Il modello di universo ecpirotico

La teoria del big bang non offre alcuna spiegazione per ciò che ha dato inizio all’espansione originale dell’universo. Questa è una domanda teorica importante per i cosmologi, e molti stanno applicando i concetti della teoria delle stringhe nei tentativi di rispondervi. Una controversa congettura è un modello dell’universo ciclico chiamato teoria dell’universo ekpyrotic, che suggerisce che il nostro universo è il risultato di brane che si scontrano.

Il battito delle corde

Ben prima dell’introduzione degli scenari del mondo M-teoria o brane, c’era una congettura della teoria delle stringhe sul perché l’universo avesse il numero di dimensioni che vediamo: uno spazio compatto di nove dimensioni dello spazio simmetrico iniziò ad espandersi in tre di quelle dimensioni. Sotto questa analisi, un universo con tre dimensioni spaziali (come la nostra) è la geometria spazio-temporale più probabile. In questa idea, inizialmente proposta negli anni ’80 da Robert Brandenberger e Cumrun Vafa, l’universo iniziò come una stringa strettamente avvolta con tutte le dimensioni simmetricamente limitate alla lunghezza di Planck. Le stringhe, in effetti, legavano le dimensioni a quelle dimensioni. Brandenberger e Vafa hanno sostenuto che in tre o meno dimensioni, sarebbe probabile che le corde entrassero in collisione con gli archi. (Un anti-stringa è essenzialmente una stringa che si snoda in una direzione opposta alla corda.) La collisione annichilisce la corda che, a sua volta, libera le dimensioni che stava confinando. Iniziano quindi ad espandersi, come nelle teorie inflazionistiche e del big bang.

Invece di pensare agli archi e agli archi, immagina una stanza con un mucchio di cavi attaccati a punti casuali sulle pareti. Immagina che la stanza voglia espandersi con le pareti, il pavimento e il soffitto cercando di allontanarsi l’una dall’altra, ma non possono farlo a causa dei cavi. Ora immagina che i cavi possano muoversi, e ogni volta che si intersecano, possono ricombinarli. Immagina due cavi tesi che si estendono dal pavimento al soffitto che si intersecano per formare una X alta e sottile. Possono essere ricombinati per diventare due cavi sciolti: uno attaccato al pavimento e uno attaccato al soffitto. Se questi erano stati gli unici due cavi che si estendevano dal pavimento al soffitto, dopo questa interazione, il pavimento e il soffitto sono liberi di spostarsi l’uno dall’altro. Nello scenario Brandenberger e Vafa, questa dimensione (su-giù), così come altre due, sono libere di crescere. Il passo finale è che in quattro o più dimensioni spaziali, le stringhe in movimento non si incontreranno in genere. (Pensa a come i punti che si spostano in due dimensioni spaziali probabilmente non si incontreranno mai, e la logica si estenderà alle dimensioni superiori.) Quindi questo meccanismo funziona solo per liberare tre dimensioni spaziali dai loro cavi.

In altre parole, la stessa geometria della teoria delle stringhe implica che questo scenario ci porterebbe a vedere meno di quattro dimensioni spaziali – le dimensioni di quattro o più hanno meno probabilità di passare attraverso le stringhe / stringhe anti-stringa richieste per “liberarle” da la configurazione strettamente legata. Le dimensioni superiori continuano ad essere legate dalle corde alla lunghezza di Planck e quindi non sono visibili. Con l’inclusione di brane, questa immagine diventa più elaborata e più difficile da interpretare. La ricerca su questo approccio negli ultimi anni non è stata rassicurante. Molti problemi sorgono quando gli scienziati cercano di integrare questa idea in modo più rigoroso nella matematica della teoria delle stringhe. Tuttavia, questa è una delle poche spiegazioni del perché ci sono quattro dimensioni che hanno senso, quindi i teorici delle stringhe non l’hanno completamente abbandonato come una possibile ragione per il big bang.

L’universo ecpirotico

Nello scenario dell’universo ekpyrotic, il nostro universo è creato dalla collisione di branes. La materia e la radiazione del nostro universo provengono dall’energia cinetica creata dalla collisione di queste due brane. La teoria si basa sull’idea che alcuni scenari del mondo della teoria M mostrano che le dimensioni extra della teoria delle stringhe possono essere estese, forse anche di dimensioni infinite. Probabilmente non si stanno espandendo (o almeno i teorici delle stringhe non hanno motivo di pensare che lo siano) come sono le nostre tre dimensioni spaziali. Quando riproduci il video dell’universo nel tempo, queste dimensioni non si contraggono. Ora immagina che all’interno di queste dimensioni hai due infinite brane. Alcuni meccanismi (come la gravità) disegna insieme le brane attraverso le infinite dimensioni extra, e si scontrano tra loro. L’energia viene generata, creando la materia per il nostro universo e allontanando le due brane. Alla fine, l’energia della collisione si dissipa e le brane vengono rimesse insieme per collidere ancora una volta. Il modello ekpyrotic è diviso in varie epoche (periodi di tempo), basato su quali influenze dominano:

  • Il big Bang

  • L’epoca dominata dalle radiazioni

  • L’epoca dominata dalla materia

  • L’epoca dominata dall’energia oscura

  • L’epoca della contrazione

  • Il grande crunch

La storia fino all’epoca della contrazione è essenzialmente identica a quella fatta dalla normale cosmologia del Big Bang. La radiazione generata dalla collisione della brana (il big bang) significa che l’epoca dominata dalle radiazioni è abbastanza uniforme (salvo per le fluttuazioni quantiche), quindi l’inflazione potrebbe non essere necessaria. Dopo circa 75.000 anni, l’universo diventa una zuppa di particelle durante l’epoca dominata dalla materia. Oggi e per molti anni, siamo nell’epoca oscura dominata dall’energia, finché l’energia oscura non decade e l’universo inizia a contrarsi ancora una volta. Poiché la teoria coinvolge due brane in collisione, alcuni la chiamavano teoria del “big splat” o teoria del “brane smash”, che è certamente più facile da pronunciare di ekpyrotic. La parola “ekpyrotic” deriva dalla parola greca “ekpyrosis”, che era un’antica credenza greca secondo cui il mondo era nato dal fuoco.

