Accastampato n. 13

Novembre 2014

Numero 13

www.accatagliato.org

Il più grande spettacolo! dopo il Big Bang Guth e il mistero! dell’espansione “inflazionata” L’Universo è come un gigantesco casinò

Le onde gravitazionali

istituto dei sistemi complessi

ROMA

TRE

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI

La rivista e` disponibile on-line e come app per iPad e iPhone, e` navigabile sia da computer che da cellulare ed e` scaricabile nei formati PDF ed ePUB.

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Accastampato e` realizzato con il patrocinio del Dipartimento di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma, del CNR Istituto dei Sistemi Complessi (ISC), Unit`a Sapienza di Roma, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, del Dipartimento di Fisica dell’Universit`a Roma Tre, della Fondazione IDIS Citt`a della Scienza, dell’Associazione Romana per le Astroparticelle (ARAP) e la collaborazione della EPS Rome Young Minds Section e dell’Associazione Frascati Scienza.

i s t i t ut o de i s i s t e mi c ompl e s s i

ROMA

TRE

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI

Indice

num. 13, Novembre 2014

EDITORIALE

Le onde gravitazionali

Prima di tutto

di R. Marrocchio, D. Tartaglia Non solo liquidi e gas. Anche lo spazio-tempo pu`o vibrare producendo onde gravitazioni, che possono essere usate per guardare il cosmo profondo con nuovi occhiali e sotto un’inedita luce.

5 Un corso di scrittura giornalistica per studenti e giovani ricercatori organizzato da Accatagliato. L’annuncio della scoperta dell’eco dei primi vagiti dell’Universo da parte dell’esperimento BICEP2. Un tredicesimo numero di Accastampato ricco di sperimentazioni alla frontiera della fisica e della comunicazione della scienza.

Le inflazioni pericolose

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di M. Botticelli, F. D’Ambra, F. Mariani Di inflazione non ce n’`e solo una: dall’idea originaria di Alan Guth sono state formulate molte varianti, tutte in attesa di conferme sperimentali che sanciscano quali siano le pi`u promettenti e quali invece pericolosamente sbagliate.

IL RICERCATORE ROMANO

Il piu` grande spettacolo dopo il Big Bang 6 di V. Persichetti, G. Sestili Cinquant’anni fa veniva scoperta la radiazione cosmica di fondo. Oggi l’esperimento BICEP2 sembra avervi trovato la prova della teoria inflazionaria, di quel periodo di forte espansione dell’Universo immediatamente successivo al Big Bang. Ma i dubbi sono ancora tanti.

LE SPALLE DEI GIGANTI

Mai cos`ı prossimi al Big Bang

di V. Persichetti, G. Sestili Intervista a Paolo De Bernardis, astrofisico e docente presso l’Universit`a Sapienza di Roma, sull’avventura scientifica lunga un decennio di BICEP2.

ONDA LUNGA

Non infiammabile Il mistero dell’espansione inflazionaria dell’universo 10 di M. De Simoni, D. Giovagnoli Chi e` veramente Alan Guth, il padre della teoria dell’universo inflazionario, nonch´e vincitore nel 2005 del premio per la scrivania pi`u disordinata?

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di R. Paura Dopo poco pi`u di un anno dalla distruzione di Citt`a della Scienza di Napoli, il pi`u importante science centre italiano riparte con tante iniziative, grazie soprattutto al supporto dei cittadini e dei suoi visitatori.

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accastampato Rivista degli Studenti di Fisica di Roma www.accatagliato.org EDITORIALE R EDAZIONE redazione@accatagliato.org

Prima di tutto

Alessio Cimarelli

Mai cos`ı vicini a cogliere i primissimi segnali del Big Bang

Carlo Mancini

jenkin@accatagliato.org carlo@accatagliato.org

Nel mese di marzo 2014 sono avvenuti due eventi apparentemente molto diversi e distanti tra loro, ma che in questi mesi si sono intrecciati fino a produrre questo tredicesimo numero di Accastampato.

Venerd`ı 7 marzo ha preso il via il primo corso di scrittura scientifica divulgativa di Accatagliato, organizzato in collaborazione con la Rome EPS Young Minds Section, l’agenzia editoriale Formicablu srl e finanziato dalla European Physics Society. Luned`ı 17 marzo John Kovac, a capo dell’esperimento BICEP-2, annuncia al mondo la prima osservazione diretta delle tracce delle onde gravitazionali primordiali e del periodo inflativo post-Big Bang sulle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo.

Il corso, strutturato in quattro lezioni dal 7 al 21 marzo, ha visto la partecipazione di 22 studenti, tra laureandi, dottorandi e ricercatori post-doc. Tra loro 18 fisici, di cui due da astrofisica, due da geofisica e uno da storia e didattica della fisica, ma anche un ingegnere e un neuroscienziato. La sfida era portarli a confrontarsi con la scrittura giornalistica, insegnar loro i trucchi del mestiere per raccontare il proprio lavoro e i propri studi a un pubblico non specialistico, in particolare a giovani studenti delle superiori alle prese con la difficile scelta di dove andare all’universit`a una volta terminata la scuola.

A guidarli un quartetto d’eccezione: Nicola Nosengo, giornalista scientifico che collabora tra gli altri con Nature, The Economist e Wired, Giulia Bonelli, comunicatrice scientifica presso formicablu, Manuela Cirilli, ricercatrice in fisica delle particelle presso il CERN di Ginevra e membro del Knowledge Transfer Group, e Massimiliano Razzano, ricercatore presso l’Universit`a di Pisa e giornalista scientifico freelance. Il risultato di quelle tre settimane di corso, e delle altre che lo hanno seguito, lo avete davanti agli occhi: i nove nomi che vedete elencati qui accanto stanno per raccontarvi ci`o che e` accaduto quel 17 marzo scorso, presso la stazione Amundsen-Scott South Pole in Antartide. . .

Sono state davvero trovate delle tracce di onde gravitazionali nella radiazione cosmica di fondo? I segnali misurati da BICEP2 hanno davvero avuto origine durante il periodo di fortissima espansione dell’universo pochi istanti dopo il Big Bang, oppure sono solamente l’inganno di emissioni infrarosse di polveri spaziali? Valeria Persichetti e Giorgio Sestili ci descrivono tutti i dettagli di un esperimento progettato per spingere il nostro sguardo indietro nel tempo come mai prima, a un passo dal “pi`u grande spettacolo dopo il Big Bang”. E lo fanno tornando anche a quelle prime azzardate ipotesi di dieci anni fa, grazie alle parole e ai ricordi dell’astrofisico Paolo De Bernandis, presente durante il seminario in cui fu proposto l’esperimento BICEP nel 2003. Uno spettacolo che ha un regista: Alan Guth, il fisico teorico americano che nel 1980 propone la teoria dell’universo inflazionario, per spiegare in una volta sola ben quattro delicate questioni lasciate aperte dalla teoria classica del Big Bang. Micol De Simoni e Debora Giovagnoli ci presentano questo scienziato nel suo sforzo di decifrare il “mistero dell’espansione inflazionaria”. Uno spettacolo che ha degli attori protagonisti: sono la radiazione cosmica di fondo e le onde gravitazionali, la prima ben nota dalla storica scoperta di Penzias e Wilson negli anni ’60, le seconde previste nell’ambito della relativit`a generale di Einstein, ma mai rilevate sperimentalmente. Riccardo Marrocchio e Diana Tartaglia ci mostrano come anche lo spazio-tempo pu`o vibrare, tra palloncini di gomma e panettoni, in terra e nello spazio. E infine uno spettacolo che non ha ancora un epilogo: anche se la teoria dell’inflazione venisse definitivamente confermata dai dati sperimentali di BICEP e di altri esperimenti analoghi, le varianti ancora possibili sono molteplici. Sono Michela Botticelli, Francesco D’Ambra e Francesca Mariani che ci aiutano a destreggiarci tra universi eterni e universi ciclici, tra multiversi e “inflazioni pericolose”.

Ci teniamo anche a sottolineare il contributo di Roberto Paura, responsabile comunicazione della Citt`a della Scienza di Napoli, che, a un anno e mezzo dal rogo, ci racconta il grande sforzo della ricostruzione e le innumerevoli iniziative gi`a realizzate.

Ci teniamo infine a ringraziare ancora Manuela Cirilli e Massimiliano Razzano per il grande lavoro che hanno fatto, dando ai nostri autori e a noi della redazione dei preziosi consigli che hanno permesso di migliorare questo numero di accastampato.

Buona lettura!

Manuela Cirilli manuela.cirilli@cern.ch

Ilaria De Angelis ilaria@accatagliato.org

Roberto Garra roberto@accatagliato.org

Kristian A. Gervasi Vidal krisgerv@accatagliato.org

Niccol`o Loret niccolo@accatagliato.org

Isabella Malacari isabella@accatagliato.org

Massimo Margotti massimo@accatagliato.org

Silvia Mariani shyka@accatagliato.org

Angela Mecca lela@accatagliato.org

Martina Pugliese m.letitbe@gmail.com

C OMMISSIONE SCIENTIFICA Giorgio Parisi Giovanni Battimelli Fabio Bellini Lara Benfatto Stefano Bianchi Giulia De Bonis Riccardo Faccini Francesco Piacentini Luciano Pietronero Antonio Polimeni Antonello Polosa Maria Antonietta Ricci H ANNO CONTRIBUITO M. De Simoni, D. Giovagnoli, M. Botticelli, F. D’Ambra, F. Mariani, R. Paura, V. Persichetti, G. Sestili, R. Marrocchio, D. Tartaglia.

C ON LA COLLABORAZIONE DI EPS Rome Young Minds Section Frascati Scienza C ON IL PATROCINIO DI Dipartimento di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma Istituto dei Sistemi Complessi CNRISC, Sezione Sapienza di Roma Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Dipartimento di Fisica dell’Universit`a Roma Tre Fondazione IDIS Citt`a della Scienza Associazione Romana per le Astroparticelle

accastampato num. 13, Novembre 2014 S I RINGRAZIANO ANCHE Donald E. Knuth, Leslie Lamport, il TEX Users Group (www.tug.org) e Gianluca Pignalberi

Il piu` grande spettacolo dopo il Big Bang Tracce delle onde gravitazionali nella radiazione cosmica di fondo?

