Le origini dell'Universo

Indice

• 1. Premessa generale p 2
• 2. Teoria dello stato stazionario dell’universo p 4
• 2.1. L’universo di Epicuro e Lucrezio p 5
• 3. Big Bang (definizione) p 6
• 3.1. Introduzione al modello del Big Bang p 6
• 3.2. Età dell’universo p 7
• 3.3. La singolarità p 7
• 3.4. Nel mondo del microscopico e le abbondanze di elementi leggeri p 8
• 3.5. L’universo iniziale secondo il modello standard del Big Bang p 9
• 3.5.1. Prima fase: le forze fondamentali sono indistinte p 10
• 3.5.2. Seconda fase: l’interscambio continuo energia-materia p 10
• 3.5.3. Terza fase: si stabilizza la materia p 10
• 3.5.4. Quarta fase: si stabilizza la composizione media dell’universo p 10
• 3.5.5. Quinta fase: formazione delle galassie e delle stelle p 11
• 3.6. Successi e limiti del modello standard del Big Bang p 11
• 3.7. Il modello inflazionario p 13
• 4. Missioni spaziali e nuove scoperte p 15
• 5. Conclusioni p 18
• Bibliografia p 19 1

1. Premessa generale

Fino ai primi anni del '900 né i filosofi né gli astronomi avevano mai messo in dubbio l’idea che esistesse uno spazio fisso sullo sfondo del quale si muovevano i corpi celesti. L’universo era concepito come infinito, eterno, statico e uniforme. Ad Isaac Newton si deve, nel '700, l’inquadramento teorico di tale rappresentazione dell’universo. Ma negli anni Venti questa rappresentazione dovette essere mutata. In primo luogo per le conseguenze della nuova teoria einsteiniana della gravità; e, in secondo luogo per i risultati delle nuove osservazioni, eseguite dall’astronomo Edwin Hubble, sul colore della luce emessa dalle stelle appartenenti a galassie lontane.

Negli anni Venti Albert Einstein scoprì la relatività generale. Essa dava come conseguenza matematica un universo in espansione. All’inizio Einstein tentò di conciliare la sua teoria relativistica con quella di un universo statico, introducendo una “costante cosmologica”. Questo modello fu chiamato ‘universo statico einsteiniano’.

Nel 1922 Alexander Friedman, un giovane matematico russo, studiò i calcoli di Einstein e si convinse che egli era caduto in un grave errore: Albert Einstein l’universo statico non rappresentava l’unica soluzione delle sue equazioni.

Friedman calcolò tutti i possibili universi in espansione consentiti dalle equazioni della relatività generale e trasmise i suoi risultati allo stesso Einstein. Dapprima questi fu scettico, ma poi si convinse e si rese conto che l’inclusione della costante cosmologica produceva un universo statico lontano dalla realtà. Infatti, molti anni dopo, Einstein definì la sua idea della costante “Il più grande errore della mia vita”. Il merito di formulare la rivoluzionaria previsione che il nostro universo si espande spettò dunque a Friedman.

Le sue ipotesi furono confermate dalle osservazioni condotte da Edwin Hubble. Questi fece uso di una semplice proprietà delle onde elettromagnetiche: se la loro sorgente si allontana dall’osservatore, in base all’effetto Doppler, la frequenza con cui le onde stesse sono ricevute diminuisce. La luce è un’onda e quando la sua sorgente si allontana dall’osservatore, la diminuita frequenza delle onde luminose fa sì che la luce Edwin Hubble

visibile appaia all’occhio dell’osservatore leggermente più rossa. Questo effetto è chiamato ‘redshift’ (spostamento verso il rosso). 2

Hubble si accorse che la luce proveniente dalle galassie da lui osservate mostrava un sistematico spostamento verso il rosso. Misurando il cambiamento di colore della luce emessa dagli atomi di queste e confrontandolo con quello della luce emessa da atomi dello stesso tipo in laboratorio, egli poté stabilire la velocità di fuga delle sorgenti luminose. Confrontando la luminosità apparente delle stelle della medesima specie, Hubble poté dedurre le loro relative distanze da noi. Egli scoprì che quanto più lontana era la sorgente luminosa, tanto più velocemente essa si allontanava da noi. Questa tendenza è nota come “legge di Hubble”. Hubble aveva scoperto l’espansione dell’universo, già predetta dalla teoria della relatività generale di Einstein, confutando il paradosso di Olbers.

Infatti Olbers nel 1823 giunse ad affermare che, secondo le premesse del modello newtoniano, la luminosità apparente delle stelle avrebbe dovuto illuminare il cielo di notte come di giorno. Egli arrivò quindi a ipotizzare che la notte è buia a causa di una polvere interstellare che assorbe la luce delle stelle lontane. Tale spiegazione si rivelò ben presto errata sia perché la polvere sarebbe dovuta essere disposta in modo molto particolare per darci comunque la possibilità di osservare le Perché il cielo notturno

è buio?

stelle e le galassie così come le osserviamo, sia perché le nubi, assorbendo la radiazione stellare, si sarebbero dovute riscaldare fino ad emettere nuovamente questa energia sotto forma di radiazione, che però non fu mai rilevata. Il paradosso trova quindi soluzione, ancorché non definitiva, riconsiderando le ipotesi iniziali sull'universo: in particolare esso non è né infinito né eterno. Le stelle più distanti possono trovarsi, al massimo, a "soli" 15 miliardi di anni luce circa, valore compatibile col flusso di radiazione ricevuto dalla Terra in corrispondenza del cielo notturno. A tale principale soluzione si aggiunge l'ulteriore spiegazione connessa con l'espansione dell'universo, con una velocità di allontanamento delle stelle più lontane tale che lo spostamento spettrale della loro luce verso il rosso è così elevato da non rientrare più tra le lunghezze d'onda percepibili.

