La teoria del big bang: cos’è e come si è formato l’universo

- 21 Nov 2018

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big bang e formazione universo

Il Big Bang, che tradotto significa il Grande Scoppio, è un'idea scientifica supportata da varie teorie che pone come principio dell'Universo e inizio dei tempi, una grande esplosione primordiale, un grosso botto avvenuto ad una temperatura altissima, la più alta che si possa immaginare (o forse neanche immaginare). Questa ipotesi ha riscontrato sempre di più l'assenso degli scienziati che attraverso studi e teorie stanno cercando di dimostrare il principio dell'Universo e cercare di arrivare a concludere quale potrebbe essere la fine, il termine ultimo del Tutto, inteso come eternità stessa dalla prima notte dei tempi.

Dal nulla al tutto

La teoria del Big Bang è la spiegazione principale su come l’Universo ha avuto inizio nel modo più semplice, ossia che l’universo cos’è come lo conosciamo oggi è iniziato con una piccola singolarità, e si è poi gonfiato nei successivi 13,82 miliardi di anni nel cosmo, un disaccoppiamento dei neutrini che ha dato vita al neutrino e all’antineutrino, una nucleosintesi di elio, deuterio, protoni, fotoni, neutrini, elettroni, che hanno dato inizio all’era della radiazione, che ha dato a sua volta la vita all’era della materia con la formazione degli atomi, la formazione delle galassie, delle protogalassie, delle protostelle, e finalmente dell’homo sapiens, che è stato protagonista delle varie ere ed epoche sul pianeta terra: dal nulla al tutto.

La teoria del Big Bang anche se mira a dimostrare come ha avuto inizio l’Universo, in realtà ci dice con certezza (approssimativa) come si sta evolvendo tutto l’Universo. Non ci è dato sapere con certezza assoluta cosa c’era prima dell’inizio dell’Universo né come esso cesserà di esistere.

Poiché gli attuali strumenti non consentono agli astronomi di guardare indietro alla nascita dell’Universo, gran parte di ciò che capiamo della teoria del Big Bang deriva da formule e modelli matematici. Molto interessante è che gli astronomi possono, tuttavia, ascoltare e individuare l’eco dell’espansione, attraverso un fenomeno noto come la radiazione cosmica di fondo, ossia lo scattering del Cosmic Background Explorer attraverso elementi primordiali di diffusione.

Mentre la maggior parte della comunità astronomica accetta la teoria, ci sono alcuni teorici che hanno spiegazioni alternative oltre al Big Bang – come l’inflazione eterna o un universo oscillante.

La frase “Big Bang Theory” è diventata popolare tra gli astrofisici per decenni, ma ha colpito il mainstream culturale nel 2007, quando una sit – com con lo stesso nome è stata presentata in anteprima sul canale CBS. Lo spettacolo segue la vita domestica e accademica di diversi ricercatori scientifici, incluso un astrofisico.

Il primo secondo e la nascita della luce

Nel primo secondo dopo l’inizio dell’Universo, la temperatura circostante era di circa 10 miliardi di gradi Fahrenheit (5,5 miliardi di gradi Celsius), secondo quanto riportato dalla NASA. Il cosmo conteneva una vasta gamma di particelle fondamentali come neutroni, elettroni e protoni. Questi sono decaduti o si sono combinati mentre l’Universo si raffredda man mano che esiste, criterio fondamentale che ha dato vita a tutte le teorie sul big bang.

Questa prima fusione sarebbe stata impossibile da guardare, perché la luce non era ancora presente, gli elettroni liberi avrebbero poi causato la luce (i fotoni) in modo da diffondere la stessa luce solare che si disperde come le gocce d’acqua nelle nuvole, ha affermato la NASA. Nel corso del tempo, tuttavia, gli elettroni liberi si sono incontrati con i nuclei e hanno creato atomi neutri. Ciò ha permesso alla luce di risplendere per circa 380.000 anni dopo il Big Bang.