Alcuni ritengono che il modello di universo ekpyrotic sia moòìlto coerente – risolve i problemi di piattezza e orizzonte come fa la teoria inflazionistica, fornendo anche una spiegazione sul perché l’universo è iniziato  – ma i creatori sono ancora lontani dal provarlo . Stephen Hawking ha scommesso Neil Turok che i risultati del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea verificheranno il modello inflazionistico e escluderanno il modello ekpyrotic, ma Hawking è stato conosciuto per dover pagare su questo tipo di scommesse in passato.

Cronologia di Fermi Lab sulla storia del mondo dal 1985 – pubblicata da Bill Gusky , Art Blog Comments

Quando si tratta della cosmologia del Big Bang, non c’è davvero alcuna differenza tra la fisica delle alte energie e la cosmologia fisica, entrambe sono basate su temperature estreme e pressioni e periodi infinitesimali. Usano numeri così grandi che possono essere mappati solo logaritmicamente . Il diagramma sopra, da Fermi Labs, illustra la convergenza del fisico quantico e del cosmologico e può servire da fondamento per la ” filogenesi della materia ”

Tutte le idee riguardanti l’universo primordiale (cosmogonia) sono speculative. Dall’inizio del 2010, nessun esperimento acceleratore sonda energie di sufficiente ampiezza per fornire una visione sperimentale del comportamento della materia ai livelli di energia che hanno prevalso in questo periodo. Gli scenari proposti differiscono radicalmente.Alcuni esempi sono lo stato iniziale di Hartle-Hawking, il paesaggio delle corde, l’inflazione delle brane, la cosmologia dei gas di corda e l’universo ekpyrotic. Alcuni di questi sono reciprocamente compatibili, mentre altri no.

Temperatura e tempo
Le prime fasi dell’universo sono state definite in termini di temperature inimmaginabili e momenti infinitesimali nel tempo. Mentre il cosmo si espandeva, si raffreddava, dando origine all’universo presente. Gli eventi in questa pagina si riferiscono principalmente all’estrema sinistra del diagramma.MAK110718. 
1. Epoca di Planck
Fino a 10 -43 secondi dopo il Big Bang

Ai livelli energetici prevalenti durante l’epoca di Planck, le quattro forze fondamentali – elettromagnetismo, gravitazione, debole interazione nucleare e forte interazione nucleare – possono avere tutte la stessa forza, quindi possono essere unificate in un’unica forza fondamentale. Poco si sa di questa epoca e diverse teorie propongono diversi scenari. La relatività generale predice una singolarità gravitazionale prima di questo tempo, ma in queste condizioni la teoria dovrebbe scoppiare a causa di effetti quantici. I fisici sperano che le teorie proposte sulla gravitazione quantistica, come la teoria delle stringhe, la gravità quantistica del loop e gli insiemi causali, alla fine porteranno a una migliore comprensione di questa epoca. 

2. Grande epoca di unificazione
Tra 10 e 43 secondi e 10 -36 secondi dopo il Big Bang

Mentre l’universo si espande e si raffredda dall’epoca di Planck, la gravitazione inizia a separarsi dalle interazioni di gauge fondamentali: l’elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli. La fisica a questa scala può essere descritta da una grande teoria unificata in cui il gruppo di gauge del Modello Standard è incorporato in un gruppo molto più grande, che è rotto per produrre le forze osservate della natura. Alla fine, la grande unificazione viene spezzata quando la forte forza nucleare si separa dalla forza elettrodebole. Ciò si verifica non appena l’inflazione lo fa. Secondo alcune teorie, questo dovrebbe produrre monopoli magnetici.

3. Epoca elettrodebole
Tra 10 e 36 secondi e 10-12 secondi dopo il Big Bang

La temperatura dell’universo è abbastanza bassa (10 28 K) per separare la forza forte dalla forza elettrodebole (il nome per le forze unificate dell’elettromagnetismo e l’interazione debole). Questa transizione di fase innesca un periodo di espansione esponenziale noto come inflazione cosmica. Dopo la fine dell’inflazione, le interazioni tra particelle sono ancora abbastanza energetiche da creare un gran numero di particelle esotiche, inclusi bosoni W e Z e bosoni di Higgs.

4. Epoca inflazionaria
Tra 10 e 36 secondi e 10 -32 secondi dopo il Big Bang
Epoca inflazionaria
L’epoca inflazionaria. Da quali sono le probabilità? Parte 2: Inflazione cosmica! di Ethan Siegel

La temperatura, e quindi il tempo, in cui si verifica l’inflazione cosmica non è nota per certo. Durante l’inflazione, l’universo è appiattito (la sua curvatura spaziale raggiunge il cosiddetto valore critico) e l’universo entra in una fase omogenea ed isotropica in rapida espansione in cui i semi della formazione della struttura sono disposti sotto forma di uno spettro primordiale di scala quasi- fluttuazioni invarianti. Una certa energia dai fotoni diventa quark e iperoni virtuali, ma queste particelle decadono rapidamente. Uno scenario suggerisce che prima dell’inflazione cosmica, l’universo era freddo e vuoto e l’immenso calore ed energia associati ai primi stadi del big bang furono creati attraverso il cambiamento di fase associato alla fine dell’inflazione.

Secondo il modello ΛCDM ( Lambda-Cold Dark Matter ), l’energia oscura è presente come proprietà dello spazio stesso, iniziando immediatamente dopo il periodo di inflazione, come descritto dall’equazione di stato (cosmologia). ΛCDM non dice nulla sull’origine fisica fondamentale dell’energia oscura, ma rappresenta la densità di energia di un universo piatto. Le osservazioni indicano che è esistito per almeno 9 miliardi di anni.

Ma come sottolinea Ethan Siegel, c’è un’importante implicazione inerente all’Inflazione che non viene presa in considerazione dai numerosi resoconti del Big Bang (e diagrammi basati su di esso). Per citare:

“… diversamente dalla Supersimmetria all’LHC, penso che ci sia circa il 98% di possibilità che l’inflazione sia corretta, questo significa anche che ogni singola immagine che vedi che pone il Big Bang prima dell’inflazione nella linea temporale cosmica non è solo sbagliata, ma disonesto. Questo perché non abbiamo idea di cosa sia successo prima di inflazione, e per la natura stessa di inflazione, non possiamo. Questo è il più indietro fisica ci permette di andare, almeno, in questo momento.
Quindi, per ricapitolare, l’inflazione è la cosa che succede che crea il Big Bang. Basato su ciò che abbiamo visto, estende l’Universo in piano, lo rende la stessa temperatura in tutte le direzioni, si sbarazza di qualsiasi roba che stava in giro in anticipo e crea il giusto fluttuazioni su tutte le scale – piccole e grandi – per crescere nelle stelle, nelle galassie e nei grappoli che abbiamo attualmente.

