Premetto che la domanda è un po' ambigua. Non capisco bene, infatti, se si riferisce alla teoria delle stringhe cosmiche, oppure ai modelli cosmologici ottenuti applicando la teoria delle stringhe all'Universo.

Assumerò dunque che ci si riferisca alla seconda alternativa, ovvero a quello scenario comunemente noto col nome di cosmologia di stringa. Come dice il nome stesso, è una descrizione dell'universo (soprattutto primordiale) che assume come equazioni di base, per descrivere la gravità e le altre interazioni, le equazioni fornite dalla teoria delle stringhe. Si contrappone in questo al cosiddetto modello cosmologico standard, e al convenzionale modello inflazionario, che usano invece come equazioni di base quelle della relatività generale e del modello standard delle particelle elementari.

L'idea di usare la teoria delle stringhe per sviluppare un modello realistico del nostro universo era stata presa in considerazione già negli anni ottanta, da vari autori. Non aveva però inizialmente avuto successo soprattutto perché manca, nei modelli di stringa, un campo scalare la cui energia potenziale possa dominare l'Universo e farlo espandere in maniera accelerata, giocando così il ruolo del cosiddetto campo inflatonico presente nei modelli inflazionari di tipo tradizionale. La fase di espansione accelerata (l'inflazione), d'altra parte, è un ingrediente indispensabile in un modello d'universo completo che risolva i problemi della cosmologia standard, e spieghi le piccole anisotropie attualmente osservate nella radiazione di fondo.

A causa di questa difficoltà, l'idea di costruire una cosmologia di stringa era stata parzialmente accantonata. Questa difficoltà è però stata risolta, all'inizio degli anni novanta, mostrando che una fase di espansione accelerata può essere prodotta non solo dall'energia potenziale, ma anche dall'energia cinetica di un campo scalare, e che nella teoria delle stringhe è necessariamente presente un campo scalare, chiamato dilatone, che ha tutte le proprietà necessarie per innescare, con la sua energia cinetica, una fase iniziale di tipo inflazionario.

Questa osservazione ha portato alla formulazione e allo sviluppo di una classe di modelli cosmologici, chiamati modelli di pre-big bang, inizialmente proposti da M. Gasperini e G. Veneziano nel lavoro Pre-big bang in string cosmology ("Astroparticle Physics" 1, p. 317, 1993, accessibile solo agli specialisti).

Il nome di questi modelli sottolinea il fatto che il big bang, ovvero la fase esplosiva di grande densità e temperatura che ha prodotto le forme di materia e radiazione che oggi osserviamo, per la cosmologia di stringa, non rappresenta l'istante iniziale dell'Universo. C'è infatti tutta una lunga fase iniziale, che precede e prepara questa esplosione, e durante la quale la forma dominante d'energia, su scala cosmica, è rappresentata dall'energia cinetica del campo dilatonico.

In questo contesto, l'inizio dell'Universo non è più localizzato a un istante fissato della nostra scala temporale. Piuttosto, la vita dell'Universo si estende nel tempo all'infinito, sia verso il passato che verso il futuro. Il big bang rappresenta solo un momento di violenta transizione tra la fase cosmologica attuale (il cosiddetto post-big bang), e la fase primordiale, il pre-big bang. Va sottolineato che la presenza di questa fase iniziale, precedente al big bang, non viene inventata, o introdotta ad hoc sulla base di motivazioni pseudo-scientifiche o filosofiche, ma è richiesta in modo stringente da un'importante simmetria delle teorie di stringa, chiamata simmetria duale. Si può quindi dire che un modello d'Universo compatibile con la dualità deve includere necessariamente una fase di pre-big bang, così come un modello di particelle compatibile con la supersimmetria deve includere necessariamente, per ogni particella bosonica, il rispettivo partner fermionico. Solo combinando l'attuale fase cosmologica di post-big bang con una fase di pre-big bang si ottiene un modello cosmologico che, nel suo complesso, è compatibile con le simmetrie della teoria di stringa.