Valeria Persichetti, Giorgio Sestili (Universit`a Sapienza di Roma) ontea di Monmouth, New Jersey, 1964. Arno Penzias e Robert Wilson sono alle prese con una coppia di piccioni che, come luogo per costruire il proprio nido, ha scelto proprio l’antenna del loro esperimento. Ben presto per`o, i due giovani fisici dei Bell Laboratories si accorgono che il frusc`ıo rilevato dalla loro apparecchiatura non e` dovuto ai nuovi inquilini dell’antenna n´e a un rumore di fondo. Si tratta di qualcosa di molto pi`u importante: il primo segnale elettromagnetico dell’universo, la radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Background o CMB), risalente a 380 mila anni dopo il Big Bang. Se paragonassimo tutta la vita dell’universo (13,7 miliardi di anni) a una giornata, la CMB apparirebbe due secondi dopo la mezzanotte. Nel 1978 la scoperta della CMB vale a Penzias e Wilson il premio Nobel.

C

Universit`a di Harvard, Massachusetts, 2014. Esattamente cinquant’anni dopo la prima rilevazione della CMB, una misura potrebbe anticipare il limite temporale di ci`o che e` osservabile, portandolo praticamente alla nascita dell’universo. Infatti, sono stati rilevati segnali compatibili con eventuali tracce di onde gravitazionali dovute all’espansione accelerata (inflazione) dell’universo nei suoi primi istanti. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo, previste dalla Relativit`a Generale di Einstein, ma mai osservate direttamente. A darne la notizia e` John Kovac, capo dell’esperimento BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), il quale la definisce come la smoking gun signature of inflation - letteralmente la pistola fumante, espressione con cui gli inglesi indicano una prova certa dell’inflazione.

Un risultato davvero sensazionale?

Innanzitutto, come gi`a accennato prima, questa osservazione ci proietterebbe per la prima volta a un passo dal Big Bang, precisamente a 10−37 secondi (un numero piccolissimo, con 36 zeri dopo la virgola) dopo l’evento che ha dato origine all’universo.

Secondo il modello dell’inflazione, da questo preciso istante e per un intervallo di tempo brevissimo, il Cosmo avrebbe sub`ıto un’espansione esponenziale. Ci`o significa che, in un lampo, l’universo si sarebbe gonfiato di un fattore 1030 , cio`e un 1 seguito da 30 zeri. Proprio come un panettone che lievita, l’universo si sarebbe espanso in modo uniforme in tutte le direzioni ed e` per questo che oggi ci appare quasi perfettamente omogeneo. Attenzione, abbiamo detto quasi. Infatti, fin dai primi anni ’90, il satellite COBE (COsmic Background Explorer) prima, e pi`u tardi esperimenti con palloni d’alta quota come Boomerang e missioni spaziali quali WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) e Planck, hanno rilevato piccolissime fluttuazioni di temperatura nella radiazione cosmica di fondo che indicano regioni di diversa densit`a (e quindi anisotropie). Quelle a densit`a maggiore, avendo un’attrazione gravitazionale pi`u grande, hanno inglobato la materia circostante fino a formare le stelle e i pianeti come li vediamo adesso. Per riprendere l’analogia del panettone, le galassie nell’universo in espansione, come le uvette, vengono trascinate a distanze crescenti man mano che il dolce in forno si gonfia. La teoria dell’inflazione prevede dunque la presenza, finora mai rilevata sperimentalmente, dell’impronta lasciata dalle onde gravitazionali sulla radiazione cosmica di fondo. Il team di BICEP2 l’avrebbe trovata proprio nella polarizzazione della CMB. I suoi poco energetici fotoni, liberati nel momento in cui l’universo divenne trasparente alla radiazione, interagendo con la materia hanno acquisito una polarizzazione, cos`ı come avviene per ogni onda luminosa. Gli occhiali 3D che indossiamo al cinema sfruttano proprio questo fenomeno: le due lenti hanno filtri che selezionano una delle due possibili polarit`a della luce1 , in modo da discriminare le immagini prese da due punti di vista diversi e poi proiettate sullo schermo. BICEP2 e` stato realizzato per studiare la polarizzazione del fondo cosmico. L’esperimento ha ottenuto una mappa formata da piccoli segmenti di linea in ogni punto del cielo. Si distinguono due componenti: i modi E, dovuti principal1

Figura 1 – Il telescopio BICEP2 presso la Amundsen-Scott South Pole Station. Credits: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

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La radiazione elettromagnetica pu`o essere polarizzata in quattro modi ma solo due sono indipendenti, ovvero uno stato di polarizzazione della luce pu`o essere sempre espresso con una qualsiasi coppia di modi.

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IL RICERCATORE ROMANO

mente a a variazioni di densit`a, e i modi B, che si generano solo in presenza di onde gravitazionali, che nella Figura 2 sono quei piccoli vortici intorno alle zone colorate, chiamati riccioli. Nel marzo 2014 BICEP2 ha annunciato non solo di aver osservato i modi B, ma anche che la loro intensit`a sembra essere pi`u alta di quanto previsto: il rapporto r (tra il contributo dei modi B ed E ) trovato risulta essere pari a 0,2, circa il doppio del segnale previsto da precedenti stime, mentre esperimenti precedenti, come WMAP e BICEP1, erano riusciti solamente ad escludere valori superiori a 0,7.

Figura 3 – I 512 rivelatori nel piano focale di BICEP2 sistemati su un wafer di Silicio. Credits: BICEP2 COLLABORATION.

Il cielo sopra l’Antartide Per capire come sia stato possibile effettuare questa misura, dobbiamo trasferirci tra i ghiacci dell’Antartide, precisamente presso la Amundsen-Scott South Pole Station: qui, per tre anni consecutivi, e` stata osservata una porzione di cielo con un telescopio di 26 cm di diametro, ottimizzato per osservazioni nella regione delle microonde, con una risoluzione angolare di 0,5 gradi e una copertura angolare utile di circa 30 gradi per 15 (come si vede dalla figura 2).

La scelta del Polo Sud, come sito in cui svolgere l’esperimento, presenta due evidenti vantaggi: l’aria secca antartica favorisce le osservazioni con telescopi radio e infrarossi, sensibili all’umidit`a che pu`o assorbire e riemettere il segnale causando interferenze, mentre la durata di un giorno polare (circa 6 mesi) offre condizioni climatiche particolarmente stabili. BICEP2 e` nato da una collaborazione tra istituzioni scientifiche statunitensi ed e` stato finanziato principalmente dalla National Science Foundation (NSF), che gestisce anche la stazione antartica. Non sono mancati, per`o, finanziamenti da parte di altri importanti enti, tra cui la NASA, che hanno permesso di sfruttare tecnologie avanzatissime: ne sono un esempio i 512 rilevatori assemblati nel piano focale del telescopio e raffreddati fino a 0, 27 K. La portata potenziale dei risultati di BICEP2 e` tanto grande da aver suscitato, fin da poche ore dopo l’annuncio, molti commenti,

alcuni anche parecchio critici; il primo a mettere in discussione le dichiarazioni fatte ad Harvard e` stato il fisico delle particelle Adam Falkowski dal suo blog Resonances, che ha affermato che il risultato di BICEP2 “non pu`o essere preso per oro colato”. Le sue parole sono state poi riportate da importanti riviste, come il Washington Post e Science, che hanno dedicato articoli sull’attendibilit`a delle conclusioni di BICEP2. Uno dei primi punti da chiarire e` questo: siamo sicuri che il segnale in polarizzazione rilevato sia attribuibile esclusivamente alle onde gravitazionali? O, invece, pu`o aver subito contaminazioni? E se s`ı, in che misura? il segnale, ad esempio, potrebbe essere frutto della contaminazione dell’emissione infrarossa delle polveri che contornano le galassie, compresa quella in cui ci troviamo. Tutte le polveri, infatti, assorbono la luce emessa dagli astri, riemettendo radiazione infrarossa, come in un effetto serra galattico a bassa intensit`a. Questa radiazione e` composta da radiazioni polarizzate a bassa frequenza, specialmente nel campo delle microonde e potrebbe, quindi, presentare tracce dei fantomatici modi B, il che rappresenta un ulteriore problema per il team di BICEP2. La prima stima del rumore di fondo dell’esperimento era stata, inizialmente realizzata a partire da risultati preliminari della missione satellitare Planck, dai quali, per`o, non era ancora stato sottratto il contributo dovuto al cosiddetto Cosmic Infrared Background o CIB.

L’infrarosso del fondo cosmico

Figura 2 – In evidenza la sezione di cielo osservata dall’esperimento BICEP2.

La CIB e` una radiazione elettromagnetica a bassa frequenza che permea l’Universo, originata per lo pi`u da fenomeni sia nucleari che gravitazionali. Si capisce, quindi, come questa possa essere una difficolt`a in pi`u nell’analisi dei dati di BICEP2: la squadra di Kovac ha scelto di osservare una zona di cielo, detta Southern Hole,in cui non sono presenti corpi celesti troppo luminosi che possano emettere questa fastidiosa radiazione. Considerando il problema pi`u attentamente, per`o, si deve tener conto che circa il 20% del fondo infrarosso e` dovuto, appunto, alle emissioni delle polveri diffuse nei dintorni delle galassie: perch´e la nostra dovrebbe far eccezione? In conclusione quindi, la squadra di BICEP2, in considerazione di quest’effetto, ha recentemente dichia-

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IL RICERCATORE ROMANO

rato (nella versione finale del loro articolo pubblicato su Physical Review Letters) di non poter escludere con sicurezza che il segnale da loro misurato sia originato da queste polveri. Nel frattempo la missione satellitare Planck ha rilasciato ad ottobre 2014 la versione definitiva della mappa del fondo, dalla quale si evince che un eventuale segnale emesso dall’interazione onde gravitazionali/materia nel periodo della ricombinazione 13,8 miliardi di anni fa, potrebbe non essere distinguibile dalle emissioni di modi B delle polveri. Per ottenere dati pi`u affidabili sar`a necessario, quindi, eseguire misure anche a frequenze diverse dai 150 GHz a cui lavora BICEP2, per avere un quadro pi`u dettagliato dei singoli contributi alla polarizzazione e per scoprire quanto contino davvero le onde gravitazionali. Inoltre bisogner`a lavorare molto sulla presenza di eventuali errori sistematici, che inizialmente potrebbero non essere stati calcolati, e che potrebbero aver influenzato la misura.

tiversi. Questa teoria prevede che il nostro universo non sia che una di tante ”bolle”, ognuna delle quali generata da un Big Bang e successivamente gonfiatasi tramite un processo inflazionario. Il Big Bang e l’inflazione non sarebbero dunque eventi unici, bens`ı riproducibili in eterno; e ogni volta che accadono eventi di questo tipo, si genera una nuova bolla, dunque un nuovo universo, che vive in una dimensione spazio-temporale propria, parallela (o almeno cos`ı sembra) agli altri universi, compreso il nostro. Come sempre avviene in ambito scientifico, quando si e` di fronte a una scoperta che potrebbe rivelarsi epocale, gli scenari futuri diventano immensi e imprevedibili. Alla domanda provocatoria “Quanto lontano possiamo vedere?” che Andrew Lange, leader dell’esperimento BICEP, scomparso quattro anni fa, spesso poneva, oggi John Kovac risponde cos`ı: “Molto pi`u indietro di quanto una volta avremmo osato immaginare” anche se, a quanto pare, ci serviranno occhiali migliori.

