Origine dell'universo

Modelli sulla nascita dell'universo.

La grande scoperta di Hubble, nel 1929, fu che l'universo è in espansione. Allora si può immaginare di fare il cammino a ritroso. Arriva un momento in cui tutto l'universo che osserviamo oggi doveva essere concentrato praticamente in un punto. La teoria ci dice che doveva avere dimensioni inferiori a quelle delle più piccole particelle elementari; perciò temperatura e densità dovevavo essere straordinariamente grandi.

Non tutti gli scienziati accettarono questo risultato e 3 di essi: Hermann Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle, suggerirono un'ipotesi alternativa: che l'energia di espansione si tramuti in energia di creazione della materia in uno spazio infinito e in un tempo infinito. Questa ipotesi, detta "dell'universo stazionario", assume un universo infinito che non ha nè principio nè fine, e in cui la materia ha densità costante, proprio grazie alla trasformazione dell'energia di espansione in energia di creazione della materia. Questa teoria non era verificabile, perchè bastava la creazione di un atomo di idrogeno all'anno in un volume grande come un teatro perchè la densità restasse costante: una quantità talmente piccola da non poterla verificare sperimentalmente.

L'altra ipotesi, cioè di un universo che prende origine - con il cosiddetto "big bang" - da una fase ad altissime temperature e densità e va via via raffreddandosi e rarefacendosi a causa dell'espansione, è detta anche ipotesi "dell'universo evolutivo". A chi obiettava la non evidenza che nell'universo potesse crearsi della materia, Bondi, Gold e Hoyle rispondevano che è più facile ammettere la creazione di un atomo di idrogeno all'anno in un grande volume, che non ammettere la creazione dal nulla di tutto l'universo.

Per molti anni gli scienziati rimasero divisi fra coloro che sostenevano l'ipotesi dell'universo evolutivo e quelli a favore dell'universo stazionario. Per decidere quale dei 2 modelli di universo spiegasse meglio la realtà, occorrevano delle prove osservative che permettessero di scegliere fra le 2 ipotesi.

Un possibile argomento era il seguente: se l'universo è stazionario, la densità spaziale delle galassie (cioè la distanza media delle singole galassie l'una dall'altra) doveva essere la stessa, oggi come nel passato. Se invece l'universo è evolutivo, e quindi nel passato era molto più piccolo,le galassie in passato dovevano essere più vicine fra loro e la densità spaziale più alta. Ricordiamo che più lontano si guarda nello spazio, tanto più indietro si guarda nel tempo. Una galassia a 2 milioni di anniluce la vediamo com'era quando la luce è partita da essa, e cioè 2 milioni di anni fa, mentre una galassia a 10 miliardi di anni fa la vediamo com'era 10 miliardi di anni fa. Questa prova fu tentata negli anni 50 e 60, confrontando la densità spaziale delle radiogalassie relativamente vicine con quella delle radiogalassie molto più lontane. Si usavano le radiogalassie perchè i radiotelescopi permettevano di osservare galassie più lontane che non i telescopi ottici. Si trovò qualche leggero indizio a favore del modello evolutivo, ma gli errori di misurazione sia delle distanze sia della distribuzione delle galassie sulla volta celeste, erano tali e tanti che non si ottenne un risultato conclusivo.

Edited by Sè#9 - 1/4/2005, 21:48

Un'altra prova fu suggerita nel '48 dal fisico russo-americano George Gamow: se l'universo in passato aveva temperature e densità molto elevate, doveva essere riempito di radiazione ad altissima energia, raggi gamma e raggi X, perchè la materia ha un massimo di emissione a lunghezze d'onda tanto più brevi quanto maggiore è la sua temperatura. Poi, espandendo, si doveva raffreddare. Così, dopo circa 10 miliardi d'anni - quale si valutava allora fosse l'età dell'universo - Gamow calcolava che la temperatura doveva essere scesa a pochi gradi assoluti (ricordiamo che lo 0 assoluto è uguale a -273 gradi centigradi). In tal caso l'universo oggi dovrebbe essere pervaso da radiazione a lunghezze d'onda centimetriche e millimetriche.

