Gravitational waves from strong first-order phase transitions in an expanding Universe

Nei primissimi istanti del nostro universo, solo frazioni di secondo dopo il Big Bang, il cosmo non era l'estensione liscia e in fase di raffreddamento che vediamo oggi. Inveve, era una zuppa ribollente e sovrariscaldata di energia e particelle che subiva una trasformazione drammatica. Proprio come l'acqua che si trasforma in ghiaccio, i campi fondamentali della natura possono passare da uno stato all'altro. Quando questo spostamento avviene in modo improvviso e violento, anziché gradualmente, si parla di una transizione di fase del primo ordine. Durante questi eventi, bolle del nuovo stato stabile della materia iniziano a formarsi all'interno del vecchio stato instabile. Mentre queste bolle si espandono e infine si scontrano tra loro, agitano il fluido cosmico con una forza immensa. Questo rimescolamento violento crea increspature nel tessuto dello spazio e del tempo stesso, note come onde gravitazionali. Sebbene queste onde siano troppo deboli per essere percepite dalle mani umane, esse portano con sé una firma unica dell'infanzia dell'universo. Oggi, potenti strumenti vengono costruiti per ascoltare questi sussurri dall'alba dei tempi, sperando di decodificare la storia di come il nostro universo ha preso forma.

Un team di ricercatori ha compiuto un passo significativo verso la comprensione di come dovrebbero suonare esattamente queste onde gravitazionali. Eseguendo complesse simulazioni al computer tridimensionali dell'universo primordiale, hanno modellato il modo in cui queste violente transizioni di fase si srotolano mentre il cosmo si espande. Il loro lavoro si concentra su uno scenario specifico in cui la transizione è forte e le bolle della nuova materia crescono abbastanza lentamente da interagire profondamente con il fluido circostante. Gli scienziati hanno scoperto che la fonte primaria delle onde gravitazionali non è l'iniziale collisione delle bolle stesse, come suggerito da alcune teorie precedenti, ma piuttosto le potenti onde sonore che increspano il fluido dopo che le bolle si sono fuse. Queste onde sonore dominano il segnale, creando un modello distinto che è molto più forte e significativo del rumore derivante dagli scontri tra le bolle.

Le simulazioni hanno rivelato una struttura sorprendente nelle onde gravitazionali prodotte da queste onde sonore. Invece di una singola curva fluida, il segnale mostra due picchi distinti. Un picco corrisponde alla distanza media tra le bolle al momento della loro formazione, mentre l'altro si riferisce allo spessore dello strato di fluido spinto verso l'esterno dalle bolle in espansione. Questa caratteristica a doppio picco funge da impronta digitale, offrendo un modo per i futuri telescopi di identificare le specifiche condizioni dell'universo primordiale. I ricercatori hanno inoltre scoperto che la forza della transizione di fase determina quanto durano queste onde sonore. Per le transizioni più deboli, le onde sonore possono persistere più a lungo del tempo necessario all'universo per raddoppiare le sue dimensioni, mentre per le transizioni più violente, l'energia si dissipa più rapidamente. Inoltre, le collisioni violente generano moti rotatori, o modi rotazionali, all'interno del fluido, e l'intensità di questi vortici cresce con la forza della transizione.

Lo studio ha anche confrontato due modi diversi in cui le bolle possono espandersi: come detonazioni, che si muovono più velocemente della velocità del suono nel fluido, e come deflagrazioni, che si muovono più lentamente. I risultati hanno mostrato che le onde gravitazionali provenienti dalle deflagrazioni hanno un calo molto più ripido alle alte frequenze rispetto a quelle delle detonazioni. Questa differenza nella forma del segnale è fondamentale per distinguere tra diversi tipi di eventi cosmici. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che, quando hanno tenuto conto dell'espansione dell'universo, la forza complessiva delle onde gravitazionali era circa dieci volte più debole rispetto a quanto previsto dalle simulazioni precedenti che ignoravano questa espansione. Questa correzione è vitale per prevedere accuratamente ciò che i futuri rilevatori, come l'Antenna di Interferometria Laser nello Spazio (LISA), osserveranno effettivamente. Affinando la nostra comprensione di questi eventi cosmici, questo lavoro ci avvicina all'ascolto della vera storia della nascita violenta dell'universo.