Quanto lontano possiamo vedere?

Bibliografia

Quel che e` certo e` che, se in qualche modo le misure di BICEP2 venissero avvalorate da studi futuri, allora si potrebbe parlare di evidenza sperimentale della teoria dell’inflazione cosmica. Ma non solo. Lo studio del segnale prodotto dalle onde gravitazionali aprirebbe a quel punto nuovi scenari per la fisica delle alte energie (stiamo parlando di energie di 1025 eV, mentre LHC, l’acceleratore terrestre a pi`u alta energia attualmente in funzione e situato presso i Laboratori del CERN, raggiunge energie di 1013 eV) e per lo studio della gravit`a quantistica, ovvero la teoria che da tempo cerca di mettere insieme, all’interno di un quadro coerente, la relativit`a generale con la meccanica quantistica. Ma non e` finita qui. L’eventuale conferma della teoria inflazionaria aprirebbe nuovi scenari riguardanti lo studio dell’ipotesi dei mul-

[1] Ade P. et al. Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2. In Phys.Rev.Lett., vol. 112 (2014) [2] Wall M. Confirming the Big Bang’s Inflation: Q&A with Study Leader John Kovac URL http://goo.gl/6yw1sY BICEP2 2014 Release FAQ: bicepkeck.org/faq.html.

Commenti on-line: http://www.accastampato.it/ 2014/11/bicep2_it/

Sull’autore

Figura 4 – La mappa preliminare del fondo rilasciata dall’esperimento Planck nel 2013. Notare in alto a sinistra la dicitura ”not CIB subtracted”.

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Valeria Persichetti (valeria. persichetti@hotmail.it) e` laureanda in Ingegneria Chimica all’Universit`a Sapienza di Roma, con specializzazione in Materiali. Appassionata di letteratura scientifica, si e` di recente interessata al giornalismo.

Giorgio Sestili (giorgio.sestili@ gmail.com) si e` appena laureato in Fisica all’Universit`a Sapienza di Roma. Specializzato in Storia della Fisica, condivide questa sua passione attraverso il blog “Eppur si muove” (http://giorgiosestili.blogspot.it/).

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Alan Guth e il mistero dell’espansione inflazionaria Cosa e` davvero successo all’Universo subito dopo il Big Bang?

Micol De Simoni, Debora Giovagnoli (Universit`a Sapienza di Roma) It is often said that you can’t get something for nothing.

But the universe may be the ultimate free lunch.

(Alan Guth) illenovecentottanta: Alan Guth (Stanford, California) e Alexei Starobinski (Mosca, Russia), pur con l’oceano a separarli e con la scarsa comunicazione internazionale dell’epoca, hanno la medesima intuizione sull’idea dell’universo inflazionario. Ed e` solo la prontezza di Guth nella pubblicazione della teoria che gli permette di esserne considerato il padre.

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Chi e` Alan Guth?

Classe ’47, laurea al MIT (Massachussetts Institute of Technology) a 22 anni. Nel ’72 ottiene una borsa di dottorato nella stessa universit`a, ma anche un genio della fisica pu`o avere gli stessi problemi di molti altri giovani nel trovare un lavoro stabile: Guth vive negli anni del cosiddetto periodo degli scolari persi in cui, negli Stati Uniti, si hanno troppi laureati in materie scientifiche e poche domande di lavoro come assistenti ai professori . Ci`o nonostante, riesce a trovare un posto presso l’IAS (Istituto di Studi Avanzati) di Princeton per lo studio dei quark, le particelle che costituiscono protoni e neutroni. Bench´e sia diventato famoso per una teoria nel campo della cosmologia, Guth infatti inizia il suo percorso lavorativo come fisico delle particelle. La sua passione sta nell’infinitamente piccolo, che pu`o essere investigato solo spingendosi nell’infinitamente lontano, tornando indietro fino ai primi attimi dopo il Big Bang: circa 10−37 secondi dopo l’esplosione avvenuta quasi 14 miliardi di anni fa, proprio quel che si dice una frazione infinitesima di secondo dopo la nascita dell’Universo.

Oggi professore di Fisica presso lo stesso MIT, autore di 60 pubblicazioni riguardanti l’inflazione e la sua interazione con la fisica delle particelle, Alan Guth si e` aggiudicato premi e riconoscimenti da ogni parte del mondo. Uno in particolare spicca tra tutti in quanto a prima vista sembra avere poco a che fare con la fisica: il premio per la scrivania pi`u disordinata del 2005, offerto dal Boston Globe. Che Guth abbia forse deciso di prendere alla lettera Oscar Wilde, quando diceva che “una scrivania ordinata e` sinonimo di una mente malata”? O piuttosto i suoi colleghi, stanchi della situazione caotica, hanno deciso di svergognarlo pubblicamente per farlo ravvedere? Fatto sta che tra la medaglia del centro di Fisica teorica di Trieste, l’Eddington Medal e l’Isaac Newton Medal, una medaglia al caos ci sta a pennello.

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La genesi della teoria inflazionaria La teoria che ha reso celebre Guth riguarda l’espansione straordinaria che sarebbe avvenuta negli istanti successivi al Big Bang che avrebbe permesso all’Universo di allargarsi in ogni direzione cos`ı velocemente da mantenere una certa omogeneit`a: si tratta della teoria dell’Universo inflazionario, appunto.

Secondo la comunit`a scientifica dei paesi del blocco occidentale fu Guth a presentarla ufficialmente il 23 gennaio 1980 durante una conferenza tenuta presso lo SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), mentre per il mondo scientifico sovietico e` stato Starobinski a parlarne per primo, ma solamente in maniera ufficiosa, senza alcuna pubblicazione. In seguito a quella storica conferenza Guth ebbe modo di confrontarsi con colleghi di tutto il mondo per sviluppare meglio la teoria: uno di questi in particolare fu Andrei Linde, un fisico moscovita con il quale ha continuato a lavorare fianco a fianco fino a oggi e con il quale ha condiviso nel 2004 il Premio Cosmologico Gruber, quasi un Nobel della Cosmologia. E con lui ha condiviso in questi mesi anche l’entusiasmo per le possibili implicazioni delle misure ottenute dall’esperimento BICEP2.

Sono stati infatti i membri di questo esperimento, capitanati dal-

Figura 1 – L’espansione dell’Universo dal Big Bang a oggi. Credits: fas.org.

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IL RICERCATORE ROMANO

l’astronomo americano John Kovac, ad individuare per primi, il 17 marzo scorso, nella CMB (Cosmic Microwave Background) o radiazione cosmica di fondo, considerata l’eco del Big Bang, la presenza di modi B interpretabile come interazione della materia con onde gravitazionali che potrebbe dare supporto alla teoria dell’Universo inflazionario.

prezzo dei beni era salito sopra al limite massimo del portafoglio dei consumatori, cos`ı anche la velocit`a di espansione dopo il Big Bang aveva superato il limite massimo delle velocit`a, la velocit`a della luce.

In cosa consiste la teoria dell’universo inflazionario?

[3] Oerter R. La teoria del quasi tutto. Codice Edizioni (2006) [4] Bernardis P.D. Introduzione all’astrofisica (2013) [5] Balbi A. L’Universo senza inizio di Einstein. In Il Post (feb.

2014). URL http://www.ilpost.it/amedeobalbi/ 2014/02/26/luniverso-senza-inizio-einstein [6] Ferrari V. e Gualtieri L. General Relativity (2011)

Da sempre gli astrofisici, osservando e analizzando lo spazio in cui viviamo, hanno notato quanto l’Universo appaia omogeneo: galassie distribuite uniformemente, densit`a di materia, energia, elementi chimici, persino le leggi fisiche uguali in punti lontanissimi tra loro. Come fanno punti dello spazio, separati da una distanza superiore a quella che la luce ha percorso dal Big Bang ad oggi, ad avere le stesse caratteristiche? E` qui che si inserisce la teoria dell’espansione inflazionaria.

Bibliografia

Commenti on-line: http://www.accastampato.it/ 2014/11/alan-guth_it/

Immaginate di avere un palloncino su cui disegnate con un pennarello tanti puntini. Gonfiando il palloncino noterete che i punti si allargano insieme allo spazio che li divide, ma rimangono comunque alla stessa distanza tra loro e mantengono la loro forma tondeggiante. Questo e` a grandi linee quello che sarebbe successo al nostro Universo quando e` nato: l’esplosione che lo avrebbe generato sarebbe stata seguita da un’espansione violentissima, che ne avrebbe mantenuto le caratteristiche uniformi nello spazio.

Come potrebbe accadere un evento simile? Pensate di avere tutto ci`o che vi circonda (la mamma, l’armadio, l’Italia, la Terra, ecc.) condensato in una stanza piccolissima e senza finestre. E` facile capire che a causa del sovraffollamento la temperatura all’interno sia invivibilmente alta e che ci sia una certa disomogeneit`a, come se il gomito della mamma non si incastrasse bene con la Sicilia.

Immaginate ora di passare dalle dimensioni della stanza a quelle dell’Universo odierno in un centesimo di secondo: qualsiasi disomogeneit`a nella temperatura e nella densit`a del sistema iniziale sarebbe stata dilatata con l’espansione. Un ulteriore effetto dell’espansione sarebbe stato inoltre lo schiacciamento della curvatura dello spazio. Pensiamo per esempio che sul nostro palloncino si sia una piccola ruga. Questa anomalia diventerebbe man mano pi`u evidente se gonfiassimo pian piano il nostro palloncino. Una espansione pi`u rapida, invece, non darebbe modo alla rughetta di espandersi.

