Ad una conferenza in Giappone qualche anno fa, David Dunsky ho assistito a una conferenza sulle onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio-tempo che si creano quando oggetti massicci come stelle e buchi neri accelerano.

All'epoca Dunsky era uno studente laureato in fisica delle particelle e i suoi interessi apparentemente erano altrove. I fisici delle particelle cercano la verità più fondamentale alla base delle regole fisiche che ci sono familiari. Usano da tempo collisori di particelle ad alta energia per testare le loro idee. Facendo scontrare le particelle a energie insondabili, questi scienziati possono scoprire gli elementi costitutivi degli elementi costitutivi: i fenomeni ad alta energia che si verificano su scale a breve distanza. Questi fenomeni ci raccontano anche i primi momenti in cui l’universo era minuscolo, denso e incredibilmente caldo.

Ma Dunsky ha appreso durante il discorso che i futuri osservatori di onde gravitazionali come la proposta Laser Interferometer Space Antenna (LISA) potrebbero essere utilizzati per sondare la fisica delle alte energie. LISA sarebbe in grado di rilevare ipotetici oggetti chiamati stringhe cosmiche, vasti filamenti di energia concentrata che potrebbero essersi formati durante la nascita dell'universo. “Mi sono appassionato al tentativo di comprendere i segnali delle onde gravitazionali provenienti dall’universo primordiale”, ha detto Dunsky, che ora è cosmologo e fisico delle particelle alla New York University, “e come potrebbero raccontarci la fisica delle energie molto, molto elevate, potenzialmente lontane. oltre ciò che possiamo attualmente rilevare con un collisore”.

La sua svolta verso le onde gravitazionali come via da seguire per la fisica delle particelle esemplifica un crescente interesse per il futuro esperimento LISA e, forse, un cambiamento più ampio. Sono passati dodici anni dall'ultima grande scoperta presso un collisore di particelle. La scoperta del bosone di Higgs al Large Hadron Collider (LHC) nel 2012 ha completato il Modello Standard della fisica delle particelle, la teoria regnante delle particelle e delle forze elementari conosciute. E anche se da allora i teorici hanno escogitato uno zoo di possibili teorie che estendono il Modello Standard, non è chiaro se possiamo costruire collisori in grado di testare queste idee.

“Si parla di costruire nei prossimi 50 anni collisori che saranno 10 volte più potenti dell’LHC in termini di energia”, ha affermato Raman Sundrum, un fisico teorico delle particelle dell'Università del Maryland. Tuttavia, per testare le teorie della grande unificazione, che riconducono le tre forze del Modello Standard a un’unica forza sottostante che opera a distanze più brevi, “sembrerebbe richiedere un collisore che abbia 10 miliardi di volte l’energia dell’LHC”, ha detto.

Ciò che non possiamo produrre in un collisore, potremmo essere in grado di osservarlo in natura. Nello specifico, le risposte potrebbero risiedere negli echi gravitazionali dei processi che si sono svolti nei primi momenti della creazione, quando l’universo era così energetico che la fisica oltre il Modello Standard avrebbe regnato.

Questa è la speranza dei fisici delle particelle come Dunsky e Sundrum, che ora si rivolgono a LISA per testare le loro teorie. Il concetto di missione è stato sviluppato per la prima volta all'inizio degli anni '1980 e proposto formalmente all'Agenzia spaziale europea (ESA) nel decennio successivo. Il progetto è stato portato avanti per un certo periodo in collaborazione con la NASA, ma gli americani si sono ritirati nel 2011 a causa di problemi di budget, costringendo l’Europa a procedere da sola. Questo gennaio, tuttavia, LISA ha finalmente ottenuto il via libera dall'ESA, che ora sta cercando partner industriali per iniziare la costruzione. L'annuncio arriva dopo il clamoroso successo nel 2015 e nel 2016 di una missione pilota, LISA Pathfinder, che ha testato le tecnologie chiave del futuro osservatorio.

Il volo di LISA è ora previsto per gli anni '2030. Per quattro anni, la sua serie di tre satelliti precipiterà nello spazio in un triangolo equilatero di circa milioni di miglia di diametro, facendo rimbalzare i laser sui cubi dorati mantenuti in perfetta caduta libera all'interno di ciascun velivolo per percepire le increspature nello spazio-tempo.