L’universo ecpirotico – un’alternativa all’inflazione

“L’universo ekpyrotic, o scenario ekpyrotic, è un modello cosmologico dell’origine e della figura dell’universo Il nome viene da un termine stoico ekpyrosis che significa conflagrazione o nell’uso stoico” conversione in fuoco “. Il modello ekpyrotic del l’universo è un’alternativa al modello standard di inflazione cosmica per l’universo primordiale, entrambi i modelli ospitano il modello standard del Big Bang Lambda-CDM del nostro universo.Il modello ekpyrotic è un precursore e parte di alcuni modelli ciclici.”

Il modello ekpyrotic è venuto fuori lavoro di Neil Turok e Paul Steinhardt e sostiene che l’universo non ha avuto inizio in una singolarità, ma è nato dalla collisione di due brane.Questa collisione evita la singolarità primordiale e l’espansione superluminale preservando le fluttuazioni di densità quasi prive di scala e altre caratteristiche dell’universo osservato. Il modello ekpyrotic è ciclico, benchè le collisioni fra le brane siano rare sulla scala temporale dell’espansione dell’universo verso una distesa piatta quasi informe. Le osservazioni che possono distinguere tra i modelli ekpirotico e inflazionistico includono la polarizzazione della radiazione di fondo delle microonde cosmiche e la distribuzione di frequenza dello spettro delle onde gravitazionali. “( Khoury et al 2001 , Steinhardt & Turok 2002 )

Riscaldamento

Durante il riscaldamento, l’espansione esponenziale che si è verificata durante l’inflazione cessa e l’energia potenziale del campo di gonfiaggio decade in un plasma di particelle caldo e relativistico. Se la grande unificazione è una caratteristica del nostro universo, allora l’inflazione cosmica deve verificarsi durante o dopo che la grande simmetria di unificazione è stata interrotta, altrimenti i monopoli magnetici sarebbero stati visti nell’universo visibile. A questo punto, l’universo è dominato dalle radiazioni; forma di quark, elettroni e neutrini

Bariogenesi

Attualmente non vi sono sufficienti prove osservative per spiegare perché l’universo contiene molti più barioni rispetto agli antibarioni. Una spiegazione del candidato per questo fenomeno deve permettere che le condizioni di Sakharov siano soddisfatte in qualche momento dopo la fine dell’inflazione cosmologica. Mentre la fisica delle particelle suggerisce asimmetrie in cui queste condizioni sono soddisfatte, queste asimmetrie sono troppo piccole in modo empirico per giustificare l’asimmetria barionica-antibaria osservata dell’universo.

WIMP e Cosmic Timeline

La natura della materia oscura è sconosciuta. Un notevole numero di prove indica che non può essere materia barionica, cioè protoni e neutroni. Il modello preferito è che la materia oscura è composta principalmente da particelle esotiche formate quando l’universo era una frazione di un secondo vecchio. Tali particelle, che richiederebbero un’estensione del cosiddetto modello standard della fisica delle particelle elementari, potrebbero essere WIMP (particelle massive che interagiscono debolmente), o assioni, o neutrini sterili.

Introduzione all’universo ecpirotico

Il Modello Ekpyrotic dell’Universo propone che il nostro universo attuale sia nato da una collisione di due mondi tridimensionali (brane) in uno spazio con una dimensione spaziale extra (quarta). La proposta è interessante di per sé, ma anche perché prcede di una teoria più potente e esplicativa, il modello ciclico.

Qual è il modello del Big Bang? Il modello significa che l’universo è iniziato da un singolo punto, ha subito un’esplosione e da allora è andato in pezzi. Tuttavia, il big bang non è affatto un’esplosione. Questo è un termine improprio che i cosmologi vorrebbero correggere. Il big bang è l’espansione o lo stretching dello spazio. Non è che le cose stiano volando fuori da un punto. Piuttosto, tutte le cose si stanno allontanando l’una dall’altra. È come avere un foglio di gomma infinito con persone sedute su di esso. Allunga il foglio di gomma e tutte le persone si allontanano l’una dall’altra. Ogni cosa si trova centro di un’esplosione. È un’illusione ottica: tutti si allontanano da tutti  e non c’è un centro. Andando a ritroso  nel tempo  il foglio era sempre più teso e le persone erano più vicine. Quando tutti sono così vicini sono uno sopra l’altro, questo è l’inizio del quadro del big bang: la singolarità cosmica. A quel tempo, l’universo aveva densità e temperatura quasi infinite.

La nuova teoria contraddice il modello del Big Bang? Qui dobbiamo stare attenti. Ci sono alcuni scettici che hanno scritto “il Big Bang non è mai successo”, con il quale intendono dire che l’universo non si sta espandendo oggi e non lo è mai stato. Lo dicono nonostante prove schiaccianti a favore dell’espansione e del raffreddamento attuale e degli ultimi 15 miliardi di anni. Il nostro modello non fa nulla per contraddire questa storia. Cioè, l’universo si è espanso negli ultimi 15 miliardi di anni. Quello che fa il nostro modello è modificare i primi momenti della storia. Invece di iniziare con temperature e densità pressoché infinite, l’universo iniziò in uno stato molto diverso: freddo e quasi vuoto. L’universo in espansione caldo che conosciamo è il risultato di una collisione che ha portato l’universo a una temperatura e una densità grandi ma limitate. Il resto della storia è come vuole il modello del Big Bang, ma l’inizio è diverso.

Perché dobbiamo sostituire l’inizio della storia? Perché il modello del Big Bang, senza emendamenti, tenderebbe a produrre un universo che è altamente disomogeneo, con uno spazio deformato e curvo, e nessun meccanismo naturale per creare stelle, galassie e strutture di scala più grande nell’universo. I cosmologi hanno cercato di correggere queste incongruenze modificando la storia antica dell’universo – entro il primo miliardesimo miliardesimo miliardo di secondi o meno. Una proposta è la “teoria inflazionaria” dell’universo, che propone che l’universo abbia iniziato a diventare caldo e denso e abbia subito un periodo di iperespansione. Il modello ekpyrotic è una nuova alternativa, che è, in molti modi, una partenza più radicale dal concetto del Big Bang.