Fu questo che Guth port`o di fronte ai colleghi nel 1980 nel suo lavoro The Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problems (“L’universo inflazionario: una possibile soluzione al problema dell’orizzonte e della piattezza”): una teoria nuova, capace di fare luce su molti dei misteri cosmologici dell’epoca, la teoria dell’Universo inflazionario. Il riferimento e` chiaramente all’inflazione economica che in quegli anni stava colpendo duramente gli Stati Uniti e l’Europa. Come in economia il

Sull’autore Micol De Simoni (desimonimicol@ gmail.com) e` nata a Roma il 29 Aprile 1992 e cresciuta a Latina. Frequenta la facolt`a di fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma, presso la quale e` laureanda.

Debora Giovagnoli (debora.giovagnoli@gmail. com) e` nata il 14 febbraio 1992 a Roma, dove vive tuttora.

Dopo aver frequentato il liceo scientifico Isacco Newton si e` iscritta alla facolt`a di fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma, presso la quale e` laureanda.

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Le onde gravitazionali Quando anche lo spazio-tempo si mette a vibrare Riccardo Marrocchio, Diana Tartaglia (Universit`a Sapienza di Roma)

mmaginate qualcosa di molto denso. Il traffico in citt`a il venerd`ı all’ora di punta? Ancora di pi`u. Il minestrone di verdure che vi cucinava mamma da piccoli perch´e “fa bene”? Non proprio. Provate a pensare che una cucchiaiata di quel minestrone pesi un milione di milioni di tonnellate, il che tradotto in chilogrammi e` un numero a 16 zeri. Allora s`ı che avremmo raggiunto una densit`a ragionevole. . . per una stella di neutroni! Nel caso specifico gli ingredienti principali del minestrone sono neutroni (particelle che compongono gli atomi) e un qualcos’altro ancora non bene identificato, tutto ammassato in uno spazio molto piccolo. Una stella di neutroni media, infatti, ha la stessa quantit`a di massa del nostro Sole, concentrata in una palla di 20 km di raggio (quello del Sole e` 35 mila volte pi`u grande).

Quello che possono rivelarci questi corpi celesti, per`o pu`o essere ancora pi`u interessante.

I

La teoria della relativit`a generale di Einstein prevede che lo spazio-tempo in cui si trova la Terra sia continuamente perturbato da onde gravitazionali generate da qualsiasi corpo in moto dotato di massa. Tuttavia questo non e` un effetto di cui abbiamo un’esperienza quotidiana perch´e le masse e le velocit`a degli oggetti comuni sono troppo piccole per generare un’onda gravitazionale abbastanza intensa da essere rivelata anche dagli strumenti pi`u sensibili. Infatti ci si aspetta che la prima misura diretta di un’onda gravitazionale sar`a collegata a corpi celesti estremamente massivi, molto pi`u del Sole, che ha una massa di circa 1030 kg (circa 330 mila volte la massa della Terra), e con velocit`a molto prossime a quella della luce, pari a circa 300 mila km/s. Ed e` proprio qui che le stelle di neutroni diventano necessarie. Grazie alla loro massa, infatti, sono i candidati pi`u probabili a generare onde gravitazionali osservabili dalla Terra. Riuscire a provare l’esistenza delle onde gravitazionali servirebbe inoltre a confermare una volta di pi`u l’idea di Einstein che nessun segnale si pu`o propagare con una velocit`a maggiore di quella della luce (300 mila chilometri al secondo), che e` in contrasto con la teoria di Newton, secondo la quale la gravit`a, come le altre interazioni a distanza, e` trasmessa istantaneamente. Bench´e i primi strumenti per rivelare direttamente le onde gravitazionali risalgano ai primi anni ’60, ancora oggi nessuno ha avuto il piacere di poter affermare di essere riuscito a effettuare la misura. Ma i fisici non demordono e continuano a progettare nuovi esperimenti sempre pi`u precisi, come LISA. Le onde gravitazionali ci permetterebbero di avere una visione dell’universo completamente nuova. Fino agli anni ’30 potevamo osservare il cielo solo nelle lunghezze d’onda del visibile; grazie 12

agli sviluppi degli anni successivi si e` riusciti a estendere l’osservazione a tutto lo spettro elettromagnetico (raggi X, infrarossi, ultravioletto, radio, ecc.). Ogni lunghezza d’onda d`a un’informazione diversa sull’universo e sui suoi componenti. In tal senso ci si aspetta che le onde gravitazionali rivoluzionino la nostra visione dell’universo.

Come le onde gravitazionali modificano lo spazio-tempo Nonostante possa sembrare fuori dal comune, un’onda gravitazionale e` pur sempre un’onda e segue delle regole ben precise che l’accomunano a tutti i fenomeni del suo genere. Le onde che ci sono pi`u familiari sono quelle del mare, ma in realt`a tanti altri fenomeni hanno una natura ondulatoria: se potessimo distinguere le creste della luce visibile, ci accorgeremmo che anche questa e` un’onda, con tutte le caratteristiche a essa associate. Ci`o che distingue un tipo di onda dall’altra, nello spettro elettromagnetico, e` la frequenza (numero di volte che un’onda si ripete uguale a se stessa) e quindi l’energia associata. Per esempio i raggi X, che hanno un’alta energia, hanno una lunghezza d’onda molto piccola, circa 10−10 metri e di conseguenza una frequenza molto alta.

Le onde radio, invece, hanno un’onda lunga fino a 100 metri e perci`o una bassa frequenza.

Per capire come le onde gravitazionali modificano lo spaziotempo, consideriamo un tubo a sezione circolare (cfr. Figura 1).

Se un’onda gravitazionale si propagasse lungo il tubo nella direzione della sua lunghezza, vedremmo la sua sezione diventare un’ellisse con gli assi maggiore e minore che differiscono dall’originale raggio della sezione circolare della stessa quantit`a. Dopo un mezzo periodo l’asse maggiore diventer`a l’asse minore e cos`ı via, in maniera continua e periodica. Per cui dall’esterno vedremmo la superficie del tubo deformarsi come un’onda. Consideriamo ora come esempio un quartiere con un insieme di casette alla stessa distanza l’una dall’altra e supponiamo che il quartiere venga attraversato perpendicolarmente da un’onda gravitazionale. Man mano che l’onda attraversa il quartiere, in una direzione (per esempio nord-sud) la distanza aumenta di una quantit`a pari all’ampiezza dell’onda gravitazionale e diminuisce dello stesso fattore nella direzione perpendicolare, est-ovest. Trattandosi di un’onda, questo effetto di contrazione e dilatazione delle distanze e` continuo e periodico.

Per comprendere il meccanismo di generazione delle onde gravitazionali possiamo fare un’analogia con le onde elettromagneti-

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distanza tra gli oggetti di solo 1 parte su 1040 . Un cambiamento troppo piccolo per gli attuali strumenti di misura.

Segnali gravitazionali dal Big Bang

Figura 1 – Direzioni di contrazione ed espansione dello spazio-tempo al passaggio di un’onda gravitazionale.

che. Un oggetto fermo dotato di carica elettrica genera un campo elettrostatico, che attrae o respinge qualsiasi altro corpo dotato di carica. Se la carica e` in movimento genera un’onda elettromagnetica (come un’onda radio) con un’intensit`a che e` direttamente proporzionale alla carica e all’accelerazione. In maniera analoga un corpo fermo dotato di massa genera un campo gravitazionale e gli altri oggetti massivi sono attratti da esso. Se l’oggetto e` in movimento generer`a un’onda gravitazionale. Secondo la terza legge di Newton, per`o, a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria per cui, se consideriamo un oggetto isolato in moto, le onde da esso emesse saranno cancellate da quelle emesse da un oggetto che rincula. Questa cancellazione per`o non e` perfetta perch´e gli oggetti non occupano la stessa posizione. Allora l’intensit`a delle onde gravitazionali che sono generate da un oggetto dipendono dalla disomogeneit`a della distribuzione della sua massa. Per esempio un pallone da calcio perfettamente sferico non presenta disomogeneit`a mentre un pallone da football americano s`ı. Le onde gravitazionali vengono emesse quando si ha un rapido cambiamento nella distribuzione di massa dell’oggetto. Ma le masse e le velocit`a in gioco devono essere grandissime: una sbarra di ferro di 500 tonnellate che ruota tanto velocemente da spezzarsi generer`a onde gravitazionali tali da modificare la

La Figura 2 mostra l’immagine a oggi pi`u precisa della radiazione cosmica di fondo (o CMB, dall’inglese Cosmic Microwave Background), la luce pi`u antica dell’universo, sprigionata dal plasma primordiale 380 mila anni dopo il Big Bang. L’et`a attuale dell’universo e` di circa 13,8 miliardi di anni. A confronto con un novantenne, e` come se all’apparizione della CMB l’universo fosse un bambino appena nato con sole 21 ore di vita. Sarebbe possibile ottenere una foto di questo bambino poche ore o anche pochi minuti dopo la nascita? Purtroppo no, perch´e nei suoi primi 380 mila anni l’universo era opaco alla radiazione elettromagnetica. Questo significa che i fotoni – le particelle che costituiscono la luce – non erano liberi di propagarsi nello spazio, perch´e la densit`a di materia era talmente alta che venivano assorbiti continuamente dagli elettroni allora presenti. Col passare del tempo l’universo si espanse e si raffredd`o abbastanza da permettere agli elettroni di legarsi ai protoni formando atomi di idrogeno, elettricamente neutri, per cui i fotoni si ritrovarono liberi di propagarsi nello spazio e viaggiare praticamente indisturbati fino a oggi e fino a noi. Tuttavia non siamo in grado di vedere questa luce a occhio nudo perch´e, anche se all’inizio i fotoni avevano una lunghezza d’onda nel visibile, con l’espansione dell’universo tale lunghezza e` aumentata fino a ricadere nell’intervallo delle microonde. Sono allora necessari telescopi sensibili a tali lunghezze d’onda per osservare questa luce primordiale dell’universo. I primi a osservare la CMB furono Penzias e Wilson nel 1964 con un’antenna dei Bell Laboratories, in America. In particolare misurarono la temperatura della CMB, che e` inversamente proporzionale alla sua lunghezza d’onda.

Dalle loro misure, la temperatura era indipendente dal punto del cielo osservato. Gli astrofisici si chiesero se, con strumenti pi`u

Figura 2 – Mappa della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo. Credits: BICEP2 COLLABORATION.