"Per la prima volta potremmo effettivamente ottenere qualcosa direttamente da quella primissima epoca" dell'universo, ha detto Isabel Garcia Garcia, fisico delle particelle e cosmologo dell'Università di Washington. Se LISA riesce davvero a captare le onde gravitazionali primordiali, ha aggiunto, sarà il nostro primo assaggio dei primi istanti del cosmo. “Dal punto di vista della fisica delle particelle, questo è ovviamente incredibilmente emozionante”.

Fortunata Lisa

Se davvero LISA riuscirà a rilevare le onde gravitazionali primordiali nel prossimo decennio, sarà grazie a un colpo di straordinaria fortuna cosmica.

Nessun telescopio rivelerà mai i primi momenti della creazione. I telescopi scrutano il passato dell'universo rilevando la luce che arriva da molto lontano. Ma i primi 380,000 anni dopo il Big Bang sono nascosti dietro una sorta di cortina cosmica. Allora l’universo era pieno di plasma ionizzato che diffondeva i fotoni, rendendolo opaco alla luce.

A differenza della luce, le onde gravitazionali potevano incresparsi liberamente nell’universo primordiale. Gli osservatori terrestri esistenti come LIGO e Virgo probabilmente non sono sensibili a queste onde primordiali. Ma LISA potrebbe essere in grado di sentire cosa è successo sul palco prima che si alzasse il sipario cosmico.

"È come sentire qualcosa nella nebbia", ha detto Sundrum.

Come gli osservatori di onde gravitazionali a terra, LISA rileverà le increspature nello spazio-tempo utilizzando laser per misurare con precisione la distanza lungo i suoi “braccia” – in questo caso, le linee nello spazio vuoto tra i tre veicoli spaziali nella sua costellazione triangolare. Quando un'onda gravitazionale passa, allunga e contrae lo spazio-tempo. Ciò crea una leggera differenza nella lunghezza dei bracci di LISA, che lo strumento può rilevare monitorando il disallineamento dei picchi e degli avvallamenti dei suoi raggi laser. Rimosso dal rumoroso ambiente terrestre, LISA sarà molto più sensibile degli interferometri esistenti come LIGO, che è stato utilizzato per rilevare le collisioni di buchi neri e stelle di neutroni. Sarà anche molto più grande; ciascuno dei suoi bracci sarà quasi 400 volte più lungo del raggio della Terra.

Anche così, i cambiamenti nella distanza percepita da LISA sono estremamente piccoli: circa 50 volte più piccoli di un atomo. "È un concetto piuttosto folle, se ci pensi", ha detto Nora Lutzgendorf, astrofisico dell'ESA e scienziato del progetto LISA.

Le dimensioni e la sensibilità di LISA gli permetteranno di osservare onde gravitazionali molto più lunghe di quelle osservabili dagli interferometri terrestri. LIGO può rilevare onde gravitazionali con lunghezze d'onda comprese tra circa 30 e 30,000 chilometri, ma LISA può captare onde di lunghezza variabile da poche centinaia di migliaia di chilometri a qualche miliardo. Ciò consentirà a LISA di ascoltare eventi astrofisici che gli osservatori a terra non possono “sentire”, come le fusioni di buchi neri supermassicci (al contrario dei buchi neri delle dimensioni di una stella). E la banda di lunghezze d'onda di LISA ha esattamente le dimensioni che i fisici si aspettano dalle onde gravitazionali generate nei primi istanti dopo il Big Bang.

La fisica delle alte energie nell’universo primordiale creò increspature gravitazionali e, man mano che l’universo si espandeva e lo spazio si estendeva, queste onde si gonfiarono fino a raggiungere dimensioni enormi. LISA sembra essere perfettamente pronta a catturare le onde create nei primi 10^-17 a 10^-10 pochi secondi dopo il Big Bang, praticamente all’inizio dei tempi. L'estremità breve di tale intervallo, 10^-17 secondi, è un periodo così breve che starebbe in un secondo tante volte quante sono i secondi nell’età dell’universo.

"C'è questa serendipità", ha detto Chiara Caprini, cosmologo teorico dell'Università di Ginevra e del CERN. Esiste una corrispondenza tra "la banda di frequenza di rilevamento di LISA e questa particolare epoca nell'evoluzione dell'universo che segna la frontiera della nostra conoscenza della fisica delle particelle".

Oltre il modello standard

Fino a quella frontiera, il Modello Standard fa un ottimo lavoro nello spiegare come il suo stormo di 17 particelle elementari interagisce con tre forze: la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. Ma nonostante i suoi enormi successi, nessuno pensa che queste particelle e forze siano l’essenza e il fine dell’esistenza.