L’espansione non è un’esplosione che abbia origine in un determinato punto nello spazio. Non esiste uno spazio inteso come uno sfondo fisso entro il quale l’universo si stia espandendo, poiché l’universo contiene tutto lo spazio esistente.

Gli scienziati, alla luce di questi risultati, si dedicarono alla ricerca di modelli cosmologici, che spiegassero come si fosse formato l’universo oggi conosciuto. I più famosi sono la “Teoria dello stato stazionario dell’universo” e il “Big Bang”. 3

2. Teoria dello stato stazionario dell’universo

La teoria dello stato stazionario dell’universo fu il prodotto dell’immaginazione degli astrofisici Thomas Gold, Hermann Bondi e Fred Hoyle, che cominciarono a pensarci nel 1948 all’università di Cambridge. Essi non amavano l’idea che il cosmo avesse avuto un principio, come l’espansione implicava. Volevano che l’universo presentasse lo stesso aspetto generale agli osservatori di ogni tempo, da un passato infinito a un eterno Thomas Gold, Hermann Bondi

e Fred Hoyle

futuro. Concepirono dunque un modello nel quale l’universo fosse, in media, sempre uguale a se stesso e non avesse avuto alcun inizio. Avanzarono l’idea che la materia, invece di essere stata creata in un determinato momento del passato, fosse in uno stato di continua creazione, ad un tasso da equilibrare la ‘diluizione’ causata dall’espansione, mantenendo una densità della materia costante nell’universo. Fra l’altro il tasso di creazione di materia sarebbe stato sorprendentemente piccolo (1 atomo al m³ ogni 10 miliardi di anni), perché vi è pochissima materia nell’universo.

Uno dei meriti della teoria dello stato stazionario è la sua precisione. Essa fa predizioni molto forti su ciò che l’universo dovrebbe essere, ed è quindi suscettibile di essere smentita dalle osservazioni. Così infatti è stato. Se l’universo presenta sempre lo stesso aspetto, non possono esservi dei periodi particolari in cui accadono determinati eventi, come la formazione delle galassie o il prevalere dei quasar. Gli astronomi cominciarono ad usare i radiotelescopi per osservare delle vecchissime galassie per individuarne un eventuale principio e giunsero, negli anni Cinquanta, alla conclusione che nel passato l’universo era stato molto diverso a quello che è oggi. Le galassie, che rappresentano forti sorgenti di radio-onde, non erano state ugualmente abbondanti in tutte le epoche della storia cosmica. Fu allora che l’idea del Big Bang cominciò ad imporsi. 4

2.1. L’universo di Epicuro e Lucrezio

Nella concezione epicurea, le sole realtà esistenti sono gli atomi (particelle indivisibili, ma non prive di estensione e dotate di velocità infinita) e il vuoto. L’aggregarsi degli atomi costituisce i corpi e le varie componenti di questo “mondo”, così come di quella infinita somma di mondi che è l’universo.

Secondo Epicuro infatti l’universo è costituito da più mondi. Fra atomo e atomo vi è il vuoto. Quella di Epicuro (340-270 a.C.) è una cosmologia descrivibile come costituita di tre livelli: realtà sensibile, infinitamente grande e infinitamente piccolo (in realtà non esiste l’infinitamente piccolo, in quanto il Busto di Tito

più piccolo atomo ha ancora dimensione). Dal punto di vista conoscitivo essa Lucrezio Caro

comporta in realtà due soli livelli: quello della realtà sensibile, e quello di ciò che non cade sotto la percezione. Nell’universo epicureo hanno valore sia il “Principio Cosmologico”, sia una rudimentale “unificazione” delle forze operanti in natura. Il primo è valido in quanto, data l’identità degli elementi (atomi e vuoto) in tutto l’universo, questo si presenta in ogni sua regione come qualitativamente uguale. Quanto alla presenza di una embrionale “unificazione” delle forze fondamentali, essa va riscontrata nella sostanziale identità delle forze operanti sia a livello atomico che macroscopico e cosmico. Uno e il medesimo è difatti il moto “inerziale gravitazionale”. Infatti gli atomi, oltre ad essere dotati di moto rettilineo di velocità infinita, possono in modo del tutto casuale, saltar fuori dalla loro traiettoria precostituita, andando così a scontrarsi con altri atomi, e quindi ad aggregarsi. Da questo carattere del tutto casuale e non deterministico di questo meccanismo della “deviazione” (clinamen) delle traiettorie atomiche, deriva l’importante caratteristica dell’universo epicureo di sottrarsi ad ogni teologia.

L’universo epicureo è al tempo stesso un universo infinito e “stazionario”, con infinità spaziale e temporale. Secondo Lucrezio (discepolo della scuola epicurea vissuto tra 90 e 55 a.C.) l’universo si trova in una situazione di stabilità a livello universale e quindi la materia possiede densità stabile. Data la natura indivisibile degli atomi, che non possono essere soggetti a distruzione, né a generazione.