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Figura 3 – Rappresentazione della formazione di modi E e B dall’interazione del plasma con fotoni e onde gravitazionali primordiali.

precisi, non avrebbero osservato variazioni di temperatura in funzione della direzione. Il primo strumento a rilevare tali variazioni, dell’ordine di una parte su 100 mila rispetto alla temperatura media, fu lo spettrometro FIRAS ospitato dal satellite COBE (COsmic Background Explorer: esploratore del fondo cosmico) lanciato dalla NASA nel 1989. Esperimenti successivi permisero misure sempre pi`u precise finch´e il satellite Planck, nel 2013, ha ottenuto l’immagine in Figura 2. Le zone blu hanno una temperatura pi`u alta rispetto alla temperatura media della CMB, le zone rosse una temperatura pi`u bassa. Queste variazioni sono dovute alle disomogeneit`a del plasma primordiale che formarono poi, per attrazione gravitazionale, le stelle, le galassie e le varie strutture che oggi osserviamo.

Il fatto che queste disomogeneit`a siano solo dell’ordine di uno su 100 mila indica che, 380 mila anni dopo il Big Bang, le varie zone del plasma erano caratterizzate da una temperatura praticamente identica. Ci`o rappresenta un problema perch´e implicherebbe particolarissime condizioni di omogeneit`a nei primissimi momenti dell’universo. Per dare una spiegazione a questo fatto e risolvere altri problemi insiti nella teoria del Big Bang, negli anni ’80 del secolo scorso il fisico americano Alan Guth propose la teoria dell’inflazione, secondo la quale 10−38 secondi dopo il Big Bang l’universo sub`ı un’espansione di durata estremamente breve (un millesimo di secondo), ma talmente accelerata da annullare qualsiasi importante disomogeneit`a iniziale. Per trovare conferme sperimentali a tale teoria dobbiamo studiare l’universo nei suoi primi istanti, molto prima dei 380 mila anni dopo il Big Bang. Abbiamo visto per`o che non possiamo ricevere luce 14

prima di questo periodo perch´e i fotoni erano bloccati dagli elettroni. Nella teoria dell’inflazione, la violenta espansione iniziale genera onde gravitazionali che da allora si sarebbero propagate nell’universo deformando lo spazio-tempo. Rilevare direttamente tali onde non sarebbe possibile in quanto estremamente deboli, dato che con l’espansione dell’universo la loro lunghezza d’onda sarebbe passata dal centimetro a 1028 cm. Potremmo, per`o, rilevarle indirettamente grazie agli effetti sulla radiazione cosmica di fondo. Durante i 380 mila anni che vanno dal Big Bang all’emissione della CMB, le onde gravitazionali avrebbero, infatti, alternativamente compresso e dilatato il plasma. Questi movimenti determinano, per effetto Doppler, delle variazioni nella temperatura della CMB perch´e il plasma, contraendosi ed espandendosi, si allontana e si avvicina alla zona di universo che successivamente ospiter`a la nostra galassia. Infatti, per effetto Doppler – valido per tutti i fenomeni ondulatori e quindi anche per le onde elettromagnetiche – se la sorgente della radiazione si allontana da noi la lunghezza d’onda corrispondente apparir`a pi`u breve mentre se si avvicina a noi apparir`a pi`u piccola. Una lunghezza d’onda inferiore corrisponde a una temperatura maggiore. Viceversa, se un’onda gravitazionale avesse contratto una regione di plasma allontanandola da noi quando la CMB e` stata emessa, la lunghezza d’onda della radiazione apparirebbe pi`u lunga e dunque la temperatura minore. Ricordando che le regioni blu sono quelle pi`u calde mentre quelle rosse sono pi`u fredde, guardando il pattern caratteristico di queste zone gli scienziati possono determinare il moto del plasma indotto dalle onde gravitazionali. Anche le disomogeneit`a nella distribuzione della massa del plasma determinano variazioni di temperatura nella CMB. Come distinguere i due effetti? Guardando alla polarizzazione della luce ovvero alla direzione di oscillazione del campo elettrico. Se rappresentiamo la polarizzazione della CMB con segmenti che indicano l’orientazione del campo elettrico in una particolare zona di cielo, abbiamo che le disomogeneit`a del plasma producono due tipi di polarizzazione: ad anello (a sinistra) o radiale (a destra).

Le onde gravitazionali, invece, producono due tipi diversi di polarizzazione: destrorsa (a sinistra) e sinistrorsa (a destra).

Possiamo cos`ı distinguere le variazioni di temperatura associate alle sole onde gravitazionali. L’intensit`a delle variazioni di temperatura sono determinate dall’intensit`a delle onde gravitazionali,

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a loro volta dovute alle scale di energia del processo inflazionario. Se l’inflazione e` stata innescata dalla scissione delle forze fondamentali, le energie in gioco dovevano essere dell’ordine di 1015 ÷ 1016 GeV. L’osservazione delle variazioni di temperatura dovute alle onde gravitazionali permetter`a di verificare questa ipotesi. Gli scienziati di BICEP2 sono intanto riusciti a osservare le variazioni di temperatura associate alle polarizzazioni determinate dalle onde gravitazionali ottenendo cos`ı un’immagine indiretta dell’universo a soli 10−38 secondi dopo il Big Bang.

C’`e infine una importante conseguenza nella rilevazione delle onde gravitazionali inflazionarie e risiede nel meccanismo della loro generazione. Secondo la meccanica quantistica, nel vuoto compaiono e scompaiono particelle in continuazione e questo accade anche per i gravitoni, le ipotetiche particelle del campo gravitazionale. Ma durante l’inflazione la rapida espansione porterebbe queste particelle lontane l’una dall’altra prima che abbiano tempo di annichilirsi. Successivamente, l’espansione dell’universo avrebbe aumentato l’ampiezza della lunghezza d’onda dei gravitoni da grandezze dell’ordine del centimetro a lunghezze dell’ordine di 1028 cm, rendendo cos`ı le onde gravitazionali difficili da rilevare. Poich´e le onde gravitazionali inflazionarie sarebbero state generate secondo un meccanismo quantistico, la loro osservazione rappresenta un punto a favore delle teorie che tentano di unificare la meccanica quantistica con la relativit`a generale.

durante la misura per cui un laser pi`u potente migliora la sensibilit`a dell’esperimento. Per averne un’idea, la pi`u piccola variazione di distanza misurabile con un interferometro illuminato da un laser di 1 Watt e` di 10−14 metri (il raggio di un protone e` di circa 10−18 metri). Tuttavia un laser troppo potente induce ulteriori errori nella misura. Quindi bisogna scegliere un’intensit`a del laser ottimale. La sensibilit`a dello strumento pu`o essere aumentata anche facendo rimbalzare il laser avanti e indietro pi`u volte tra gli specchi dell’interferometro, in modo da aumentare la distanza percorsa e dunque la differenza di percorso.

Data la sensibilit`a richiesta da questi strumenti, sono molti i segnali indesiderati che possono disturbare la misura: onde sismiche, particelle di gas che urtano le masse o modificano la velocit`a del laser, vibrazioni termiche delle masse, ecc. Per ridurre gli effetti dovuti ai moti sismici le masse sono sospese con dei fili a una struttura elastica chiamata filtro meccanico. In questo modo si possono bloccare rumori sismici con frequenze fino a 500 Hz. Per evitare che particelle di gas influenzino la misura, i laser passano attraverso dei tubi in cui e` stato praticato il vuoto.

Il disturbo dovuto alle vibrazioni termiche pu`o essere facilmente eliminato tenendo conto che non dipende dalla lunghezza dei bracci, a differenza della perturbazione indotta dalle onde gravitazionali. Questi effetti sono praticamente annullati se si posiziona l’esperimento nello spazio.

Stanare le onde gravitazionali

Un esperimento italiano: VIRGO

Il primo rilevatore di onde gravitazionali fu progettato nel 1960 da Joseph Weber dell’universit`a del Maryland. Il detector era costituito da barre di metallo disposte in maniera tale da vibrare se attraversata da onde gravitazionali. Un esperimento di questo tipo e` sensibile a variazioni di una parte su 1018 , ma a questo livello non e` stato rilevato nulla. Gli esperimenti odierni si basano sul fenomeno dell’interferenza. Quello che accade e` che quando due onde si incontrano, l’ampiezza in ogni punto e` pari alla somma delle ampiezze delle singole onde. Lanciando due sassolini in un lago, per esempio, vedremo delle increspature sulla superficie dell’acqua con un’altezza che e` pari semplicemente alla somma delle ampiezze delle onde generate dai singoli sassolini.

In uno strumento per misurare le onde gravitazionali un fascio laser viene indirizzato contro un beam splitter – uno specchietto semiriflettente – che separa il laser in due fasci che procedono in direzioni ortogonali verso delle masse sospese, libere di rispondere agli effetti delle onde gravitazionali. Uno specchietto montato su ciascuna massa riflette i fasci laser all’indietro. Quando tornano sul beam splitter si ricombinano e l’ampiezza risultante sar`a la somma delle singole ampiezze. Se un’onda gravitazionale viaggia lungo uno dei bracci, la distanza sul braccio ortogonale si modificher`a provocando una variazione nell’ampiezza del fascio laser in uscita. L’errore commesso nella misura e` inversamente proporzionale alla radice quadrata del numero dei fotoni rivelati

Gli italiani sono impegnati nel tentativo della misura diretta delle onde gravitazionali con l’esperimento VIRGO, un rivelatore interferometrico situato a Cascina, in provincia di Pisa. La sua struttura e` molto simile a quella spiegata in precedenza: i due bracci perpendicolari tra loro sono lunghi 3 chilometri l’uno, ma, grazie ai giochi di specchi, lo spazio effettivamente percorso dal

Figura 4 – La struttura dell’esperimento VIRGO, in cui sono evidenti i due bracci perpendicolari.

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L’osservazione delle onde gravitazionali rappresenta da una parte una sfida dal punto di vista sperimentale e dall’altra una necessit`a per avere un’importante conferma alla teoria della relativit`a di Einstein. Bench´e fino ad oggi non si sia riusciti a effettuare una misura diretta, nuovi esperimenti come LISA promettono, nei prossimi anni, di raggiungere il risultato tanto agognato.

Bibliografia

Figura 5 – La struttura dell’esperimento LISA.

raggio di luce e` di 120 chilometri. L’intervallo di frequenze a cui e` sensibile va dai 10 Hz ai 6000 Hz, utile per la rivelazione di onde gravitazionali prodotte da supernovae e sistemi binari nella Via Lattea e in altre galassie, in particolare nell’ammasso della Vergine, da cui il nome dell’esperimento.