Nel '48 la tecnologia non era sufficientemente sviluppata per consentire queste misure. Fu solo nel '65 che 2 ingegneri della Bell Telephone Company, Robert Wilson e Arno Penzias, i quali stavano cercando le cause di rumore che disturbavano le trasmissioni a microonde verso i satelliti artificiali, trovarono vari rumori, naturali (dovuti alla temperatura dell'atmosfera) o artificiali (causati dalle trasmissioni televisive e radio). Oltre a questi individuarono un rumore uniforme proveniente da tutte le direzioni e che indicava che il responsabile dell'emissione aveva una temperatura di 3 gradi assoluti, cioè -270 gradi centigradi.

I 2 ingegneri non capirono di cosa si trattasse, ma pubblicarono la notizia; alcuni fisici di Princeton, al corrente dell'ipotesi di Gamow e intenti a costruire uno strumento per verificarla, compresero che si trattava proprio della radiazione predetta, che fu chiamata "radiazione del fondo cosmico" e anche "radiazione fossile", in quanto è il residuo delle altissime temperature primordiali.

Questa scoperta ha messo al tappeto l'ipotesi dell'universo stazionario, perchè un universo che non è mai passato attraverso una fase di altissima temperatura non può spiegare la presenza di una radiazione uniforme, e corrispondente esattamente a quanto predetto dalla teoria. Da questa rilevazione deriva anche un'altra conferma del modello evolutivo. Difatti, conoscendo la temperatura dell'universo di oggi, 3 gradi assoluti, e conoscendone la densità media della materia visibile, 1 atomo di idrogeno per metro cubo, si possono calcolare la temperatura e la densità nel passato e nel futuro. Si sa infatti che la densità varia con l'inverso del raggio al cubo, e la temperatura con l'inverso del raggio. E' possibile quindi, tenendo conto dell'espansione, calcolare temperatura e densità dell'universo a varie età. Poichè temperatura e densità sono le grandezze fisiche che definiscono le proprietà della materia, si trova che quando l'universo aveva un'età compresa fra 3 e 7 minuti circa dall'inizio, la temperatura doveva essere dell'ordine di 1 miliardo di gradi, e la densità circa quella dell'acqua. In queste condizioni i protoni - cioè i nuclei dell'atomo di idrogeno - si possono combinare con i neutroni e dare reazioni nucleari con formazione di deuterio (idrogeno pesante formato da un protone e un neutrone), elio 3 ed elio 4, cioè i 2 isotopi dell'elio: l'elio 3 formato da 2 protoni e 1 neutrone, l'elio 4 da 2 protoni e 2 neutroni. Prima dei 3 minuti le temperature erano troppo alte e la velocità di agitazione termica delle particelle era tale che per urto avrebbero frantumato qualsiasi nucleo più complesso del protone. Dopo 7 minuti, a causa dell'espansione, la temperatura sarebbe diminuita tanto da non permettere il verificarsi di altre reazioni nucleari. Queste reazioni nucleari infatti sono possibili solo se le energie cinetiche delle particelle permettono a protoni e neutroni di dar luogo a nuclei più complessi. Allora si può quantificare quanto deuterio, quanto elio 3 e quanto elio 4 si siano formati in questi pochi minuti, e confrontare le abbondanze primordiali calcolate di deuterio ed elio con quelle presenti oggi nell'univero, che si misurano facendo un'analisi chimica quantitativa dagli spettri delle stelle e delle nubi di gas. Il calcolo dice che nei primi 3-7 minuti si è formato un nucleo di deuterio ogni 100.000 protoni, e che l'elio rappresentava il 24% della massa dell'universo. Le analisi quantitative della materia che forma le stelle e le galassie ci dicono che c'è un atomo di deuterio ogni 100.000 atomi di idrogeno, e che l'elio rappresenta circa il 28% della massa dell'universo.

