Origine ed evoluzione dell'Universo

L'Universo

Con Universo intendiamo tutto lo spazio, la materia (galassie, stelle, pianeti, materia oscura e il contenuto dello spazio intergalattico) e l'energia, fra cui la misteriosa energia oscura.

 

L'espansione dell'Universo

L'osservazione dello spazio con i più potenti telescopi ha mostrato che, dovunque si volga lo sguardo, si vedono galassie. Le galassie non sono immobili ma sembrano tutte allontanarsi dalla Terra, cose se essa fosse al centro dell'Universo (recessione delle galassie).

effetto dopplerL'allontanamento delle galassie è stato dimostrato mediante l'effetto Doppler: se osserviamo una sorgente luminosa con uno spettroscopio, scopriamo che se la sorgente si allontana le righe dello spettro sono spostate verso il rosso e verso il blu se si avvicina.
Per spiegare questo fenomeno occorre immaginare il nostro Universo come la superficie di un palloncino sulla quale si trovano disegnati dei pallini che rappresentano le galassie; uno di essi indica la galassia dove si trova il nostro Sistema Solare. Il modello richiede l'eliminazione della terza dimensione, cioè il volume dell'Universo tridimensionale è ridotto alla superficie bidimensionale del palloncino. Il raggio del palloncino rappresenta la dimensione temporale.
Se noi gonfiamo il palloncino, scopriamo che tutti i pallini si allontanano tra loro e quello della nostra galassia non ha nulla di particolare rispetto agli altri: l'espansione dell'Universo non è dunque un allontanamento delle galassie in uno spazio vuoto, ma l'aumento reciproco delle distanze tra le galassie.

 

Modello di espansione dell'Universo

Modello di espansione dell'Universo.
M. CEROFOLINI, G. MONACI, Universo Terra Uomo, Archimede Torino 1996, p. 31.

 

Il Big Bang

Se le galassie si allontanano, vuol dire che in passato erano più vicine tra loro e, andando a ritroso nel tempo possiamo immaginare che c'è stato un momento in cui tutta la materia e l'energia dell'Universo era concentrata in un unico punto detto singolarità. È l'istante zero del Big Bang, del tutto inaccessibile alla fisica che noi conosciamo.
L'inizio descrivibile dalla fisica corrisponde al tempo di Planck: 10-43 sec. Da quel momento, circa 13.8 miliardi di anni fa, che è all'origine dello spazio e del tempo, inizia l'espansione della singolarità. Come ho spiegato sopra, non c'è un'espansione nello spazio, ma dello spazio.
10-36 secondi dopo il Big Bang si creano le prime particelle e antiparticelle che si annichilano tra loro producendo una grande quantità di radiazioni.
Nel primo secondo si ebbe l'inflazione, un'espansione accelerata che ha fatto iniziare il raffreddamento. Il periodo è dominato dall'energia, liberata sotto forma di radiazione.
Si deve arrivare a 3 minuti per avere i primi nuclei di idrogeno ed elio.
A 380000 anni si hanno i primi atomi stabili di idrogeno ed elio. La cattura degli elettroni da parte dei nuclei ha permesso all'energia di disperdersi nello spazio. Un eccesso di materia rispetto all'antimateria ha permesso di avere le particelle che formano l'attuale Universo.
Bisogna attendere poi 200 milioni di anni per avere le prime stelle e le protogalassie.

 

Evoluzione dell'Universo

Evoluzione dell'Universo.
E. LUPIA PALMIERI, M. PAROTTO, Scienze della Terra, Zanichelli, Bologna 2014, p. T26.

 

Le prove del Big Bang

Attualmente le prove addotte a sostegno della teoria del big bang sono tre.

La prima prova è il moto di recessione delle galassie.

La seconda prova è l'analisi delle percentuali di idrogeno e di elio nell'Universo attuale. Tali percentuali concordano con quelle previste dalla teoria e non sarebbero facilmente giustificabili senza tale teoria. La materia appare, infatti, costituita per il 75% da idrogeno e per poco meno del 25% da elio. Se non si fosse verificato il big bang, tutto l'elio attualmente presente nell'Universo deriverebbe dalle reazioni di fusione nucleare avvenute nelle stelle. Ma la quantità di elio rilevata risulta troppo elevata rispetto alle previsioni (specialmente nelle regioni in cui non ci sono stelle che lo producono) e uniforme ovunque: ciò è in accordo con l'ipotesi che si sia formato nell'Universo primordiale, prima della nascita delle stelle e delle galassie.

La terza prova è l'esistenza della cosiddetta radiazione cosmica di fondo. Nel 1965 è stata scoperta una radiazione, distribuita in modo uniforme nello spazio, che disturbava le trasmissioni satellitari. Si tratta di una radiazione di 2,7°K che non proviene da un particolare corpo celeste, ma dall'intero Universo. Si ritiene sia il residuo del Big Bang e questa è una delle prove più importanti, anche se non è l'unica. Il satellite COBE nel 1989 ha mostrato che la radiazione è uniformemente distribuita in tutto l'Universo ma non è del tutto omogenea. Le piccole variazioni sono da interpretare coma la prova dell'inizio della formazione delle galassie.

 

radiazione di fondo

Immagine dal Satellite WMAP.
E. LUPIA PALMIERI, M. PAROTTO, #Terra, Zanichelli, Bologna 2016, p. 28.

 

Cosa c'era prima?

Non ha senso chiedersi cosa sia successo prima del Big Bang perché, se con esso ha avuto origine il tempo, non esiste un “prima”. Rimane tuttavia una domanda: perché esiste l'Universo? qual è l'origine della singolarità? Questa domanda va oltre la fisica, è tipo metafisico, perciò lo scienziato può indagare sugli avvenimenti accaduti dopo il Big Bang, ma non può risolvere il problema della sua esistenza.

 

La fine dell'Universo

evoluzione UniversoL'espansione dell'Universo continuerà per sempre? Per rispondere a questa domanda occorre prima sapere quanta materia c'è, poiché in buona parte nell'Universo si trova materia oscura.

Se la densità della materia è al di sotto di un valore definito densità critica, la forza di gravità non riuscirà a prevalere sull'espansione e l'Universo si espanderà per sempre. Si avrà perciò una morte fredda, perché tutti gli oggetti consumeranno progressivamente la loro energia, diventando corpi freddi e l'Universo si dice aperto ed è infinito.

Al contrario, se la densità della materia supera il valore critico, ad un certo momento la forza gravitazionale farà rallentare progressivamente le galassie fino a fermarle, per poi invertire la direzione del movimento. Si ritornerà così alla singolarità iniziale (Big Crunch) con una morte calda e l'Universo è chiuso e finito. In questo caso è stato anche ipotizzato che questa fase di vita dell'Universo sia una fra le tante che si sono succedute e si succederanno nel ciclo di espansione-collasso; si avrebbe allora un Universo pulsante.

Se, infine, la densità corrisponde al valore critico, l'espansione rallenta fino a fermarsi all'infinito e l'Universo assume una struttura euclidea: è l'Universo piatto.

 

Possibili destini dell'Universo.
F. RICCI LUCCHI, M. RICCI LUCCHI, S. TOSETTO, La Terra, il pianeta vivente, Zanichelli, Bologna 2012, p. 13.