Per raggiungere la sensibilit`a necessaria scienziati italiani e francesi hanno sviluppato laser ultrastabili, specchi altamente riflettenti (fino al 99, 999%), sistemi per isolare lo strumento dai moti sismici (ogni braccio e` sospeso a una quota di 10 metri), ecc. Inoltre, con i loro 3 km di lunghezza e 1,2 metri di diametro, il volume totale dei bracci in cui e` stato praticato il vuoto e` il pi`u grande in Europa e il secondo al mondo. Con Virgo ogni anno possono essere rivelati solo una decina di eventi all’anno. Alla fine del 2015 dovrebbe entrare in funzione Advanced Virgo che, con un incrementata sensibilit`a, dovrebbe essere in grado di osservare molti pi`u eventi ogni anno.

[7] Caldwell R.R. e Kamionkowski M. In Scientific American, vol. 284(1):38–43 (gen. 2001) [8] Jeffries A., Saulson P., Spero R. e Zucker M. Gravitational wave observatories. In Scientific American, vol. 256(6):50 (1987) Virgo Website: http://www.ego-gw.it/public/ virgo/virgo.aspx LISA Website: http://lisa.nasa.gov/ Commenti on-line: http://www.accastampato.it/ 2014/11/onde-gravitazionali/

Un esperimento futuro: LISA Sull’autore Un nuovo esperimento, LISA (Laser Interferometer Space Antenna, antenna spaziale interferometrica laser), dovrebbe essere in via di sviluppo da parte dell’ESA. La sua effettiva realizzazione non e` stata ancora ufficializzata, ma LISA, se mai entrer`a in campo, avr`a la stessa struttura di VIRGO con la fondamentale differenza che lavorer`a nello spazio. LISA sar`a sensibile a lunghezze d’onda comprese tra 0,03 mHz e 0.1 Hz (molto basse grazie al fatto che non e` disturbata da eventi sismici o particelle di gas). Misurer`a distorsioni dello spazio-tempo provocate dalle onde gravitazionali studiando come varia la distanza di separazione tra masse separate da 5 milioni di km disposte ai vertici di un triangolo equilatero alla distanza di circa 100 milioni di chilometri dal Sole. Dato l’intervallo di frequenze, LISA sar`a sensibile alle onde prodotte da collisioni tra buchi neri e da sistemi binari nella nostra galassia.

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Diana Tartaglia (tartadia@gmail.com) e` nata a Roma nel 1993, frequenta la facolt`a di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma. L’interesse per la scrittura si e` concretizzato negli anni del liceo, attraverso la partecipazione alla redazione del giornalino scolastico e a concorsi letterari.

Riccardo Marrocchio (riccardomarrocchio@gmail.com) ha 24 anni ed e` un laureando in Fisica all’Universit`a Sapienza di Roma. Ha acquisito la conoscenza della lingua inglese e l’amore per la Fisica studiando presso varie universit`a americane, tra cui Boston University e Harvard.

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Le inflazioni pericolose Cosa e` successo all’Universo subito dopo il Big Bang?

Michela Botticelli, Francesco D’Ambra, Francesca Mariani (Universit`a Sapienza di Roma)

Innumerevoli prove indicano che Dio e` proprio un giocatore: possiamo raffigurarci l’universo come un gigantesco casin`o dove si lanciano dadi e si fanno girare roulette in continuazione.

(Stephen Hawking)

i dati sperimentali a disposizione. In questo caso tre informazioni fondamentali che possediamo sull’universo andavano tenute in considerazione. Una loro giustificazione attendibile viene offerta proprio dal modello inflazionistico di Guth.

lcune tra le menti pi`u curiose del secolo scorso hanno creato nuove cosmogonie universali cercando di descrivere, in maniera consistente con quanto conosciamo, i primi istanti dell’universo dopo il Big Bang. La teoria oggi pi`u ampiamente accettata dalla comunit`a scientifica, nota come inflazione, venne proposta da Guth nel 1981. Il termine inflazione deriva dalla teoria economica del valore: associata ai prezzi acquista un significato estremamente dannoso, mentre per l’universo si rivela un concetto molto proficuo.

L’inflazione proposta da Guth, infatti, permette di risolvere in linea teorica uno degli enigmi pi`u interessanti del secolo passato: cos’`e successo all’universo subito dopo il Big Bang? L’osservazione dell’universo in continua espansione e la misura di tale fenomeno hanno permesso agli scienziati, nella prima met`a del ‘900, di percorrere a ritroso il moto delle galassie, come se si proiettasse un film al contrario, fino a calcolare che i corpi celesti si concentravano tutti in una stessa regione in un periodo compreso tra 10 e 15 miliardi di anni fa. Sebbene questo giustifichi il modello del Big Bang, lascia anche ampio spazio alla teoria per poter costruire modelli molto differenti di espansione. Ovviamente ogni modello immaginabile e` possibile se e` in accordo con

I mille nomi dell’inflazione

A

Figura 1 – Rappresentazione artistica del multiverso: alla base c’`e una membrana principale da cui emergono molti universi che si espandono in maniera diversa a seconda delle condizioni iniziali del loro Big Bang individuale. Credits: Moonrunner Design.

Guth ipotizza che la condizione di espansione normale1 sia stata avviata da una fase iniziale di durata brevissima (da 10−37 a 10−34 secondi), detta inflazione, in cui l’universo sarebbe cresciuto in modo esponenziale, a partire da uno stato preesistente che i fisici chiamano vuoto e che pu`o essere assimilato concettualmente all’assenza di materia. La teoria dell’inflazione ha avuto un grande successo poich´e restringe il numero di scenari possibili giustificando quanto e` stato osservato fino ad oggi. Tuttavia non identifica un solo percorso possible per l’universo, ma lascia campo aperto a diversi modelli che vanno sotto il nome di teorie inflazionistiche e che potranno essere verificati o derubricati in funzione di nuove osservazioni.

L’inflazione e` piaciuta cos`ı tanto da portare alcuni fisici a ipotizzare che possa essere avvenuta non una, ma innumerevoli volte, dando luogo alla cosiddetta inflazione eterna, come in un albero genealogico sempre in crescita. Secondo questo scenario, il nostro universo sarebbe solo uno dei tanti rami – una bolla di spaziotempo in espansione da un tempo finito – ma il vero universo, il tronco di questo enorme albero, potrebbe esistere da sempre.

Un altro modello inflativo e` quello ciclico. Secondo questo modello l’universo attraverserebbe fasi di espansione seguite da un collasso, a cui fa seguito una nuova espansione, e cos`ı via2 .

Un ulteriore modello proposto negli ultimi anni cade sotto il nome di inflazione caotica, o teoria dei multiversi, in cui ogni universo sarebbe una bolla che nasce da fluttuazioni quantistiche casuali all’interno di un universo preesistente. Alcuni teorici dei molti universi paralleli partono da considerazioni di natura antropica, ossia che non si pu`o descrivere lo sviluppo dell’universo che non abbia come vincolo la vita intelligente data la presenza dell’uomo. Affinch´e le condizioni iniziali portino a una storia abitata da noi esseri umani accanto a pi`u probabili storie disabitate, si e` ipotizzato un meccanismo che permetta la formazione di diversi universi, dotati di esistenza fisica concreta.

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Lineare o anche con una legge di potenza.

Sono modelli noti col nome di Big Crunch e Big Bounce. Nel secondo non si prevede il ritorno alla condizione iniziale del Big Bang, ma ad una in cui l’universo e` capace di riespandersi nuovamente.

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inflazioni pericolose, ovvero modelli sbagliati, e basterebbe un’unica prova sperimentale per eliminarli. Ma si pu`o anche pensare che non tutti i modelli possibili siano ancora stati proposti. Il punto e` che non abbiamo ancora i mezzi per metterli alla prova e fino a quando sar`a cos`ı saranno tutti egualmente validi. Una teoria scientifica deve fornire delle predizioni, ovvero la sua assunzione deve portare a delle conseguenze fisiche che possano essere sperimentalmente vagliate: in poche parole la teoria deve essere confutabile. L’intero impianto delle teorie dell’inflazione prevede che nella microscopica regione iniziale di formazione dell’universo si sia formato un fondo di onde gravitazionali primordiali, molto deboli per essere rivelate oggi, ma che dovrebbero aver lasciato una traccia nella radiazione cosmica di fondo permettendone cos`ı un’osservazione indiretta. L’esperimento BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) ha analizzato la radiazione cosmica di fondo di una porzione di universo rivelando una traccia che potrebbe essere stata lasciata da onde gravitazionali primordiali. Se la scoperta fosse confermata da altre investigazioni indipendenti, sarebbe la prova galileiana, data per la prima volta alla stampa il 17 marzo 2014, dell’ipotesi inflazionaria.

Commenti on-line: http://www.accastampato.it/ 2014/11/inflazioni-pericolose/

Figura 2 – “Ecco che ritorna William. . . tenta di nuovo di guadagnare consensi per la sua teoria del Little Bang”. Credits: www. freerepublic.com/focus/chat/3134162/posts.

Per immaginare tali scenari, possiamo considerare il plasma di cui era costituito l’universo primordiale alla stregua di una miscela di acqua e sapone. Aiutandoci con una cannuccia, potremmo far crescere un’unica bolla in modo molto rapido con una sola boccata d’aria: ecco il nostro modello inflazionario pi`u semplice. Se, per nostra sfortuna, la bolla dovesse rompersi – collassare – saremmo costretti a soffiare di nuovo nella cannuccia per avere una nuova bolla, senza necessariamente rifornirci di sapone: il processo ripetuto all’infinito darebbe un’inflazione ciclica. Potrebbe anche accadere che da una prima bolla ne nasca un’altra al suo interno in un processo ripetuto all’infinito (inflazione eterna). Potremmo infine ottenere pi`u bolle nello stesso tempo, che si allontanano tutte indipendentemente l’una dall’altra (inflazione caotica).

Non dare mai nulla per scontato In realt`a tutti i modelli inflazionistici citati presentano ulteriori sottomodelli e l’assenza di un sufficiente numero di dati sperimentali impedisce una loro selezione. Alcuni potrebbero rivelarsi 18

Sull’autore Michela Botticelli (michela.botticelli@gmail. com) e` dottoranda in Scienze della Terra presso l’Universit`a Sapienza di Roma.

Francesco D’Ambra (zaknefin89@hotmail.com) sta frequentando il corso di laurea magistrale in Fisica presso il Dipartimento di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma. Francesca Mariani (mariani.ufficiotecnico@gmail.com) e` laureanda in Elettronica presso lo stesso Dipartimento.