Qual è la proposta Ekpyrotic? Il modello si basa sull’idea che il nostro universo hot big bang sia stato creato dalla collisione di due mondi tridimensionali che si muovono lungo una dimensione extra nascosta. I due mondi tridimensionali si scontrano e “attaccano”, l’energia cinetica nella collisione è convertita in quark, elettroni, fotoni, ecc., Che sono confinati per muoversi su tre dimensioni.La temperatura risultante è finita, quindi il grande caldo la fase del botto inizia senza una singolarità. L’universo è omogeneo perché la collisione e l’inizio della fase del big bang avviene quasi simultaneamente ovunque.La geometria energeticamente preferita per i due mondi è piatta, quindi la loro collisione produce un universo big bang piatto. Questo significa che la densità di energia totale dell’Universo è uguale alla densità critica. Gli effetti quantistici fanno sì che il mondo tridimensionale entrante si increspi lungo la dimensione extra prima della collisione, in modo che la collisione si verifichi in alcuni punti in tempi leggermente diversi rispetto ad altri. Quando la collisione è completa, l’increspatura porta a piccole variazioni di temperatura, quali fluttuazioni della temperatura delle sementi nello sfondo delle microonde e la formazione di galassie. Abbiamo dimostrato che lo spettro delle fluttuazioni della densità di energia è invariante la scala (la stessa ampiezza su tutte le scale). La produzione di uno spettro invariante di scala dall’iperespansione fu uno dei grandi trionfi della teoria inflazionaria, e qui abbiamo ripetuto l’impresa usando una fisica completamente diversa. Gli elementi costitutivi della teoria ekpirotica derivano dalla teoria delle superstringhe. La teoria delle superstringhe richiede dimensioni extra per la coerenza matematica. Nella maggior parte delle formulazioni sono richieste 10 dimensioni. A metà degli anni ’90, Petr Horava (Rutgers) e Ed Witten (IAS, Princeton) sostenevano che, in determinate condizioni, una dimensione addizionale si apre su un intervallo finito. Si presume che le sei dimensioni siano accartocciate in una sfera microscopica, chiamata collettore Calabi-Yau. La palla è troppo piccola per essere notata nell’esperienza quotidiana, e così il nostro universo sembra essere una superficie quadridimensionale (tre dimensioni spaziali e una dimensione temporale) incorporata in uno spazio-tempo a cinque dimensioni. Questa teoria a cinque dimensioni, chiamata eterotia teoria M, fu formulata da Andre Lukas (Sussex). Ovrut e Dan Waldram (Queen Mary Westerfield College). Secondo Horava-Witten e la teoria eterotica di M, le particelle sono costrette a muoversi su uno dei confini tridimensionali su entrambi i lati dell’intervallo extra-dimensionale. Il nostro universo visibile sarebbe uno di questi confini; l’altro confine e lo spazio intermedio sarebbero nascosti perché particelle e luce non possono viaggiare attraverso lo spazio intermedio. Solo la gravità è in grado di accoppiare la materia su un confine all’altro. Inoltre, possono esistere altre ipersuperfici tridimensionali nell’intervallo, che si trovano paralleli ai confini esterni e che possono trasportare energia. Questi piani intermedi sono chiamati “brane”, a corto di membrane.

Da dove viene il termine “ekpyrotic”? Il termine “ekpyrosis” significa “conflagrazione” in greco e si riferisce ad un antico modello cosmologico stoico. Secondo il modello, l’universo è creato in una improvvisa esplosione di fuoco, non diversamente dalla collisione tra mondi tridimensionali nel nostro modello. L’universo attuale si evolve dal fuoco iniziale.

Nota cautelativa: Come ultima osservazione, riteniamo che sia importante rendersi conto che la teoria inflazionistica si basa sulla teoria dei campi quantistici, un quadro teorico ben consolidato, e il modello è stato accuratamente studiato e sottoposto a controllo per vent’anni. La nostra proposta si basa su idee non provate nella teoria delle stringhe ed è completamente nuova. Mentre apprezziamo l’entusiasmo e l’interesse con cui è stato ricevuto il documento, suggeriamo una certa pazienza prima di diffondere queste idee per lasciare il tempo per noi di produrre alcuni documenti di follow-up che introducono ulteriori elementi e per consentire ai colleghi teorici il tempo per le critiche e giudizio sobrio.

Prima del Big Bang

La Chiesa cattolica, che ha messo Galileo agli arresti domiciliari per aver osato dire che la Terra orbita attorno al sole, non è nota per accettare facilmente nuove idee scientifiche. Fu quindi una sorpresa quando Papa Pio XII dichiarò la sua approvazione nel 1951 di una nuova teoria cosmologica: il Big Bang. Ciò che ha incantato il papa è stata la cosa che inizialmente ha reso gli scienziati cauti: la teoria dice che l’universo ha avuto un inizio e che sia il tempo che lo spazio sono balzati fuori dal nulla. Sembrava confermare le prime frasi di Genesi. Alla fine, gli astrofisici seguirono la guida del papa, poiché le prove per il Big Bang divennero troppo potenti da ignorare. Accettarono l’idea che l’intero universo osservabile – 100 miliardi di galassie, ciascuna con 100 miliardi di stelle, che si estendeva per oltre 10 miliardi di anni luce in tutte le direzioni – una volta era schiacciato in uno spazio molto più piccolo di un singolo elettrone. Comprarono l’idea che il cosmo esplodesse precisamente 13,7 miliardi di anni fa e si sia espanso da allora. Ma anche ora, molti astrofisici sono ancora a disagio con l’implicazione che il Big Bang abbia segnato l’inizio del tempo stesso. E la teoria deve ancora dare una risposta soddisfacente a una domanda chiave: cosa ha fatto andare il Big Bang al botto?