La lunga fase iniziale precedente al big bang descrive un universo che si espande in maniera accelerata (come richiesto dai modelli inflazionari), ma con alcune proprietà (dettate dalla simmetria duale) che lo distinguono chiaramente dall'Universo attuale, e da quello descritto dalla cosmologia standard. In particolare, nella fase di pre-big bang, la curvatura dello spaziotempo è crescente, e l'orizzonte degli eventi si contrae (anziché espandersi, come nei modelli più convenzionali). Inoltre, le costanti di accoppiamento, che controllano l'intensità delle varie interazioni, diventano sempre più forti col passare del tempo, ed è proprio questo effetto che alla fine contribuisce a innescare l'esplosione del big bang, e a produrre le forme di materia ed energia che oggi osserviamo.

Grazie alle sue proprietà peculiari, la fase di pre-big bang lascia un'impronta caratteristica sulle proprietà del nostro Universo le cui tracce, perlomeno in linea di principio, dovrebbero essere osservabili anche oggi. Concentrandoci sugli aspetti accessibili alla tecnologia attuale (o ai suoi immediati sviluppi), ci sono tre effetti principali che vanno menzionati. Il primo è la produzione di un fondo di radiazione gravitazionale molto intenso ad alte frequenze (fino a un milione di volte più intenso del fondo previsto dai modelli non basati sulla teoria di stringa). Si è stimato, in particolare, che tale radiazione potrebbe essere prossimamente osservata dalle antenne gravitazionali che saranno in funzione nell'immediato futuro. A basse frequenze, invece, le onde gravitazionali prodotte dovrebbero essere molto meno intense di quanto previsto dai modelli inflazionari convenzionali. Una loro osservazione a basse frequenze, dunque, potrebbe facilmente smentire i modelli di cosmologia di stringa.

Il secondo è che le anisotropie della radiazione elettromagnetica di fondo, la cui misurazione è tuttora in corso, dovrebbero avere proprietà statistiche diverse (per esempio, distribuzione non gaussiana) rispetto a quelle previste dall'inflazione standard. Il terzo, infine, è un'efficace amplificazione (prodotta dal dilatone) delle fluttuazioni quantistiche del campo elettromagnetico nel vuoto, con una conseguente produzione di campi magnetici primordiali, capaci di innescare i campi cosmici attualmente osservati su scala galattica e intergalattica.

A conclusione di questa breve presentazione della cosmologia di stringa si segnalano, per eventuali approfondimenti, i seguenti testi (elencati in ordine di difficoltà crescente).

1. M. Gasperini, L'universo prima del big bang. Cosmologia e teoria delle stringhe, Franco Muzzio Editore, Roma 2002.
   Libro divulgativo (in italiano) senza equazioni e con molti disegni.
2. M. Gasperini, String cosmology versus standard and inflationary cosmology, in "Classical Quantum Gravity", 17, 2000.
   Articolo di rassegna (in inglese). Le idee della cosmologia di stringa sono riportate in modo tecnicamente preciso, ma senza usare equazioni.
3. M. Gasperini, Elementary introduction to pre-big bang cosmology and to the relic graviton background, in "Gravitational waves", IOP Publishing, Bristol 2000, p. 280.
   Lezioni (in inglese) rivolte a studenti dei corsi di dottorato in fisica, ma accessibili a studenti e laureati in fisica che abbiano già acquisito le conoscenze di base per la relatività generale e la cosmologia.
4. M. Gasperini e G. Veneziano, The pre-big bang scenario in string cosmology, "Physics Report", 373, 1 (2003).
   Lavoro di rassegna (in inglese) per specialisti di cosmologia e teoria della gravitazione. Riassume tutto il lavoro fatto in questo campo negli ultimi dieci anni.

Tranne il primo, gli altri tre testi sono reperibili sulla pagina web dedicata alla cosmologia di stringa, disponibile all'indirizzo: http://www.ba.infn.it/~gasperin
(si veda in particolare l'ultima sezione, intitolata Review talks and Lectures). Questa pagina contiene una raccolta (aggiornata) dei principali lavori che escono nel mondo sulla cosmologia di stringa.

La redazione consiglia inoltre di consultare una precedente risposta del professore Gabriele Veneziano che affronta l'argomento della cosmologia delle stringhe.