La teoria ha i suoi difetti. Ad esempio, il massa del bosone di Higgs — la componente del Modello Standard che determina le masse di altre particelle — lo è frustrantemente “innaturale”..” Sembra arbitrario e sorprendentemente piccolo rispetto alle scale energetiche molto più grandi dell'universo. Inoltre, il Modello Standard non offre alcuna spiegazione per la materia oscura, né per la misteriosa energia oscura che guida l’espansione accelerata dello spazio. Un altro problema è che l’antimateria e la materia si comportano esattamente allo stesso modo sotto le tre forze del Modello Standard – il che ovviamente non è la storia completa, dal momento che la materia domina l’universo. E poi c'è la gravità. Il Modello Standard ignora completamente la quarta forza fondamentale, che deve essere descritta utilizzando la propria teoria su misura, la relatività generale.

“Così molti teorici come me hanno cercato di comprimere un po’ il Modello Standard e provare a estenderlo”, ha detto Pierre Auclair, cosmologo teorico dell’Università Cattolica di Lovanio in Belgio. Ma senza prove sperimentali con cui testarle, queste teorie estese rimangono, beh, teoriche.

Auclair è un teorico. "Ma comunque, sto cercando di essere coinvolto il più possibile negli esperimenti", ha detto. Questa è una delle ragioni per cui è stato attratto da LISA. "Queste estensioni di solito portano a diversi eventi estremi nell'universo primordiale", ha detto.

Allo stesso modo Garcia Garcia ha affermato che la promessa di LISA di prove osservative per la fisica delle alte energie l'ha portata a riconsiderare la sua carriera: le onde gravitazionali potrebbero "sondare l'universo primordiale in un modo che nessun altro esperimento può fare", ha detto. Alcuni anni fa, ha iniziato a studiare le onde gravitazionali e come la fisica oltre il Modello Standard avrebbe lasciato impronte rilevabili da LISA.

L'anno scorso, Garcia Garcia e i suoi colleghi lavoro pubblicato sulla firma delle onde gravitazionali delle pareti delle bolle: barriere energetiche tra sacche di spazio che sono rimaste intrappolate in stati diversi mentre l’universo si raffreddava. Questo raffreddamento è avvenuto mentre l’universo si espandeva. Proprio come l'acqua bolle e si trasforma in vapore, l'universo ha attraversato transizioni di fase. Nel Modello Standard, la transizione di fase durante la quale una singola forza “elettrodebole” si divideva in forze elettromagnetiche e forze deboli separate era relativamente fluida. Ma molte estensioni della teoria prevedono eventi violenti che hanno lasciato la zuppa cosmica schiumosa e disturbata, ha detto Dunsky, che studia anche difetti topologici come le pareti delle bolle.

I campi quantistici che permeano il nostro universo hanno stati di energia minima, o stati fondamentali. E mentre l’universo si raffreddava, si sviluppavano nuovi stati fondamentali a energia inferiore, ma un dato campo non sempre atterrava immediatamente nel suo nuovo stato fondamentale. Alcuni sono rimasti intrappolati nei minimi energetici locali: falsi stati fondamentali che sembrano stabili solo in apparenza. A volte, però, un piccolo pezzo di universo entra in un tunnel quantistico nel vero stato, nucleando una bolla di vero vuoto in rapida espansione con un’energia inferiore rispetto all’universo esterno.

“Queste bollicine sono molto energiche; si stanno muovendo molto vicino alla velocità della luce a causa di questa differenza di pressione tra il loro interno e l'esterno", ha detto Dunsky. “Quindi, quando si scontrano, si ottiene questa violenta collisione tra questi due oggetti molto relativistici, in qualche modo simile a come i buchi neri emettono forti onde gravitazionali subito prima della collisione”.

Stringhe e muri

Più speculativamente, le transizioni di fase nell’universo primordiale potrebbero anche aver creato strutture chiamate stringhe cosmiche e pareti di dominio – rispettivamente enormi filamenti e fogli di energia densa.

Queste strutture sorgono quando lo stato fondamentale di un campo quantistico cambia in modo tale che esiste più di un nuovo stato fondamentale, ciascuno ugualmente valido. Ciò può provocare difetti ad alta energia lungo i confini tra sacche dell’universo che si trovano in stati fondamentali diversi, ma ugualmente favorevoli.