I cosmologi Paul Steinhardt e Neil Turok hanno un’idea radicale che potrebbe spazzare via questi misteri. Essi teorizzano che il cosmo non è mai stato compattato in un singolo punto e non è emerso in un istante violento. Invece, l’universo come lo conosciamo è una piccola sezione trasversale di un universo molto più grande la cui vera grandezza è nascosta in dimensioni che non possiamo percepire. Quello che pensiamo come il Big Bang, sostengono, era il risultato di una collisione tra il nostro mondo tridimensionale e un altro mondo tridimensionale inferiore alla larghezza di un protone lontano dal nostro – proprio accanto a noi, eppure spostato in un modo che lo rende invisibile. Inoltre, dicono che il Big Bang è solo l’ultimo di un ciclo di collisioni cosmiche che si estende all’infinito nel passato e nel futuro. Ogni collisione crea nuovamente l’universo. Il 13.

Le dimensioni nascoste e i mondi in collisione nel nuovo modello sono una conseguenza della teoria delle superstringhe, un concetto sempre più popolare nella fisica fondamentale. Gli scienziati si affidano attualmente a due teorie reciprocamente incompatibili – relatività e meccanica quantistica – per descrivere gli oggetti più massicci dell’universo da una parte e le particelle subatomiche dall’altra. Per quasi un secolo, i teorici hanno tentato di creare un singolo modello e un singolo insieme di equazioni che fonde le due visioni della fisica. La teoria delle superstringhe è un tentativo in evoluzione di fare proprio questo: spiegare la materia, l’energia, lo spazio-tempo e le forze fondamentali della natura in un unico quadro. La teoria delle stringhe è diabolicamente complessa. Per farlo funzionare, i teorici devono assumere che lo spazio non sia solo tridimensionale, il modo in cui appare ai nostri meschini sensi umani, ma piuttosto che abbia fino a 10 dimensioni spaziali. Proprio come un lenzuolo appeso a una corda da bucato sembra essere un oggetto bidimensionale sospeso in un mondo tridimensionale, tutto lo spazio-tempo sarebbe sospeso in uno spazio di ordine superiore. In armonia con questa analogia bidimensionale, i teorici delle stringhe descrivono il nostro universo osservabile come una membrana – “brane” per brevi sbattimenti nelle brezze del reale universo 10-dimensionale.

I fisici stanno appena cominciando a colpire e stimolare le grandi implicazioni della teoria delle superstringhe. Questo è ciò che Burt Ovrut dell’Università della Pennsylvania stava facendo durante una conferenza di cosmologia del 1998 al Newton Institute of Mathematical Sciences di Cambridge, in Inghilterra. Ha chiesto: Se viviamo su una brana che sta diffondendosi attraverso lo spazio multidimensionale, perché non dovrebbero esserci altre brane simili che galleggiano là fuori? Niente nella teoria ha escluso questa possibilità. E se esistono altre brane, potrebbero interagire. Sarebbe affascinante, Ovrut ha proposto durante il suo discorso, di considerare cosa potrebbe accadere se lo facessero. L’idea incuriosì Steinhardt, un professore dell’Università di Princeton che era seduto tra il pubblico. Se l’interazione tra brane fosse stata una collisione, avrebbe innescato una reazione straordinariamente potente, immaginò Steinhardt, date le immense quantità di materia ed energia in ciascuna. L’incidente avrebbe rilasciato così tanta energia, in effetti, che potrebbe essere paragonabile a un’altra versione di energia che conosceva già: il Big Bang.

 Nel frattempo, Turok, un professore dell’Università di Cambridge, era seduto nello stesso pubblico con pensieri simili. Dopo la conferenza entrambi gli uomini si avvicinarono a Ovrut per discutere le loro idee. “Era chiaro che una collisione di brane sarebbe stato un evento drammatico”, dice Turok. “La gente ne aveva parlato in modo matematico prima, ma nessuno lo aveva mai pensato come un processo fisico reale.” Steinhardt, Turok e Ovrut, insieme allo studente laureato di Steinhardt, Justin Khoury, decisero di vedere quali implicazioni potessero avere collisioni tra brane per la cosmologia. Non erano guidati solo dalla curiosità oziosa. In particolare, Steinhardt era sempre più disincantato dal modello convenzionale del Big Bang. Il problema non era solo il fatto che la teoria richiedesse che il tempo e lo spazio iniziassero, ma anche che più i cosmologi cercavano di perfezionare il loro modello, il disordine che sembrava.

Il modello originale del Big Bang era semplice: un nodo caldo e denso di energia esplose verso l’esterno, si solidificò nella materia e continuò ad espandersi. Ma dagli anni ’80, gli astrofisici avevano abbracciato un’elaborazione più complessa del Big Bang conosciuta come inflazione. Ironia della sorte, uno dei teorici che hanno sviluppato questa idea era Steinhardt. La teoria dell’inflazione postula che nel primo centomilionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di un secondo della sua vita, l’universo si espandesse come se fosse turbocompresso, gonfiandosi molto più velocemente della velocità della luce, prima di stabilirsi in un altro tasso di crescita tranquillo. L’unico modo che sarebbe potuto accadere è se ci fosse stata un’incredibile fonte di energia che pervade il cosmo neonato e lo fa esplodere. Oggi non vediamo nulla di simile nell’universo, quindi i cosmologi hanno dovuto supporre che il potente campo energetico esistesse solo per una frazione di secondo dopo il Big Bang e poi svanito.

Evocare nuovi campi di energia sconosciuti va contro sia il senso comune sia una delle dottrine scientifiche più apprezzate. Un principio noto come il rasoio di Occam dice che la spiegazione più semplice possibile per i fenomeni naturali è solitamente giusta. Forse l’esempio più noto è la cosmologia centrata sulla Terra di Tolomeo, che ha dominato la scienza occidentale per 1.000 anni. Quando i teorici tolemaici scoprirono che i pianeti non sembravano muoversi in un semplice schema attorno alla Terra, aggiunsero degli epicicli – piccoli movimenti circolari in cima ai grandi cerchi orbitali. Un esame più approfondito ha mostrato che questo non spiegava abbastanza le osservazioni, quindi i teorici hanno aggiunto l’epiciclo in cima agli epicicli finché il modello non ha funzionato. Anche il risultato finale è stato molto complesso. Poi Copernico arrivò con l’idea di una cosmologia centrata sul sole e Johannes Kepler realizzò che i pianeti si muovono effettivamente in ellissi. All’improvviso, i moti planetari avevano senso senza la complessità degli epicicli, e la vecchia   teoria fu abbandonata.