L'accordo fra calcolo e osservazione è ottimo. Infatti l'elio si forma anche nell'interno delle stelle, e in tutta la vita della galassia si può essere formato al massimo un 3 o 4% che, sommato al 24% di origine primordiale, dà il 28% osservato. Il deuterio invece non può formarsi all'interno delle stelle, perchè già a temperature di mezzo milione di gradi viene distrutto. Quindi di tutto il deuterio presente nell'universo deve essere quello di formazione primordiale.

In conclusione il modello evolutivo poggia su 3 colonne:
1) l'espansione dell'universo;
2) la presenza della radiazione fossile predetta da Gamow;
3) le abbondanze cosmiche del deuterio e dell'elio.

Edited by Sè#9 - 1/4/2005, 22:27

L'origine dell'universo.

Non sappiamo come sia cominciato l'universo e come abbia avuto origine l'espansione. Si fanno varie ipotesi, molto difficili - per non dire impossibili - da verificare sperimentalmente. Un'ipotesi è che lo spazio vuoto, il quale non è un inerte contenitore di materia, si trovasse in uno stato analogo a quello in cui si trovano gli atomi eccitati (cioè in cui l'elettrone è in uno stato di energia più alta di quella minima, o stato fondamentale). Un atomo eccitato ha sempre una probabilità, più o meno alta, di ricadere nello stato fondamentale emettendo radiazione. Non possiamo prevedere quando questo accadrà, ma solo conoscere la probabilità che questo accada. Così lo spazio può essere caduto dallo stato eccitato a quello fondamentale, emettendo un'enorme quantità di energia, che avrebbe dato origine non solo all'espansione, ma anche alla formazione di materia, data l'equivalenza fra materia ed energia secondo la relazione di Einstein E= mc².

Ci si domanda anche se l'universo è tutto ciò che esiste, oppure, come è stato suggerito da vari scienziati, esiste uno spazio e un tempo infiniti in cui si formano casualmente regioni in grado di dare origine ad altri universi, sia simili al nostro che completamente diversi. L'idea è interessante da un punto di vista filosofico.

Nell'antichità l'uomo, ingannato dai propri sensi, riteneva che la Terra fosse il centro dell'universo. Poi ha capito che la Terra e i pianeti ruotavano attorno al Sole, posto al centro del sistema solare. In seguito ha compreso che il Sole è una stella come miliardi di altre, mentre l'inganno dei sensi aveva ancora fatto ritenere che il Sole si trovasse al centro della Via Lattea, e che questa abbracciasse tutto l'universo. Nel tempo, ha scoperto che il Sole occupa una posizione periferica nella Via Lattea, che questa è una galassia fra miliardi di altre, e che tutte insieme costituiscono il nostro universo.

E ora ci domandiamo: ma questo è veramente tutto ciò che esiste, o è solo un universo fra infiniti altri?

Quali sono le scoperte che confermano e quali invece mettono in discussione la teoria del Big-Bang (in particolare la teoria dell'universo inflazionario).

Gli studi sperimentali e le argomentazioni teoriche che hanno portato la teoria del Big Bang ad affermarsi come l'ipotesi più accreditata sull'origine dell'universo sono molteplici e molto articolate. Nel seguito cercherò di darti una panoramica schematica e riassuntiva (sperando di non trascurare nessun fatto troppo rilevante), con l'avvertimento che probabilmente ciascuno dei punti seguenti meriterebbe una risposta a sé.

Legge di Hubble: la scoperta di E. Hubble che tutte le galassie si allontanano dalla nostra, e che quelle più deboli (e dunque presumibilmente più distanti) si allontanano più velocemente. Essa è il cardine fondamentale della teoria del Big Bang in quanto questa legge descrive l'espansione dell'universo: tutte le galassie si allontanano tra di loro.


Cosmic Background: è la scoperta che il cielo è permeato da una debole radiazione a microonde che descrive un andamento simile a quello che ci aspetterebbe se esso si fosse raffreddato a partire da una temperatura molto elevata. Esso è interpretato come l' "eco" luminoso del Big Bang, fortemente spostato verso le basse energie dal fenomeno del redshift.


