (per es., densità di materia, temperatura di fondo cosmico, abbondanza relativa degli elementi) in punti che pure non hanno mai avuto contatto causale nel loro passato, tali cioè da essere separati da una distanza superiore a quella che la luce ha potuto percorrere.
La fondamentale osservazione di Guth, parzialmente anticipata da lavori di A. Linde, A. Starobinsky, K. Sato e altri, fu che una fase di espansione accelerata poteva risolvere in maniera naturale entrambi i problemi accennati purché il fattore di espansione fosse stato superiore a circa 1030 volte. Infatti, tale espansione accelerata rende stabile l’Universo euclideo (predicendo così Ωo rigorosamente uguale a 1) e permette processi fisici a distanza molto maggiore rispetto alla cosmologia standard, quindi capaci di omogeneizzare la materia su tutto lo spazio. Al termine di questa fase accelerata il campo di materia che guida l’inflazione deve poi liberare l’energia necessaria a riscaldare la materia fino a temperature maggiori di 1023 K (fase di riscaldamento, o reheating); da questo momento in avanti l’evoluzione cosmica torna a essere descritta dal modello standard, avviandosi così la successiva storia termica dell’Universo che ha riscontrato eccezionali conferme osservative. Inflatone è detto l’ipotetico campo scalare primordiale introdotto nella versione cosiddetta caotica della teoria dell’inflazione cosmica per dare conto dell’espansione che interessa l’Universo.