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Fase uno: UNIVERSO VUOTO
Ogni pannello rappresenta una membrana tridimensionale. L’universo osservabile esiste all’interno del pannello sulla destra; l’altra membrana è invisibile per noi. Alla fine di un ciclo cosmico – dopo circa un trilione di anni di accelerazione dell’espansione – la materia è così diffusa che lo spazio è essenzialmente vuoto. Questo stadio corrisponde al futuro lontano del nostro universo. Tuttavia, non tutto è statico: le membrane contengono ancora energia e una forza di attrazione le riunisce gradualmente.
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Secondo passo: COLLISIONE ARDENTE 
Le membrane si avvicinano l’una all’altra, si increspano e si distorcono in modo che le superfici si uniscano in luoghi diversi e in momenti diversi. Quando le superfici della membrana si schiantano l’una nell’altra, vengono rilasciate grandi quantità di energia (zona bianca). Chiamata ekpyrosis – la parola greca per conflagrazione – la colossale collisione dà alla luce un universo da bambino nella nostra membrana (a destra). La forza dell’impatto fa sì che lo spazio si espanda rapidamente e spinge anche le due membrane a parte.
L’inflazione sembrava una complessità necessaria. Senza di essa, l’universo apparirebbe molto diverso – ad esempio, le galassie su un lato dell’universo sarebbero distribuite in modo diverso dalle galassie dall’altra parte, che non sembrano essere. Con l’aumentare dell’inflazione, alcuni cosmologi brontolavano di epicicli. Poi il Big Bang è diventato ancora più complicato.

A partire da circa cinque anni fa, gli astronomi che misuravano il tasso di espansione dell’universo scoprirono che miliardi di anni dopo il Big Bang – molto tempo dopo la fine dell’inflazione – l’espansione cosmica iniziò ad accelerare di nuovo. I teorici hanno invocato un altro campo di energia sconosciuta, chiamato energia oscura, per spiegare quell’accelerazione cosmica. “Questo non è stato affatto previsto”, afferma Steinhardt. “Possiamo inserirli nel modello, ma non sappiamo cosa sia questa cosiddetta energia oscura, il modello standard sta sicuramente diventando più ingombrante di tempo. Potrebbe essere ancora valido, ma il fatto che dobbiamo continuare ad aggiungere le cose sono un brutto segno. ”

Le prove astronomiche indicano chiaramente che l’universo osservabile si è espanso negli ultimi 13,7 miliardi di anni. Nel modello inflazionario del Big Bang, l’universo era caldo e denso all’inizio, e subito dopo attraversò un periodo di iperexpansione. Steinhardt ei suoi colleghi consideravano una possibilità molto diversa: cosa accadrebbe se l’universo avesse effettivamente iniziato in modo freddo e vuoto? Se così fosse, l’idea di brane in collisione in una dimensione nascosta potrebbe fornire una spiegazione più semplice per l’espansione in corso. Per scoprire se l’idea aveva senso, la coppia ha assunto l’arduo compito di padroneggiare le equazioni della teoria delle superstringhe e applicarle alla loro teoria. Per semplicità, i ricercatori presumevano che le brane fossero piatte e parallele l’una all’altra. Presupponevano anche che le brane non contenessero alcuna materia. Ciò non significava che le brane fossero vuoti: la teoria quantistica afferma che anche il vuoto totale dello spazio vuoto è ribollente di particelle subatomiche “virtuali” che costantemente ammiccano dentro e fuori dall’esistenza. In aggregato, queste particelle virtuali si sommano a un’enorme quantità di energia latente, che, secondo la teoria della relatività ristretta di Einstein, equivale a un’incredibile quantità di massa. Quindi uno scontro tra due brane vuote sarebbe ancora una collisione di proporzioni gigantesche.

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Terzo passo: UNIVERSO RIEMPITO DA GALASSIE
Dopo che le due membrane si scontrano, si allontanano. La palla di fuoco iniziale si espande e si raffredda, con le increspature della membrana che portano alle piccole fluttuazioni di temperatura nella radiazione di fondo delle microonde osservate nel nostro universo. La sequenza successiva di eventi riecheggia il modello del Big Bang: i blocchi di gas danno origine a galassie e altre strutture cosmiche e lo spazio continua ad espandersi. Questo corrisponde approssimativamente allo stato attuale del nostro universo.
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Quarto passo: VECCHIO UNIVERSO

Verso la fine di un’era cosmica, lo spazio si è espanso a tal punto che le galassie si sono allontanate molto lontano. Dopo circa un trilione di anni, la maggior parte delle stelle è bruciata e il nostro universo è quasi vuoto. Ma questa non è la fine della storia. La continua attrazione tra le membrane vicine le riunisce di nuovo, ponendo le basi per un’altra colossale collisione e una rinascita ekpyrotic del nostro universo. Il ciclo di collisioni tra le membrane continua nell’eternità. Questo è esattamente ciò che sembrava l’universo prima che le prime stelle si accendessero e si formassero le prime galassie. Sappiamo che poiché la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), lanciata nel 2001, ha recentemente rivelato il modello di punti caldi e freddi nel calore rimasto dai primi giorni dell’universo. Nel modello del Big Bang / inflazione, i punti caldi sono generati dal rumore quantico che viene amplificato dal campo di energia inflazionaria. “Con nostra grande sorpresa, dopo aver eseguito questi calcoli enormi e complessi, abbiamo scoperto che le brane collidenti produrrebbero esattamente lo stesso andamento delle fluttuazioni di temperatura”, afferma Turok.

“Sembrava quasi miracoloso per noi che si è rivelato in questo modo”, dice Steinhardt. La nuova idea è stata soprannominata l’universo ekpyrotic. Ekpyrosis significa conflagrazione in greco e si riferisce ad un antico modello cosmologico stoico in cui l’universo è catturato in un ciclo eterno di nascita infuocata, raffreddamento e rinascita.

Il gruppo di ricerca ha successivamente rivolto la sua attenzione a ciò che sarebbe accaduto nelle brane dopo una collisione. I calcoli suggerivano che l’incidente avrebbe generato una palla di fuoco di tutta l’universo di pura energia all’interno di ciascuna brana. Quell’esplosione avrebbe allontanato di nuovo le due brane. Poi, mentre la palla di fuoco che soffocava la nostra brana ha iniziato a raffreddarsi, la sua energia sottostante subirebbe una transizione di fase, come l’acqua che si congela in ghiaccio. Questa transizione libererebbe una forza che avrebbe fatto sì che l’universo iniziasse ad espandersi. I punti caldi della palla di fuoco si sarebbero congestionati in gruppi di materia che alla fine sarebbero diventati gruppi di galassie. I punti freddi sarebbero diventati vuoti vuoti tra i grappoli.

