Observables from inflation: gravitational waves and magnetic fields

Il paradigma inflazionario rappresenta una modo affascinante ed elegante di spiegare alcuni cruciali fenomeni cosmologici; inoltre risulta in notevole accordo con le attuali osservazioni cosmologiche. Tuttavia, diversi aspetti della fisica di tale processo risultano ancora oscuri e una prova inequivocabile di tale meccanismo è ancora assente. Dall'altro lato, il meccanismo inflazionario si presenta come soluzione di problemi cosmologici ancora aperti, come l'osservazione di campi magnetici nel mezzo intergalattico. Per studiare in profondità il meccanismo inflazionario, una possibilità è offerta dalla nuova epoca di esperimenti per l'osservazione di onde gravitazionali. La prima parte della tesi è focalizzata su tale aspetto della fisica inflazionaria. Ciascun modello inflazionario predice la produzione di un fondo stocastico di onde gravitazionali (modo tensoriali) dovuti alle fluttuazioni quantistiche del campo gravitazionale. Inoltre, in alcuni scenari, la presenza di ulteriori campi oltre all'inflatone e al campo gravitazionale, genera efficaci sorgenti di onde gravitazionali, attivando la produzione classica. Il segnale di onde gravitazionali inflazionarie si rivela essere una unica e interessante finestra sull'origine e l'evoluzione dell'universo, e la possibilità di investigare la sottostante teoria della gravità. Nella tesi è mostrato il ruolo significativo delle onde gravitazionali primordiali nel testare il meccanismo inflazionario in sè e nel provare diversi aspetti della fisica inflazionaria, sfruttando la validità/violazione di una relazione di consistenza. Essendo le onde gravitazionali inflazionarie, un modo promettente di esplorare diversi aspetto della fisica dell'universo primordiale, è inoltre fornito un quadro aggiornato dello stato attuale e delle prospettive di osservazione dei modi tensoriali inflazionari, con una focalizzazione particolare sulla possibilità di osservazione diretta offerta dagli interferometri laser. Successivamente, sono esposte delle previsioni sulle possibilità offerte dell'interferometro spaziale LISA rispetto al testare la fisica inflazionaria. Nella seconda parte della tesi viene descritto un altro aspetto interessante della fisica inflazionaria, ovvero la possibilità di una significativa magnetogenesi. Le osservazioni di raggi gamma dai blazars indicano la presenza di campi magnetici nel mezzo intergalattico, dove non è presente plasma carico. Questo fatto suggerisce un'origine primordiale di tali campi magnetici. E' interessante notare che il meccanismo inflazionario fornisce un affascinante modo di spiegare la presenza di campi magnetici a scale cosmologiche. In una sezione dedicata, sono mostrati i principali modelli di magnetogenesi inflazionaria. Un aspetto comune di tale modelli è una sovra produzione di perturbazioni di curvatura e tensoriali, rispetto al modello inflazionario di single-field slow-roll. In generale, i limiti osservativi ottenuti da misurazioni di CMB su tali quantità comportano restrizioni significative sulla produzione di campi magnetici associata. Altri limiti sono imposti dal controllo della backreaction dei campi elettromagnetici. In particolare, nella tesi viene considerato il modello proposto da Caprini, in cui ha luogo una magnetogenesi in grado di spiegare le attuali osservazioni dei raggi gamma e di dare inizio al processo di dynamo galattica. Viene calcolata la correzione allo spettro e bispettro degli scalari rispetto al caso di single-field slow-roll, in tale scenario. Il risultato mostra come le restrizioni più forti siano dovute alla non osservazione di un bispettro degli scalari nelle anisotropie della CMB. Ciò nonostante, si conclude che anche quando tali restrizioni vengono prese in considerazione, lo scenario inflazioanrio in esame fornisce una robusta spiegazione dei campi magnetici osservati per una ragionevolmente alta scala di energia dell'inflazione.