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Mai cos`ı prossimi al Big Bang Intervista a Paolo De Bernardis, astrofisico Giorgio Sestili, Valeria Persichetti (Universit`a Sapienza di Roma) aolo De Bernardis, astrofisico, e` professore ordinario presso il Dipartimento di Fisica dell’Universit`a Sapienza di Roma. Si occupa principalmente di studiare la radiazione cosmica di fondo a microonde tramite misure effettuate usando palloni stratosferici. Gli abbiamo chiesto di parlarci delle recenti misure effettuate da BICEP2, esperimento che per primo sembra essere riuscito a misurare la presenza di modi B nella radiazione cosmica a microonde. In questa intervista, De Bernardis ci racconta che cosa accadde in quella piccolissima frazione di tempo dopo il Big Bang, quando l’universo avrebbe subito un’espansione senza precedenti. E ci spiega perch´e le misure di BICEP2, se confermate, sarebbero la prova a lungo ricercata della teoria dell’inflazione e delle onde gravitazionali. Una prova che aprirebbe prospettive e scenari di ricerca impensabili prima d’ora.

P

Lei conosce molto bene l’esperimento BICEP2. Ci racconta quando e come e` nato?

In effetti ho assistito alla nascita di questo esperimento. Era il 2003 e ci trovavamo alla stazione antartica McMurdo per il lancio di Boomerang. Il mio collega Andrew Lange tenne un seminario nel quale disse di non volersi accontentare di un esperimento con pallone e propose di montare un sensore a singola frequenza (BICEP2 lavora a una frequenza di 150GHz, ndr) e di lasciarlo prendere dati per molto tempo. L’obiettivo era quello di misurare la polarizzazione dei fotoni del fondo cosmico a microonde (CMB) che pu`o essere causata da due meccanismi: fluttuazioni di densit`a nell’universo primordiale e presenza di onde gravitazionali. Nel 2003 per`o non erano state ancora misurate n´e le fluttuazioni, n´e le onde gravitazionali. Eravamo dunque in un’epoca pionieristica. Successivamente, DASI e Boomerang riuscirono a misurare quella che potremmo definire la parte pi`u facile,

quella cio`e dovuta alle fluttuazioni di densit`a, le stesse che generano le anisotropie di temperatura e dunque le galassie. In realt`a, anche queste misure non erano affatto semplici, avendo una precisione dell’ordine di una parte per milione del fondo cosmico a microonde. Come dire, un fotone ogni milione ha questa caratteristica. Ma grazie a questi esperimenti l’obiettivo e` stato raggiunto e la polarizzazione dovuta alle fluttuazioni di densit`a e` stata ben misurata.

In quale momento si sono prodotte queste ` fluttuazioni di densita?

Stiamo parlando di circa 380 mila anni dopo il Big Bang, quando i fotoni del fondo cosmico a microonde si sono separati dal plasma e l’universo e` diventato trasparente. Questi fotoni hanno continuato a viaggiare attraverso l’universo per pi`u di 13 miliardi di anni e oggi siamo in grado di vederne le fluttuazioni di densit`a e studiarne la polarizzazione.

Che cosa ha generato le fluttuazioni?

Qui entra in gioco l’inflazione. Molto tempo prima (circa 10−35 secondi dopo il Big Bang, ndr), questa ipotetica crescita velocissima dello spazio ha espanso su scale cosmologiche quelle che prima erano fluttuazioni su scale microscopiche. Si trattava di fluttuazioni quantistiche del campo di energia che a quell’epoca dominava l’universo. Questa e` l’ipotesi che, come tutte le teorie, specialmente quelle pi`u strane, deve essere sottoposta a una serie di verifiche dettagliate, altrimenti e` difficile crederci.

Fortunatamente la teoria dell’inflazione cosmica, oltre a essere affascinante, fa quattro previsioni molto precise e importanti.

Alcune di queste previsioni oggi sono state ampiamente verificate. Ce ne parla?

Figura 1 – Gli impianti di BICEP2 in Antartide. Credits: BICEP-2.

Il modello inflazionario, introdotto negli anni ’80, oggi vanta gi`a tre importanti verifiche. La prima di queste previsioni riguarda la curvatura iniziale dello spazio, che improvvisamente viene stirata dall’enorme espansione prodotta dall’inflazione. Ci aspettiamo cos`ı uno spazio euclideo nel nostro universo e questo e` stato verificato oramai da tempo. Questa potrebbe essere una prima prova del fatto che l’inflazione e` corretta, altrimenti lo spazio euclideo

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non sarebbe un attrattore delle soluzioni delle equazioni di Friedmann che descrivono l’espansione dell’universo. Secondo la cosmologia classica, un universo che oggi vediamo con uno spazio approssimativamente piatto, dovrebbe aver avuto uno spazio ultrapiatto all’inizio. Se la curvatura fosse leggermente diversa, l’evoluzione dell’universo diventerebbe molto rapida o, al contrario, estremamente lenta. Insomma, noi non saremmo qui adesso.

Un’altra previsione importante riguarda l’origine delle fluttuazioni di densit`a secondo la teoria dell’inflazione. Se si trattasse solo di fluttuazioni statistiche nel numero di particelle, su scale cos`ı ampie come quelle di una galassia, la media delle fluttuazioni farebbe zero e la galassia non si formerebbe. Ci vogliono quindi delle fluttuazioni pi`u importanti. Chi pu`o averle generate?

La teoria dell’inflazione le lega alle fluttuazioni quantistiche del campo primordiale. In questo modo, oltre a consegnarci un’origine fisica affascinante, dice anche una cosa ben precisa: se si tratta di fluttuazioni quantistiche invarianti di scala, noi dobbiamo poter vedere uno spettro di fluttuazioni di densit`a, e quindi anche di temperatura, del fondo cosmico a microonde, anch’esso invariante di scala. Questo e` stato verificato sia attraverso la mappatura del fondo a microonde, in cui davvero le fluttuazioni sono invarianti di scala, sia dalle misure della distribuzione di materia, cio`e delle galassie e degli ammassi di galassie, in cui quello che noi misuriamo e` consistente con uno spettro iniziale invariante di scala. La terza previsione dice che le fluttuazioni di densit`a seguono un andamento di tipo gaussiano, perch´e derivano da fluttuazioni quantistiche. Anche questa previsione e` stata ampiamente confermata.

Veniamo alla quarta previsione. . .

Esattamente, mancava la quarta conferma: l’ipotesi e` che anche le fluttuazioni di curvatura presenti nell’universo preinflazionario dovevano essere gonfiate a scale cosmologiche e diventare onde gravitazionali. Ma come misurarle? O si tentano misure dirette, come fatto da VIRGO, tenendo conto per`o che queste onde presentano un periodo e una lunghezza d’onda spaventosamente lunghi. Oppure ci si basa su un’estrapolazione che, trattandosi di 16-17 ordini di grandezza da estrapolare, risulterebbe per`o molto ardita. Per vedere direttamente questa estrapolazione ci vorrebbe quello che gli esperti definiscono un Big Bang Observatory, cio`e una missione di generazione successiva a LISA (Laser Interferometer Space Antenna, e` un esperimento nato da una collaborazione ESA/NASA, progettato per la rilevazione e lo studio di onde gravitazionali, ndr). C’`e per`o un altro effetto, molto debole, che pu`o essere misurato: si tratta della componente di polarizzazione del fondo a microonde dovuta alle onde gravitazionali. Mentre le fluttuazioni di densit`a generano solo fluttuazioni di tipo irrotazionale, e quindi in una mappa si trovano solo vettori di polarizzazione radiali o tangenziali, le onde gravitazionali, invece, generano modelli che possono essere elicoida20

li, dunque rotazionali, e quindi distinguibili dagli altri. Come si vede dall’immagine, i vettori misurati da BICEP2 sono dell’ordine di 0, 3 µK, ovvero una parte su 10 milioni del fondo cosmico gravitazionale. Si tratta dunque di un effetto piccolissimo.

Come ci e` riuscito BICEP2, se si stava tentando questa misura da decenni?

Ci sono voluti grandi finanziamenti e una profonda innovazione tecnologica. Milioni di dollari sono stati investiti per sviluppare una tecnologia di rilevatori nuova e decisamente pi`u avanzata.

Non e` un caso dunque se loro ci sono riusciti. Il successo di BICEP2 e` dovuto proprio a questi nuovi rilevatori. Sullo stesso wafer di silicio, dove normalmente si metteva solo il sensore di radiazione, sono riusciti a integrare l’elemento che seleziona la direzione di arrivo dei fotoni, cio`e quella che potremmo definire l’antenna. Grazie a una tecnologia planare fotolitografata, hanno costruito direttamente sul wafer un phased array, cio`e un mosaico di tante piccole antenne, alla giusta distanza tra loro, capace di selezionare le onde in base alla direzione di incidenza. Rispetto alle antenne a tromba, utilizzate da altri esperimenti, questo e` un vantaggio enorme, sia in termini di costi, sia per quanto riguarda il peso complessivo dell’apparato e il suo raffreddamento. In questo modo hanno potuto costruire 512 rilevatori, tutti piazzati sullo stesso wafer di silicio e tutti identici tra loro, la met`a orientati in una direzione e l’altra met`a nella direzione ortogonale, con un’elevatissima precisione garantita dai processi di litografia. Il tutto poi e` stato montato a South Pole Station, la stazione americana al Polo Sud, uno dei posti migliori

Figura 2 – La parte inferiore dell’immagine mostra l’andamento delle dimensioni dell’universo nel tempo. Sono evidenziati l’inflazione e l’emersione della radiazione cosmica di fondo. Nella parte superiore e` visibile la variazione delle lunghezze d’onda per le onde gravitazioni e quelle di densit`a nel tempo. Credits: BICEP-2.

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Figura 3 – Confronto tra la stima di BICEP2 e quelle di esperimenti precedenti del rapporto r tra l’ampiezza delle fluttuazioni delle onde gravitazionali rispetto a quelle della temperatura della radiazione di fondo.

Credits: BICEP-2.

come continuit`a del clima, con lunghi periodi sereni e con basso vapor d’acqua nell’atmosfera. BICEP2 ha potuto lavorare per 3 anni di seguito, praticamente in modo automatico. Non e` quindi un caso che loro ci siano riusciti. Dalla figura finale dell’articolo, nella quale si confrontano le misure fatte da BICEP2 con i limiti superiori dati finora da altri esperimenti, c’`e un evidente salto, che e` un salto tecnologico. Personalmente, devo dire che sono molto contento di questa misura, perch´e l’aver trovato un valore pi`u elevato di quello che ci si aspettava ci d`a la speranza di effettuare in futuro misure con precisione ancora maggiore.

Il fatto che il rapporto r misurato sia il doppio dei limiti superiori precedentemente fissati, farebbe cadere alcuni modelli teorici riguardanti l’inflazione?