Questa teorizzazione concorda con ciò che possiamo vedere nel nostro universo ora. Il modello ekpyrotic conduce ad uno scenario molto simile al fireball del Big Bang, ma non vi è alcun episodio di inflazione. Fin dall’inizio, il cosmo ha subito una sola forza che ha accelerato l’espansione. Quella forza è ancora al lavoro oggi, il che significa che, invece di andare in arresto, l’universo si sta espandendo più velocemente oggi di quanto non fosse un miliardo di anni fa e si espanderà più velocemente tra un miliardo di anni. In breve, quella forza spiegherebbe anche la forza enigmatica che gli astronomi hanno recentemente chiamato energia oscura. Ulteriori calcoli di Steinhardt e Turok suggeriscono che siamo all’inizio di un processo molto lungo che alla fine si tradurrà in quello che sembra essere un universo vuoto. Trilioni di anni da oggi, la materia sarà così ampiamente diffusa che la sua densità media sarà molto meno di un singolo elettrone per un quadrilione cubico di anni luce di spazio. È così vicino alla densità zero che non c’è alcuna differenza significativa. Ancora una volta, questo scenario riecheggia le previsioni della cosmologia convenzionale del Big Bang, tranne che nel modello proposto da Steinhardt e Turok, la storia non finisce qui. Nel lontano futuro, un altro mondo tridimensionale si annida ancora nelle vicinanze, analogamente svuotato dopo il suo incontro con il nostro, invisibile e impercettibile per noi. Sebbene siano rimbalzati dopo la collisione, le due brane eserciteranno una forza reciproca analoga alla gravità, e alla fine si incontreranno in un altro incidente, provocando un altro Big Bang. Il ciclo di tali collisioni sarebbe eterno.

 “I modelli dell’universo ciclico erano popolari negli anni ’20 e ’30”, dice Steinhardt. “Ma erano basati sull’idea di un Big Bang seguito da un Big Crunch seguito da un altro Big Bang”. In questi modelli, la stessa materia viene riciclata all’infinito, quindi l’entropia dell’universo – la sua tendenza al disordine nel tempo – aumenta da un ciclo all’altro. “Il risultato è che ogni ciclo successivo si allunga”, dice Steinhardt. “E se torni indietro nel passato, ogni ciclo si accorcia: in definitiva, devi ancora avere un inizio.” In linea di principio, gli scienziati non dovrebbero preoccuparsi. In pratica, la maggior parte ha una tendenza molto umana ad aborrire l’idea di un inizio al tempo. E la maggior parte trova la prospettiva di un universo che finirà un giorno per essere piuttosto cupo. In questo nuovo modello ciclico, l’universo inizia essenzialmente a essere vuoto ogni volta. Ciò significa che praticamente non viene riciclato. Quindi l’entropia non aumenta e non c’è inizio né fine al tempo. Il modello funziona così bene che ci si potrebbe aspettare che i cosmologi lo abbraccino con tutto il cuore. In realtà, la ricezione è stata tiepida. Una ragione è che al momento della collisione, la dimensione extra che separa le due brane va da minuscola a letteralmente zero. Ciò crea ciò che i fisici chiamano una singolarità, un punto in cui le leggi della fisica si infrangono. Sebbene la teoria delle superstringhe possa aiutare a spiegare cosa succede in una singolarità, non lo ha ancora fatto. “Il problema è molto difficile”, ammette Turok.

Questo, dicono alcuni fisici, è un eufemismo. “Non credo che Paul e Neil si avvicinino a dimostrare il loro caso”, dice Alan Guth, un cosmologo del MIT, padre fondatore della teoria dell’inflazione. “Ma le loro idee sono certamente degne di essere viste.” Anche Nathan Seiberg, teorico delle stringhe presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, è cauto. “Non so se il loro modello è giusto o sbagliato”, dice. Joel Primack, un fisico e cosmologo dell’Università della California a Santa Cruz, non è nemmeno interessato a ciò che è giusto o sbagliato. “Penso che sia sciocco fare molta produzione su questa roba”, dice. “Preferisco passare il mio tempo a lavorare sulle questioni davvero importanti che la cosmologia osservativa ci ha trasmesso sulla materia oscura e l’energia oscura: le idee contenute in questi articoli sono essenzialmente non verificabili”.

Steinhardt e Turok rispondono che la loro teoria potrebbe ottenere credibilità da LISA, una sonda spaziale proposta che cercherebbe onde gravitazionali dall’universo primordiale. Le onde gravitazionali sono increspature nel tessuto dello spazio-tempo che erano state predette da Albert Einstein. Finora, sono teorici. Ma entro il 2020, le coppie di esperimenti LISA di satelliti a volo libero che si sarebbero allontanati e insieme a ciascuna onda passante potrebbero trovare prove di inflazione o non trovare nulla e quindi inclinare la bilancia verso l’ekpyrosis. La teoria dell’inflazione afferma che l’intera massa dell’universo ha accelerato a molte volte la velocità della luce in una frazione di secondo e avrebbe dovuto impostare l’intero cosmo che suona con le onde gravitazionali. L’ekpirosi, al contrario, che comporta una collisione molto lenta tra universi, non genererebbe onde osservabili. “Se abbiamo ragione, “dice Steinhardt,” sarà terribilmente eccitante. Se risultassimo sbagliati, sarebbe deludente, ovviamente, ma è comunque importante sfidare l’inflazione con teorie alternative in modo da poter vedere quanto sia robusto in realtà “.

David Spergel, un astrofisico di Princeton e membro del gruppo di ricerca satellite WMAP, è d’accordo. “La cosmologia deve essere legata alla teoria delle superstringhe prima o poi”, dice. “Ci sono diverse idee là fuori in competizione con l’inflazione, e potrebbero rivelarsi tutte sbagliate, ma direi che questa ha le migliori possibilità di avere ragione”. Se lo è, dobbiamo ripensare il nostro posto nell’universo, infatti, abbiamo bisogno di ripensare l’universo stesso. Nella visione ekpirotica della realtà, tutto ciò che gli astronomi hanno mai osservato è solo un puntino all’interno delle dimensioni superiori, e tutta la storia dal momento del Big Bang è solo un istante nell’infinità del tempo. Questa visione della creazione è molto più grande dell’universo della cosmologia tradizionale o dell’universo della Bibbia.