Abbondanze cosmiche degli elementi: gli elementi chimici che si riscontrano nell'universo seguono le stesse abbondanze che si possono prevedere a priori se l'universo fosse stato un tempo molto più caldo e se tutta la materia fosse nata dall'aggregazione spontanea dei quark a partire da uno stato di densità ed energia molto elevata. In particolare con la teoria del Big Bang si può spiegare perché nel cosmo ci siano quasi esclusivamente idrogeno ed elio (nelle percentuali misurate) e poche tracce degli elementi più pesanti.


Età delle stelle: le stelle più vecchie delle quali si sia stati in grado di misurare l'età hanno al più 15 miliardi di anni; questa è circa la stessa età che si può prevedere abbia l'universo misurando il suo attuale tasso di espansione.
Di solide prove sperimentali a favore dello scenario inflazionario non ve ne sono: questa modifica alla teoria del B.B. è stata introdotta soprattutto per risolvere alcune incongruenze teoriche dello scenario "classico". Alcune di queste incongruenze sono:

Fine tuning dell'universo: se l'universo fosse nato con massa qualsiasi e velocità di espansione qualsiasi, quasi sicuramente sarebbe ricollassato in breve tempo o si sarebbe espanso così velocemente che oggi tutte le altre galassie sarebbero così distanti da non essere più visibili. Perché l'universo sia come oggi lo conosciamo, sembra che sia stato accuratamente "regolato" alla partenza: la teoria dell'inflazione fornisce un modo semplice perché questa regolazione si sia sviluppata automaticamente.


Orizzonte temporale: l'universo è molto omogeneo, ma se avesse subito iniziato ad espandersi al tasso attuale non avrebbe mai avuto il tempo di "rimescolarsi". E' necessario che esso sia rimasto molto piccolo un tempo sufficiente per "omogeneizzarsi" e poi si sia espanso velocemente per "sconnettere" delle zone che prima erano in relazione fisica tra loro.


Monopoli megnetici: sono particelle previste dall'elettrodinamica quantistica, che non si possono creare in laboratorio perché troppo massicce e che dovrebbero essersi formate in abbondanza durante il B.B., ma nessuno ne ha mai individuata alcuna. Lo scenario inflazionario prevede che l'universo sia molto più grande di quanto non faccia quello classico, per cui queste particelle sono probabilmente troppo poche perché se ne possa mai scoprire una.
E veniamo alle principali argomentazioni addotte dai critici del Big Bang.

Quella fondamentale sono i redshift anomali: la legge di Hubble assume per ipotesi che lo spostamento verso il rosso delle galassie sia un indice della loro velocità di allontanamento. Sono state scoperte alcune galassie però che sembrano scambiarsi materia e che hanno redshift totalmente diversi: secondo la legge di Hubble esse dovrebbero essere immensamente distanti e non poter interagire.


A sostegno di questa obiezione, si fa notare che i quasar sono considerati oggetti estremamente strani ed esotici, tanto che per spiegarli si introducono modelli con buchi neri immensi. In realtà il grosso problema è che i loro redshift molto elevati li pongono ai confini dell'universo e per essere così luminosi deve essere in atto al loro interno qualche fenomeno fisico eccezionale che produca immense quantità di energia; se però rifiutiamo la legge di Hubble, essi potrebbero essere molto più vicini e non richiedere teorie fisiche troppo insolite per descriverli.
Come ultima argomentazione, di natura però filosofica e non scientifica, aggiungerei che agli scienziati non piace molto il B.B. perché descrive un effetto (l'universo) senza poterne studiare le cause. Questo significa che ci sono alcuni parametri ed alcune condizioni iniziali che andranno sempre assunte ad hoc, senza che ci sia una spiegazione di perché siano così. Una tale situazione non è scientificamente accettabile, pertanto da più parti si sta lavorando per capire cosa esattamente sia accaduto nei primi istanti dell'universo e, se possibile, cosa accadde prima; probabilmente la risposta si avrà solo quando si riuscirà a formulare una soddisfacente teoria quantistica della gravitazione.