No, direi di no. Questa misura, per quanto eccezionale sia, e` una misura di una quantit`a molto piccola. Non mi stupirebbe, dunque, trovare dei piccoli effetti sistematici a modificarla di un fattore 2. Certo, potrebbero anche esserci degli effetti sistematici che la modificano fino ad annullarla entro il rumore, e questo sarebbe un grosso problema. Si tratta quindi di una misura ancora tutta da confermare, non possiamo correre il rischio di prenderla per buona cos`ı com’`e. In fisica, misure cos`ı importanti devono assolutamente essere confermate da altri esperimenti. La collaborazione BICEP2 ha fatto un lavoro eccellente di previsione di tutte le sistematiche che potevano prevedere, ovvero di tutti quegli effetti che avrebbero potuto influenzare la misura. Ci`o non toglie che potrebbero essercene altri. Io ad esempio ho una grossa curiosit`a: capire a quanto ammonta il contributo della nostra galassia in questo campo di rotazione gravitazionale. Il punto debole di BICEP2 e` quello di aver lavorato a una sola frequenza

e questo non permette di distinguere fra diverse sorgenti di emissione. Non c’`e quindi modo di riconoscere l’origine dei fotoni, siano essi primordiali oppure prodotti dalla nostra galassia. I gruppi di BICEP2 hanno potuto basarsi solo su dei modelli, visto che queste misure le ha fatte solo Planck ma le sta ancora elaborando. Secondo le previsioni di questi modelli, il segnale della nostra galassia sarebbe pi`u piccolo di quello che loro hanno misurato e dunque quelli rivelati dovrebbero essere proprio fotoni primordiali. Ma se questi modelli non descrivono quella particolare regione di cielo, perch´e si tratta di modelli medi, allora il contributo galattico potrebbe essere maggiore. La prima cosa da fare e` quindi quella di ripetere l’esperimento a lunghezze d’onda diverse da quelle di BICEP2 e confrontare i risultati. In questo modo avremo informazioni pi`u dettagliate sulla presenza o meno del contributo galattico. Queste misure le sta facendo Keck Array, anch’esso installato alla stazione di South Pole, entrato in funzione a pieno regime nell’estate 2012 con cinque telescopi, ciascuno composto da 512 rilevatori. Nel 2015 e` prevista poi l’entrata in funzione di BICEP3, che disporr`a di 2560 rilevatori.

E non dimentichiamoci di Planck, i cui dati sono gi`a memorizzati. Come collaborazione prevediamo di rilasciare i risultati entro dicembre.

Inoltre lei si occupera` di un esperimento italiano che presto lancera` un nuovo pallone Esatto. In italiano si chiama esploratore della polarizzazione a grande scala e presenta delle importanti originalit`a. Lavora da pallone e questo permette di osservare una regione di cielo molto pi`u ampia di BICEP2, che si limitava a meno del 10%. Noi osserveremo invece circa il 30% del cielo. Su misure cos`ı delicate e` importante che gli esperimenti siano molto diversi tra loro. Se misurano la stessa cosa, allora la misura e` convincente.

Quanto ancora bisognera` aspettare prima di avere una conferma definitiva?

Serviranno diversi anni prima di avere conferme definitive. Ma la cosa pi`u entusiasmante, se tutto questo risulter`a vero, come tutti noi speriamo, sar`a la possibilit`a di andare a studiare altre caratteristiche del segnale. A questo punto l’obiettivo non sarebbe pi`u la sola verifica dell’inflazione, bens`ı lo studio del potenziale del campo prodotto dall’inflazione. Questo sarebbe un fatto sensazionale per la fisica di base, perch´e stiamo parlando di energie di 1016 GeV, valori irraggiungibili con acceleratori. I teorici della gravit`a quantistica avranno finalmente a disposizione un esperimento che misurer`a in condizioni in cui la gravit`a quantistica e` fondamentale. Questo discorso, per`o, lo lascio a loro.

Commenti on-line: http://www.accastampato.it/ 2014/11/debernardis_it/

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Non infiammabile Citta` della Scienza dopo l’incendio Roberto Paura (Citt`a della Scienza, Napoli)

ltre un anno e` passato da quella terribile notte del 4 marzo 2013, quando in poche ore uno spaventoso incendio doloso, i cui autori restano ancora sconosciuti, divor`o il Science Centre di Citt`a della Scienza, il primo e pi`u grande museo scientifico hands-on d’Italia, inaugurato nel 1996. All’indomani del rogo, di fronte alle migliaia di cittadini accorse in un lungo e colorato corteo per testimoniare la solidariet`a alla struttura, il fisico Vittorio Silvestrini, presidente e ideatore di Citt`a della Scienza, dichiarava che “potevano bruciare le mura ma non le idee, il cui contenuto non e` infiammabile”. Per questo, senza perdersi d’animo, gli ottanta lavoratori di Citt`a della Scienza, che pure gi`a prima dell’incendio vivevano una situazione di profondo disagio dovuto al precario stato economico della Fondazione Idis che ne gestisce le attivit`a, a causa di mancati pagamenti da parte della Regione e del MIUR negli anni precedenti, si sono rimboccati le maniche per tenere aperta al pubblico la struttura. Difatti, nonostante nell’incendio sia andato distrutto l’intero Science Centre con i suoi exhibit di fisica, le mostre sull’evoluzionismo, sulle nanotecnologie, sull’educazione alimentare, la bellissima Officina dei Piccoli, la mostra sullo spazio dell’edizione 2012 di Futuro Remoto e una mostra temporanea da poco inaugurata con pezzi unici sulla figura dell’esploratore norvegese Fridjtof Nansen, alcuni padiglioni sono sopravvissuti. Tra questi il Teatro Galilei 104, da poco inaugurato e affidato alla compagnia di teatro scientifico “Le Nuvole”, e tutta l’area dall’altra parte di via Coroglio, a Bagnoli, che ospita lo Spazio Eventi e il Polo Tecnologico delle start-up. In questi spazi, un mese e mezzo dopo l’incendio, nell’aprile 2013 sono state inaugurate tre mostre temporanee: “I giochi di Einstein”, una mostra interattiva per scoprire gli aspetti pi`u affascinanti della fisica e il passaggio dalla fisica di Newton a quella di Einstein, prestata dal Museo delle Scienze di Trento; “Equilibrio”, realizzata dal MUBA, il Museo dei Bambini di Milano, per una corretta educazione alimentare; “Avventura sui vulcani”, una mostra sul vulcanesimo, con particolare riferimento ai rischi del Vesuvio e dei Campi Flegrei, realizzata dall’INGV. Non solo: diversi uffici, nel corso dei mesi, sono stati trasformati in aule didattiche dove gli studenti, tra i principali frequentatori di Citt`a della Scienza, hanno potuto proseguire le loro attivit`a di educazione scientifica. Oggi alcune di queste aule, grazie a donazioni sostanziose di soggetti quali Fondazione Telecom Italia, Avio, Wind e Samsung, sono attrezzate con le pi`u avanzate tecnologie didattiche. La disponibilit`a di spazi per gli eventi ha permesso inoltre di organizzare numerose iniziative, come quella del ciclo di se-

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minari organizzati dall’INFN di Napoli sulla fisica di frontiera rivolti agli studenti delle scuole superiori. Dal novembre 2013, poi, Citt`a della Scienza ha aperto nuovi spazi recuperando anche quelli antistanti l’area distrutta, e inaugurando tre nuove mostre al posto di quelle precedenti: “BRAIN: il mondo in testa”, dedicata al cervello, tema dell’edizione 2013 di Futuro Remoto, in occasione del lancio, l’anno scorso, dei programmi di ricerca Human Brain Project dell’Unione europea e BRAIN Initiative negli Stati Uniti; “Cuccioli e uova di dinosauro”, proveniente dall’Australia, per offrire ai pi`u piccoli un viaggio nel mondo dei cuccioli di dinosauro, aggiornando anche il loro immaginario alle pi`u attuali conoscenze della paleontologia; “Facciamo un esperimento”, che grazie agli exhibit di fisica prestati dall’Exploratorium di San Francisco, il primo Science Centre del mondo, ha permesso al pubblico di Citt`a della Scienza di tornare a godere delle esperienze di scienza hands-on. Altre due mostre temporanee inaugurate successivamente sono “Inventor’s Hall of Fame”, una mostra sui brevetti europei che hanno cambiato la nostra vita, realizzata dallo European Patent Office, e “Rewind: Napoli nelle migrazioni”, realizzata da Citt`a della Scienza in collaborazione con la cooperativa Dedalus per sensibilizzare il pubblico sulla questione dei migranti. Nel frattempo la raccolta fondi ha permesso di raccogliere quasi due milioni di euro di donazioni di privati cittadini, aziende, fondazioni e associazioni, con i quali e` stato possibile realizzare tutto questo. Si e` invece ancora in attesa di un accordo tra la Regione Campania, il Comune di Napoli e il Governo per lo sblocco dei 64 milioni di euro stanziati per la ricostruzione, 22 dei quali saranno coperti dalla stessa Fondazione Idis. La speranza e` che si riesca quanto prima a posare la prima pietra per costruire il nuovo Science Centre, “dov’era, com’era, pi`u bello di prima”. Tappa intermedia, nel frattempo, sar`a l’inaugurazione entro il 2015 di Corporea, il museo virtuale del corpo umano, i cui lavori furono interrotti nel 2010 per la mancata erogazione dei fondi regionali, e che presto permetter`a a Citt`a della Scienza di restituire ai suoi visitatori 5 mila metri quadri di spazi espositivi.

Sull’autore Roberto Paura Giornalista scientifico, direttore della rivista “Futuri” e consulente per la comunicazione della Fondazione Idis-Citt`a della Scienza.

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Accastampato non e` un periodico, pertanto non e` registrato e non ha un direttore responsabile. E` un esperimento di comunicazione realizzato dall’associazione Accatagliato degli studenti di fisica di Roma con il duplice obiettivo di mostrare al pubblico non specialistico e agli studenti delle scuole superiori le ricerche portate avanti nell’area romana e di fornire l’occasione agli studenti universitari e ai giovani ricercatori di raccontare il proprio lavoro quotidiano e di confrontarsi con la comunicazione scientifica non specialistica.

La rivista e` prodotta dal motore di composizione tipografica LATEX. I sorgenti sono sviluppati e mantenuti da Alessio Cimarelli e sono disponibili richiedendoli alla Redazione.

Impaginazione: Alessio Cimarelli Copertina: Silvia Mariani (immagine di ESO/M. Kornmesser)

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