C'è qualcosa di stranamente simile nell'origine del nostro universo, chiamato inflazione cosmica, e nell'espansione accelerata dell'energia oscura, che alla fine deciderà il suo destino. Ciò solleva il sospetto che questi fenomeni possano essere correlati. Questa settimana, Andrew Gillett ha posto le sue domande: se la teoria dell'inflazione eterna è vera, allora l'energia oscura potrebbe essere un presagio di un ritorno a questo stato primordiale?
Non è solo possibile. Ciò non richiede nemmeno che la teoria sia corretta. Cominciamo la nostra conversazione con la fase che precede la nascita dell'Universo nella forma in cui ci è noto - con inflazione cosmica.
Quando nacque l'Universo che conosciamo, pieno di materia e radiazioni, aveva diverse proprietà piuttosto strane: spazialmente, era piatto, aveva la stessa temperatura ovunque, non aveva residui di energia ultraelevata e aveva schemi molto strani sotto forma di regioni con densità in eccesso e ridotta. È possibile che l'Universo sia nato già con queste condizioni. La teoria dell'inflazione cosmica è la seguente: se l'universo fosse iniziato con un periodo di espansione esponenziale, in cui c'era un'enorme quantità di energia inerente allo spazio, e poi questo periodo finisse, allora un Big Bang caldo si sarebbe già verificato in presenza di tutte queste condizioni. Ci è voluto un po 'per capire le implicazioni e anche di piùper confermare la teoria con dati sulle fluttuazioni del fondo cosmico a microonde. Ma ora l'inflazione cosmica è considerata la prima di tutto quella nella storia dell'Universo, che possiamo confermare con prove.
L'inflazione perpetua è una conseguenza dell'inflazione basata su proprietà a cui pensiamo raramente. Di solito, quando c'è una transizione in natura, diciamo, una pentola di acqua bollente, l'acqua in cui passa da uno stato liquido a uno gassoso, questo processo di transizione inizia in punti diversi. Questi punti si espandono e si fondono, creando grandi bolle nel momento in cui raggiungono la superficie. Quando parliamo di acqua, diciamo che bolle. Durante il processo di ebollizione, piccole bolle si alzano e si fondono in bolle più grandi quando vengono in superficie. Ma c'è un problema con l'inflazione. Le aree in cui l'inflazione non si esaurisce ad un certo punto nel tempo continuano ad espandersi in modo esponenziale, e questo non permette alle aree in cui è finita di “bollire”. Pertanto, l'Universo che osserviamo deve essere completamente in una bolla,dove l'inflazione è finita, e non in numerose bolle che bollono insieme.
Ma all'estremità di questo spettro, vediamo il fatto che l'espansione del nostro universo sta apparentemente accelerando. La migliore spiegazione per questo, basata sulle nostre misurazioni più accurate, è che c'è una piccola componente di energia inerente allo spazio, che chiamiamo energia oscura. Questa componente energetica è onnipresente e uniformemente presente in tutti i punti dello spazio. Ed è estremamente piccolo. Se lo convertiamo in massa secondo la formula di Einstein E = mc2, sarà uguale a un solo protone per metro cubo dell'Universo. Ma lo spazio non è solo enorme, si sta anche espandendo! Col passare del tempo, questa energia oscura diventa sempre più importante. Nel tempo, dopo circa otto miliardi di anni, accelera l'espansione dell'universo, e quindi diventa la componente dominante dell'energia nell'universo.
Questi due periodi di inflazione e di espansione accelerata in una fase successiva possono sembrare molto diversi. La differenza su queste scale di energia è semplicemente colossale, va da 10 alla 120a potenza! Ma entrambi i periodi rappresentano l'energia inerente allo spazio, entrambi fanno sì che la materia dell'universo si espanda in modo esponenziale. E in presenza del tempo (frazioni di secondo per l'inflazione e un trilione di anni per la materia oscura), prenderanno tutto ciò che non è connesso in una singola struttura nell'Universo e lo divideranno. Esistono molti di questi modelli e, in fondo, combinano tutti inflazione ed energia oscura.
Quindi, quali sono le possibilità che l'universo inizi a riciclare la sua formazione? Sono grandi
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1. Se l'energia oscura è davvero una costante cosmologica, potrebbe essere l'energia residua del periodo inflazionistico in cui tutto è iniziato. Se è così, c'è motivo di dire che in presenza del tempo può indebolirsi ancora di più, spostandosi in un nuovo stato energetico molto più basso. Forse una tale transizione darà un impulso all'emergere di un gran numero di particelle di massa estremamente bassa, come neutrini, assioni o qualcosa di ancora più esotico. Queste particelle, a loro volta, si combineranno e creeranno i propri analoghi di stelle, pianeti e forse l'umanità su una scala temporale sufficientemente lunga. Se non possiamo vedere questo processo, ciò non significa affatto che sia impossibile. Forse questo è il destino che attende il nostro Universo in un futuro molto, molto lontano, anche se ci vorranno googols di anni.
2. L'energia oscura potrebbe non essere una costante cosmologica, ma nel tempo può aumentare. Se è così, allora crescerà e crescerà, il che può portare allo scenario di un "grande squarcio", quando nel tempo tutte le strutture connesse nell'Universo si romperanno. Ma in questo scenario, sviluppato da Eric Gawiser, c'è la possibilità che all'ultimo momento, appena prima che lo spazio crolli nell'oblio, l'energia intrinseca dello spazio, indistinguibile dagli scenari inflazionistici, farà la transizione al Big Bang! Un simile scenario di un "Universo rianimato" non solo può diventare realtà nel nostro lontano futuro. In esso, il nostro universo potrebbe essere molto più antico di quanto sembri. È possibile che sia infinitamente vecchio.
Bene, ora le prove che abbiamo indicano che l'energia oscura è davvero una costante cosmologica. Ciò significa che lo scenario numero 2 è escluso. Se non esiste uno stato energetico inferiore per la transizione, è possibile escludere anche l'opzione n. 1. Ma ora non abbiamo dati sufficienti per rifiutarne nemmeno uno. Se avessi la possibilità di piazzare scommesse, direi che è più probabile una variante con uno stato energetico inferiore. Ma l'idea che l'energia oscura sia davvero costante ed esista per sempre è supportata meglio dai dati disponibili. Finché non lo sapremo per certo, è meglio non escludere alcuna possibile opzione. La sonda Euclid, il telescopio grandangolare per rilievi a infrarossi WFIRST della NASA e infineIl Large Synoptic Research Telescope LSST ci aiuterà a misurare l'energia oscura in modo ancora più accurato e questo fornirà nuove prove a supporto della prima o della seconda teoria. E le nuove scoperte nella fisica teorica delle alte energie possono dirci di più sul primo concetto. Ad ogni modo, Andrew, la risposta alla tua domanda è questa: l'energia oscura può annunciare un ritorno al caldo Big Bang da uno stato inflazionistico, ma non dipende dalla natura eterna dell'inflazione.ma non dipende dalla natura eterna dell'inflazione.ma non dipende dalla natura eterna dell'inflazione.
Ethan Siegel