Il processo è un po’ come il modo in cui alcune rocce sviluppano il magnetismo naturale mentre si raffreddano, ha detto Dunsky, che lo ha fatto studiato le impronte digitali osservabili del processo. Ad alte temperature, gli atomi sono orientati in modo casuale. Ma a temperature fresche, diventa energeticamente favorevole per loro allinearsi magneticamente: lo stato fondamentale cambia. Senza un campo magnetico esterno per orientare gli atomi, sono liberi di allinearsi in qualsiasi modo. Tutte le “scelte” sono ugualmente valide e diversi domini del minerale faranno, per caso, scelte diverse. Il campo magnetico generato da tutti gli atomi si piega notevolmente ai confini tra i domini.

Allo stesso modo, i campi quantistici in diverse regioni dell’universo “devono cambiare rapidamente al confine” di questi domini, ha detto, determinando grandi densità di energia a questi confini che “significano la presenza di un muro di dominio o di una stringa cosmica”.

Queste stringhe cosmiche e muri di dominio, se esistessero, si sarebbero estesi fino a coprire praticamente l’intero universo man mano che lo spazio si espandeva. Questi oggetti producono onde gravitazionali mentre le pieghe si propagano lungo di essi e mentre gli anelli oscillano e formano cuspidi. Ma le scale energetiche di queste onde erano per lo più impostate come gli oggetti formatisi nei primi istanti dell'universo. E LISA potrebbe rilevarli, se esistono.

Echi della creazione

Le onde gravitazionali che ci raggiungono dall’universo primordiale non arriveranno in cinguettii ben confezionati, come i segnali delle collisioni dei buchi neri. Poiché si sono verificati così presto nel tempo, tali segnali si sono poi estesi in tutto lo spazio. Echeggeranno da ogni direzione, da ogni punto dello spazio, tutto in una volta: un ronzio gravitazionale di sottofondo.

"Accendi il rilevatore ed è sempre lì", ha detto Garcia Garcia.

I modelli in questo contesto probabilmente “sembrerebbero semplicemente rumore alla persona media”, ha detto Sundrum. "Ma segretamente c'è un codice nascosto."

Un indizio importante sarà lo spettro del segnale di fondo, ovvero la sua forza alle diverse frequenze. Se pensiamo al segnale di un'onda gravitazionale come al suono, il suo spettro sarebbe un grafico di altezza rispetto a volume. Il rumore bianco veramente casuale avrebbe uno spettro piatto, ha detto Auclair. Ma le onde gravitazionali liberate durante le transizioni di fase o proiettate dalle stringhe cosmiche o dalle pareti dei domini sarebbero più forti a frequenze specifiche. Auclair ha lavorato sul calcolo delle firme spettrali delle stringhe cosmiche, che emettono onde gravitazionali a lunghezze d'onda caratteristiche quando le loro pieghe e i loro anelli si evolvono. E Caprini studi come le violente transizioni di fase lascerebbero il segno sullo sfondo delle onde gravitazionali.

Un altro approccio, quello di Sundrum e dei suoi colleghi delineato nel 2018 ed recentemente elaborato, sarebbe provare a mappare l'intensità complessiva dello sfondo nel cielo. Ciò renderebbe possibile cercare anisotropie o patch che sono solo leggermente più rumorose o più silenziose della media.

“Il problema – spiega Caprini – è che questo tipo di segnale ha praticamente le stesse caratteristiche del rumore strumentale. Quindi l’intera questione è come essere in grado di distinguerlo una volta rilevato qualcosa”.

LISA è più simile a un microfono che a un telescopio. Invece di guardare in una direzione particolare, ascolterà tutto il cielo contemporaneamente. Sentirà le onde gravitazionali primordiali se sono presenti. Ma sentirà anche i cinguettii e gli ululati della fusione dei buchi neri, delle stelle di neutroni e delle numerose coppie di stelle nane bianche nella nostra galassia. Affinché LISA possa rilevare uno sfondo di onde gravitazionali primordiali, tutti gli altri segnali dovranno essere attentamente identificati e rimossi. Filtrare il vero segnale proveniente dall'universo primordiale sarà come cogliere il suono di una brezza primaverile in un cantiere edile.

Ma Sundrum sceglie di essere fiducioso. "Non siamo pazzi a fare la ricerca", ha detto. “Sarà dura per gli sperimentali. Sarà difficile per il pubblico pagare per le varie cose che devono essere fatte. E sarà difficile per i teorici calcolare il modo di superare tutte le incertezze, gli errori, i retroscena e così via."

Tuttavia, ha aggiunto Sundrum, “sembra essere possibile. Con un po' di fortuna."