Questa prima luce – a volte chiamata “afterglow” del Big Bang – è più propriamente conosciuta come Radiazione Cosmica di Fondo (CMB). Venne inizialmente predetta da Ralph Alpher e da altri scienziati nel 1948, ma fu trovata per caso quasi 20 anni dopo.

Arno Penzias e Robert Wilson, entrambi operatori del Bell Telephone Laboratories di Murray Hill nel New Jersey, stavano costruendo un ricevitore radio nel 1965 e rilevavano temperature più alte previste secondo la NASA. All’inizio pensarono che l’anomalia fosse dovuta ai piccioni e al loro sterco, ma anche dopo aver ripulito il disordine ed eliminato i piccioni che cercavano di posare dentro l’antenna, l’anomalia continuava a persistere.

Contemporaneamente, un team dell’Università di Princeton (guidato da Robert Dicke) stava cercando di trovare prove della Radiazione Cosmica di Fondo e si resero conto che Penzias e Wilson erano incappati per un puro scherzo del caso proprio in quest’ultima. Ciascun gruppo di scienziati e studiosi ha poi pubblicato articoli sull’Astrophysical Journal nel 1965.

Determinazione dell’età dell’Universo

La Radiazione Cosmica di Fondo è stata studiata e osservata in molte missioni spaziali, una delle più famose è stata il satellite COBE (Cosmic Background Explorer) della NASA, che ha mappato il cielo negli anni ’90.

Diverse altre missioni hanno seguito le orme di COBE, come l’esperimento Boomerang (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA e il satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea.

Le osservazioni di Planck, pubblicate per la prima volta nel 2013, hanno mappato lo sfondo con dettagli senza precedenti e hanno rivelato che l’universo era più vecchio di quanto si pensasse: 13,82 miliardi di anni, anziché 13,7 miliardi di anni. Quanti anni ha l’universo? La risposta pare dunque oscillare, infatti le missioni dell’osservatorio di ricerca sono sempre in corso e vengono periodicamente pubblicate nuove mappe della Radiazione Cosmica di Fondo (CMB): in questa dimensone quasi impossibile da misurare o dettare secondo i canoni della formula, tutto è paradossalmente sicuro quanto più si dimostra insicuro.

Le mappe hanno chiarito molti aspetti sull’origine ma soprattutto sull’evoluzione dell’Universo ma hanno anche celato le certezze dando vita a nuovi misteri, come il motivo per cui l’emisfero australe appare leggermente più rosso (più caldo) dell’emisfero settentrionale. La teoria del Big Bang dice che la Radiazione Cosmica di Fondo (CMB) sarebbe per lo più la stessa, non importa in quale direzione si guarda.

Esaminare la CMB offre anche agli astronomi indizi sulla composizione dell’universo. I ricercatori pensano che la maggior parte del cosmo sia costituito da materia ed energia che non possono essere “percepiti” con strumenti convenzionali, portando a nomi di materia oscura ed energia oscura. Solo il 5% dell’Universo è costituito da materia come pianeti, stelle e galassie.

Polemica sulle onde gravitazionali

Mentre gli astronomi potevano osservare e studiare gli inizi dell’Universo, gli scienziati hanno anche cercato prove della sua rapida evoluzione. La teoria sostiene che nel primo secondo dopo la nascita dell’universo, il cosmo si è mosso più rapidamente della velocità della luce, questo senza violare il limite di velocità di Albert Einstein poiché ha sostenuto che la luce rappresenta la massima velocità a cu ogni cosa può viaggiare nell’Universo. Questo però, non si applicava all’inflazione dell’universo stesso.

Nel 2014, gli astronomi hanno dichiarato di aver trovato prove nel CMB riguardo ai “modi B”, una sorta di polarizzazione generata mentre l’Universo si ingrandiva e creava onde gravitazionali. Il team ha individuato le prove di ciò usando un telescopio antartico chiamato Cosmic Background Explorer, tradotto significa esploratore del fondo cosmico, anche conosciuto come BICEP2.