La missione LISA Pathfinder

I primi risultati scientifici della sonda che incorpora un sofisticato sistema per rilevare le onde gravitazionali confermano che un osservatorio spaziale del genere funziona.

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Il sofisticato meccanismo all’interno di Lisa Pathfinder. Il team scientifico della sonda ha dimostrato che funziona e può essere utilizzato per osservare le onde gravitazioneli. In particolare i ricercatori hanno mostrato che l’accelerazione relativa tra le due masse di prova all’interno della sonda è più piccola di dieci milionesimi di un miliardesimo (10 elevato alla -14) dell’accelerazione di gravità sulla Terra.

La missione della sonda LISA Pathfinder ha raggiunto pienamente il suo obiettivo, dimostrando la fattibilità tecnologica della costruzione di un osservatorio spaziale per onde gravitazionali. Com’è noto, la sonda LISA Pathfinder è stata progettata proprio per testare le tecnologie necessarie a costruire un osservatorio spaziale per le onde gravitazionaliIn particolare al suo interno sono state poste due masse di prova identiche (due cubi di oro-platino di 2 kg ciascuna e di lato 46 mm) a una distanza di 38 cm, circondate da un vettore spaziale, che ha il compito di schermare i cubi dalle influenze esterne e che aggiusta la sua posizione continuamente per evitare di toccarle. L’aspetto cruciale dell’esperimento infatti è aver posto le masse in caduta libera, monitorando che si muovano sotto l’effetto della sola gravità, poiché anche nello spazio diverse forze – come il vento solare o la pressione di radiazione della luce solare – disturbano le masse di prova e la navicella. I risultati dei primi due mesi di attività scientifica della missione dimostrano che le due masse di prova a bordo della navicella sono in caduta libera nello spazio sotto l’azione della sola gravità, del tutto indisturbate da altre forze esterne, e quindi praticamente immobili l’una rispetto all’altra. Questo risultato è stato ottenuto con una precisione cinque volte maggiore di quella richiesta in fase di progetto.

RISULTATI CLAMOROSI. In un articolo pubblicato da Physical Review Letters, il team scientifico di LISA Pathfinder ha mostrato che l’accelerazione relativa tra le due masse di prova è più piccoladi dieci milionesimi di un miliardesimo (10‐14) dell’accelerazione di gravità sulla Terra. Il successo straordinario ottenuto dalle tecnologie-chiave della missione apre le porte allo sviluppo di un grande osservatorio spaziale, capace di rivelare le onde gravitazionali di bassa frequenza, tra 0,1 mHz e 1 Hz, emesse da un ampio spettro di esotici oggetti astronomici.L’osservatorio eLISA (Laser Interferometer Space Antenna), già nel programma delle future grandi missione ESA, sarà composto da tre masse di prova analoghe a quelle testate da LISA Pathfinder, ma tenute a 1 milione di chilometri l’una dall’altra e connesse da un raggio laser, che ne misura la distanza relativa. Il triangolo costituito dalle tre masse si muoverà lungo un’orbita attorno al Sole, viaggiando a 50 milioni di chilometri dalla Terra.

La missione LISA Pathfinder in un colpo d’occhio.

LA MISSIONE. Lisa Pathfinder è stata lanciata il 3 dicembre 2015 e alla fine di gennaio 2016 ha raggiunto la sua orbita operativa, circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra in direzione del Sole. La missione ha cominciato la sua attività scientifica il 1 marzo. «Non solo abbiamo verificato che le masse di prova sono sostanzialmente immobili, ma abbiamo anche identificato la gran parte delle debolissime forze che le disturbano e con precisione mai raggiunta prima» spiega Stefano Vitale dell’Università di Trento e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, responsabile scientifico del LISA Technology Package, il cuore tecnologico della missione, realizzato anche con il contributo dell’Agenzia Spaziale Italiana. Questi risultati straordinari mostrano che il controllo raggiunto sulle masse di prova è al livello richiesto per realizzare un osservatorio gravitazionale nello spazio.I primi due mesi di dati mostrano infatti che, nel range di frequenze tra 60 mHz e 1 Hz, la precisione di Lisa Pathfinder è limitata solo dal rumore dei sensori del sistema ottico, usato per monitorare la posizione e l’orientamento delle masse di prova.

Alle frequenze tra 1 e 60 mHz, il controllo delle masse è invece limitato dal piccolo numero di molecole di gas rimaste nel vuoto intorno ai cubi e che rimbalzano sulla loro superficie. Questoeffetto è diminuito rendendo ancora più spinto il vuoto esistente e ci si aspetta possa essere ridotto ulteriormente nei prossimi mesi. Infine a frequenze ancora più basse, inferiori a 1 mHz, gli scienziati hanno misurato una forza centrifuga che agisce sui cubi e dovuta alla forma dell’orbita di LISA Pathfinder, combinato con l’effetto del rumore nel segnale dello strumento usato per orientare la sonda. Questa forza che disturba lievemente il moto delle masse nella sonda, non sarebbe però un problema per un futuro osservatorio spaziale, dove ogni massa sarebbe collocata nella sua navicella e collegata con un laser alle altre, distanti milioni di chilometri.

Lisa Pathfinder ha superato anche le più ottimistiche previsioni.

STRADA APERTA. I risultati di oggi mostrano quindi che LISA PAthfinder ha provato la fattibilità tecnologica e aperto la strada alla realizzazione di un osservatorio per onde gravitazionali nello spazio, che sarà realizzato come terza missione di grande scala (L3) nel Cosmic Vision programme dell’ESA. L’attività scientifica dell’intero LISA Technology Package continuerà fino alla fine di giugno 2016 e sarà seguita da tre mesi di operazioni del Disturbance Reduction System, fornito dalla NASA-JPL per validare la tecnologia aggiuntiva di future navicelle di questo tipo.

Referenze

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  • Una breve introduzione all’Universo Ekpyrotic di Steinhardt, Paul J., Dipartimento di Fisica, Università di Princeton.
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  • Le sfide “Brane-Storm” fanno parte della teoria del Big Bang .
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