Cosmic birefringence from a stiff axion field and its cosmological implications

La luce che viaggia attraverso il vasto vuoto dello spazio non è un semplice raggio rettilineo; essa trasporta un'orientazione nascosta, una polarizzazione che punta in una direzione specifica. Immaginate questa luce come un'onda che vibra su un singolo piano, come una corda scossa su e giù. Per decenni, gli astronomi hanno studiato la luce più antica dell'universo, il fondo cosmico a microonde, che è un debole bagliore residuo dal momento in cui l'universo è diventato trasparente. Quando questa luce antica ci raggiunge, il suo piano di polarizzazione può essere ruotato da campi invisibili che permeano il cosmo. Questa rotazione, nota come birefrangenza cosmica, agisce come l'ago di una bussola cosmica che è stato lentamente ruotato dalla storia dell'universo. Misurazioni recenti da parte di potenti telescopi hanno rilevato una piccola ma significativa torsione in questa luce, suggerendo che qualcosa di invisibile stia interagendo con i fotoni mentre viaggiano attraverso miliardi di anni. La domanda che guida la ricerca attuale è quale possa essere questa forza invisibile. È una forma di energia oscura che spinge l'universo ad allontanarsi, o forse un tipo di materia oscura che si aggrega? O potrebbe essere qualcosa di completamente diverso, un relitto di un tempo precedente a quando l'universo si è assestato nel suo ritmo attuale?

Un team di ricercatori dell'Università di Torino e dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha proposto una nuova risposta a questo enigma. Suggeriscono che la rotazione osservata della luce sia causata da un tipo specifico di campo invisibile che si comporta diversamente dalla materia oscura e dall'energia oscura di cui discutiamo solitamente. Questo campo è descritto come "rigido" (stiff), il che significa che esercita un tipo unico di pressione che causa un cambiamento rapido della sua densità di energia mentre l'universo si espande. Nell'universo primordiale, questo campo rigido avrebbe dominato tutto, guidando una fase di rapida espansione nota come cinazione, prima di svanire per diventare una componente minore del cosmo oggi. I ricercatori hanno calcolato che, se questo campo esistesse, interagirebbe con la luce in un modo che corrisponde perfettamente all'angolo di rotazione misurato dagli esperimenti recenti, nello specifico i dati del satellite Planck e del Atacama Cosmology Telescope.

La bellezza di questo modello risiede nella sua verificabilità e nella sua capacità di escludere altre possibilità. I ricercatori hanno scoperto che, affinché questo campo rigido spieghi la rotazione osservata della luce senza violare le leggi della fisica che conosciamo, la sua interazione con la luce deve rientrare in un intervallo molto stretto. Se l'interazione fosse troppo debole, non ruoterebbe abbastanza la luce per corrispondere ai dati. Se fosse troppo forte, avrebbe interrotto la formazione dei primi nuclei atomici nell'universo primordiale, un processo noto come nucleosintesi del Big Bang, che possiamo osservare oggi attraverso l'abbondanza di elementi come l'elio. Bilanciando queste restrizioni, il team ha identificato una finestra specifica per la forza di questa interazione, circa tra 8,9 e 50 volte dieci alla potenza di meno tredici inverse gigaelettronvolt. Questo intervallo ristretto offre un bersaglio chiaro per i futuri esperimenti alla ricerca di particelle simili agli assioni, che sono ipotetiche particelle che potrebbero costituire questo campo.

Inoltre, questo modello esprime una previsione distinta che lo separa da altre teorie. Mentre alcune spiegazioni suggeriscono che l'effetto di rotazione sarebbe simile in diversi momenti della storia dell'universo, questo modello del campo rigido prevede che l'angolo di rotazione per la luce emessa durante l'epoca della riionizzazione — quando si sono accese le prime stelle — sarebbe significativamente più piccolo rispetto alla rotazione vista nella luce più antica. Se le osservazioni future confermeranno che l'angolo di rotazione diminuisce in questi tempi più remoti, ciò favorirebbe fortemente questa spiegazione del campo rigido rispetto alle teorie che coinvolgono l'energia oscura. I ricercatori hanno anche esplorato le conseguenze gravitazionali di questo scenario. Hanno scoperto che la transizione dall'era del campo rigido primordiale all'era standard della radiazione genererebbe increspature nello spaziotempo, note come onde gravitazionali. A seconda della durata esatta di questa fase iniziale, queste onde potrebbero essere rilevabili dai prossimi osservatori, fornendo un secondo modo indipendente per confermare la teoria.

Tuttavia, lo studio mette anche in dubbio un'idea popolare riguardante la recente rilevazione di un fondo di onde gravitazionali da parte di array di timing di pulsar. Alcuni scienziati hanno suggerito che queste increspature a bassa frequenza potrebbero essere causate dallo stesso tipo di fisica dell'universo primordiale che crea la rotazione della luce. Gli autori di questo articolo hanno testato tale idea e l'hanno trovata improbabile. Hanno dimostrato che, se le onde gravitazionali fossero state abbastanza forti da spiegare i dati delle pulsar, la relativa densità di energia sarebbe stata troppo alta, violando i limiti sul numero di specie di neutrini nell'universo. In altre parole, l'universo non può ospitare sia la rotazione osservata della luce che il segnale delle onde gravitazionali delle pulsar se entrambi sono causati da questo specifico tipo di dominanza del campo rigido primordiale. Ciò esclude efficacemente una spiegazione unificata per entrambi i fenomeni sotto questo specifico modello.

Il lavoro si conclude dipingendo l'immagine di un universo che ha attraversato un breve e intenso periodo di dominanza del campo rigido prima di assestarsi nelle ere della radiazione e della materia che conosciamo. Questa epoca fugace ha lasciato dietro di sé un'impronta sottile sulla polarizzazione della luce antica e potenzialmente un debole ronzio di onde gravitazionali. I ricercatori non hanno provato che questo campo rigido esista, ma hanno mappato esattamente dove cercarlo. Hanno definito la forza precisa della sua interazione con la luce e previsto come la sua firma dovrebbe cambiare attraverso i diversi epoche cosmiche. Man mano che nuovi telescopi entrano in funzione e le ricerche astrofisiche sulle particelle simili agli assioni continuano, questo stretto intervallo di possibilità sarà testato. Se l'intensità dell'interazione rientrerà nell'intervallo previsto e l'angolo di rotazione si comporterà come previsto, esso rivelerà un nuovo capitolo nella storia del cosmo, un capitolo in cui un campo rigido e invisibile ha un tempo dominato l'universo prima di svanire nel background del settore oscuro.