Il capo ricercatore John Kovac, del Centro per astrofisica di Harvard-Smithsonian ha dichiarato a marzo 2014: siamo molto fiduciosi che il segnale che stiamo vedendo sia reale, ed è in cielo. Ma a giugno, lo stesso team ha affermato che le loro scoperte avrebbero potuto essere alterate dalla polvere galattica che ostacolava il loro campo visivo.

Il cibo da asporto di base non è cambiato, abbiamo una grande fiducia nei nostri risultati, ha poi riconfermato Kovac in una conferenza stampa riportata dal New York Times e ha aggiunto: le nuove informazioni di Planck fanno sembrare che le previsioni pre-planckiane della presenza di polvere galattica, riportassero cifre troppo basse.

I risultati di Planck sono stati messi online in formato pre-pubblicato a settembre. A gennaio 2015, i ricercatori di entrambe le squadre hanno lavorato insieme e hanno confermato che il segnale di Bicep era principalmente, se non tutto, polvere di stelle, ha scritto il New York Times in un altro articolo.

Separatamente, le onde gravitazionali sono state confermate quando si parla dei movimenti e delle collisioni dei buchi neri che sono masse più grandi del nostro sole circa alcune decine di volte. Queste onde sono state rilevate in più situazioni dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) dal 2016. Poiché LIGO viene costantemente migliorato e la sua capacità di analisi diventa più sensibile, si prevede che la scoperta di onde gravitazionali legate a un buco nero sarà un evento abbastanza frequente in futuro.

L’espansione più veloce e i Multiversi: è possibile tracciare l’inizio dell’Universo?

L’Universo non si sta solo espandendo, ma la sua evoluzione diventa sempre più veloce mentre si gonfia. Ciò significa che con il passare del tempo, nessuno sarà in grado di individuare altre galassie dalla Terra o da qualsiasi altro punto di osservazione all’interno della nostra galassia: vedremo galassie lontane allontanarsi sempre di più da noi, la loro velocità sta aumentando col tempo. Questa la dichiarazione dell’astronomo della Harvard University Avi Loeb in un articolo del marzo 2014 su Space.com. L’astronomo ha poi aggiunto: quindi, se aspetti abbastanza a lungo, alla fine una galassia lontana raggiungerà la velocità della luce. Questo significa che anche la luce non sarà in grado di colmare il vuoto che si sta aprendo tra quella galassia e noi. Ipotetici extraterrestri su quella galassia per comunicare con noi, per inviare tutti i segnali che ci raggiungeranno, dovranno utilizzare apparecchiature sempre più potenti e soprattutto veloci, una volta che la loro galassia si muoverà più rapidamente della luce rispetto a noi.

Nel campo della Fisica Teorica alcuni scienziati suggeriscono una tesi affascinante, ripresa più volte dalla letteratura fantascientifica, ossia che l’Universo che sperimentiamo con il vissuto è solo uno dei tanti. Nel modello Multiverso diversi universi coesistono tra loro come bolle che si trovano fianco a fianco. La teoria suggerisce che in quella prima grande spinta dell’inflazione evolutiva del big bang, differenti parti dello spazio-tempo sono cresciute a ritmi diversi. Questo potrebbe aver scolpito diverse sezioni/universi differenti con leggi della fisica potenzialmente non omogenee.

Alan Guth, un fisico teorico del Massachusetts Institute of Technology, durante una conferenza stampa nel marzo 2014, che riguardava la scoperta delle onde gravitazionali, ha dichiarato: è difficile costruire modelli di inflazione evolutiva che non conducano ad un Multiverso, ma non è impossibile, quindi penso che ci sia ancora certamente una ricerca da fare, ma la maggior parte dei modelli di inflazione portano proprio in quella direzione, e le prove ci spingono nella direzione di prendere sul serio l’idea di questo Multiverso.

Mentre possiamo capire come l’Universo che vediamo sia diventato, è possibile che il Big Bang non sia stato il primo periodo evolutivo che l’universo abbia vissuto. Alcuni scienziati credono che viviamo in un cosmo che attraversa cicli regolari di evoluzione ed involuzione, e che semplicemente viviamo in una di queste fasi, attraverso l’orizzonte nel passato, e l’orizzonte nel futuro, le cui prove osservative degli elementi primordiali ci conducono sempre a nuove supposizioni evolutive e creative del cosmo universale.

Che cos’è la metrica di FLRW?

La metrica di FLRW, ovvero la metrica di Friedmann, Lemaître, Robertson e Walker , si propone di dimostrare l’espansione metrica dello spazio attraverso un orizzonte cosmologico, inteso come approssimazione della non – omologazione dell’Universo. La grande innovazione di questi studi propone una concezione dell’Universo (attraverso le sue equazioni di campo della relatività generale) come in espansione e in contrazione: omogeneo e isotropo.

La legge di Hubble e l’espansione dello spazio

La legge di Hubble, nota anche come legge Hubble-Lemaître è l’osservazione nella cosmologia fisica:

  1. Gli oggetti osservati nella dimensione extragalattica dello spazio profondo, 10 megaparsec (Mpc) o più, hanno un redshift, interpretato come una velocità relativa alla distanza dalla Terra.
  2. Questa velocità, misurata dallo spostamento Doppler di varie galassie che si allontanano dalla Terra, è approssimativamente proporzionale alla loro distanza dalla Terra stessa, per le galassie fino a qualche centinaia di megaparsec di distanza.

La legge di Hubble è considerata la prima base osservativa per l’espansione dell’Universo e oggi rappresenta una delle prove più citate a sostegno del modello di idea evolutiva del Big Bang. Il movimento di oggetti astronomici dovuto esclusivamente a questa espansione è noto come flusso di Hubble.

Sebbene ampiamente attribuito a Edwin Hubble, la legge inizialmente derivava dalle equazioni della relatività generale nel 1922 da Alexander Friedmann, che ha pubblicato un insieme di equazioni, ora conosciute come equazioni di Friedmann.

Queste equazioni dimostrano che l’Universo potrebbe espandersi e presentare la velocità di espansione, se così fosse. Georges Lemaître, in un articolo del 1927, propose l’espansione dell’Universo e suggerì un valore stimato del tasso di espansione, che quando fu corretto da Hubble divenne noto come la costante di Hubble. Tuttavia, sebbene la costante di Hubble {\ displaystyle H_ {0}} H_ {0} sia approssimativamente costante nello spazio per quanto riguarda la velocità-distanza in questo momento, il parametro Hubble è {\ displaystyle H} H, che è la costante di Hubble del corrente valore che cambia con il tempo, quindi il termine ‘costante’ è talvolta pensato come un termine improprio.

Inoltre, due anni dopo Edwin Hubble confermò l’esistenza dell’espansione cosmica e determinò un valore più accurato per la costante che ora porta il suo nome. Hubble dedusse la velocità di recessione degli oggetti dai loro spostamenti verso il rosso, molti dei quali furono misurati in precedenza e correlati alla velocità da Vesto Slipher nel 1917.

Nell’ottobre 2018, gli scienziati hanno presentato una nuova terza via (i due metodi precedenti hanno dato risultati problematici che non concordano), utilizzando le informazioni dagli eventi delle onde gravitazionali (in particolare quelli che implicano la fusione di stelle di neutroni, come GW170817) per determinare la costante di Hubble, procedimento essenziale nella determinazione del tasso esatto di espansione dell’Universo.

La legge è spesso espressa dall’equazione v = H0D, con H0 che è la costante di proporzionalità (costante di Hubble) tra la giusta distanza (D) di una galassia, che può cambiare nel tempo, e la differenza della distanza di compressione con la sua velocità (v), cioè la derivata della giusta distanza rispetto alla coordinata temporale cosmologica.

Inoltre, l’unità SI di H0 è s-1 è più frequentemente quotata in (km/s)/Mpc, quindi dà la velocità in km/s di una galassia 1 megaparsec (3,09 × 1019 km) di distanza. Il risultato di H0 è il tempo della costante di Hubble.

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