Sunday, January 13, 2019

Le Origini dell’Universo (parte 1)

L’Astronomia è una scienza che deve fare i conti con scale spaziali e temporali straordinariamente ampie. E’ diversa da altre aree di ricerca, dove è possibile condurre esperimenti in laboratorio, manipolarli, e verificare i risultati in tempi brevi.



I fenomeni astrofisici si sviluppano in archi temporali molto più lunghi della vita umana, hanno luogo molto lontano da noi, e certamente non possono essere manipolati dagli sperimentatori! Le uniche eccezioni sono le analisi sui campioni provenienti da alcune regioni del sistema Solare, prelevati con missioni spaziali (come i campioni del suolo lunare) o che sono arrivate sulla Terra come meteoriti.

Ma in ogni caso, ci limitiamo a “regali” che appartengono solo al nostro Sistema Solare. E cos’è il nostro piccolo Sistema Solare nella vastità del cosmo?

I limiti spaziotemporali possono essere particolarmente critici per i cosmologi, gli studiosi dell’Universo che si occupano anche di avvenimenti accaduti miliardi e miliardi di anni fa. Però l’Astronomia ha strumenti potenti a suo vantaggio, che consentono di guardare lontanissimo, e può inoltre avvalersi di un “trucco naturale”, offerto dalla fisica, che permette agli esseri umani di sbirciare nel passato.

Gli strumenti potenti per guardare lontano sono i moderni telescopi, capaci di captare non solo la luce visibile, ma anche altri tipi di radiazione elettromagnetica, come l’infrarosso, le microonde o le onde radio. La potenza degli strumenti osservativi si può aumentare notevolmente collegando diversi telescopi insieme, un metodo detto interferometria.

Fondamentali per la cosmologia, ma non solo, sono infine i telescopi spaziali, posizionati in orbita attorno alla Terra o al Sole. Liberi dall’inquinamento luminoso delle nostre città, ma soprattutto senza l’offuscamento delle immagini dovuto all’atmosfera terrestre, i telescopi spaziali possono offrirci immagini nitide e precise di oggetti e fenomeni lontanissimi.

A questi strumenti, di più immediata comprensione per tutti, ormai si accostano anche dispositivi ad alta tecnologia, come i rilevatori di neutrini e di onde gravitazionali. Essi non ci offrono immagini, tuttavia possono aiutarci a captare, e a decifrare, informazioni portate a noi da messaggeri che finora sono rimasti elusivi.

Come detto, gli astronomi possono anche guardare indietro nel tempo. Non in senso figurato, ma assolutamente letterale. E c’è di più! Non solo gli astronomi, ma tutti noi lo facciamo, ogni volta che scrutiamo il cielo. Il “trucco” sta nella velocità finita della luce.

Teniamo presente che l’astronomia e la cosmologia devono affidarsi prevalentemente a informazioni ricevute tramite radiazioni elettromagnetiche emesse da oggetti lontani. Queste informazioni viaggiano naturalmente alla velocità della radiazione elettromagnetica, cioè la velocità della luce (300.000 km al secondo circa), come detto nel capitolo dedicato all’Energia.

Questa velocità, anche se a noi sembra elevatissima, non è comunque infinita. Anche la luce quindi impiega del tempo a percorrere lunghe distanze. 300.000 km sono un’inezia al confronto con la vastità del Cosmo. La durata del viaggio, ovviamente, dipende dalla distanza da cui l’informazione è partita. Questa caratteristica della luce ha un’implicazione fondamentale: le informazioni ci arrivano in ritardo, e quando noi le osserviamo, non sono più aggiornate.

Rimaniamo nel nostro sistema solare. Il Sole, la nostra stella, si trova a circa 150 milioni di km dalla Terra (praticamente appiccicato a noi, considerando le distanze cosmiche). I fotoni vengono emessi dalla superficie del Sole e dispersi nello spazio circostante. Quelli che vediamo con i nostri occhi, o che sentiamo sulla pelle, hanno quindi percorso quasi 150 milioni di km per raggiungerci. E’ semplice calcolare che per la luce, il viaggio è durato circa 8 minuti. In altre parole, noi vediamo il Sole com’era 8 minuti prima.  Quindi, se il Sole sparisse magicamente di colpo, noi lo sapremmo solo dopo 8 minuti!

Nota: e c’è anche di più… ricordate quanto detto sul tessuto spazio temporale? L’invalicabilità di “c” vale anche per l’attrazione gravitazionale. In virtù di questo, anche senza Sole, la Terra continuerebbe il suo regolare percorso orbitale per altri 8 minuti, prima di partire alla deriva. Pazzesco eh?

Se estendiamo questo trucco all’osservazione di oggetti più lontani, l’effetto sarà molto più rilevante. A seconda della loro distanza da noi, vedremo questi oggetti com’erano migliaia, milioni, o addirittura miliardi di anni fa! Questo offre agli studiosi l’opportunità di assistere, letteralmente, a ciò che è accaduto in passato. Confrontando oggetti simili a distanze diverse, inoltre, è possibile ricostruirne l’evoluzione, e quindi comprendere sempre meglio la storia dell’Universo e dei suoi abitanti.

A proposito: tutti conosciamo il termine “Anno Luce”, ma qualcuno fa un po’ di confusione con il suo significato. L’Anno-Luce è una unità di misura spaziale, e non temporale. Per esprimere le distanze in astronomia, il chilometro è generalmente troppo piccolo. Dovremmo utilizzare cifre con troppi zeri, e non ci capiremmo più nulla! La velocità della luce intesa come costante, ci semplifica notevolmente la vita. Si dice allora, ad esempio, che Proxima Centauri, la stella più vicina alla Terra, dista 4 Anni Luce da noi. Ciò significa che si trova alla distanza che la luce percorrerà in 4 anni.


Per riassumere, la presenza di tecnologie sofisticate e le proprietà della luce costituiscono davvero un’accoppiata vincente. Scrutiamo sempre più lontano, e quindi sempre più indietro nel passato.

Ma esiste un limite a quanto lontano nello spazio e nel tempo possiamo osservare? In realtà sì. Occorre sempre ricordare che le informazioni di cui disponiamo in astronomia sono trasportate tramite l’energia elettromagnetica. Ciò implica che i fotoni devono poter viaggiare da un luogo all’altro per raggiungere l’osservatore.

Oggi i fotoni si propagano senza problemi nello spazio, e lo fanno da miliardi di anni. Tuttavia, non è sempre stato così facile. Nell’Universo primordiale, infatti, la materia era così calda e densa da non permettere ai fotoni di muoversi liberamente.

Quando la densità e le temperature sono scese a sufficienza, dopo circa 380.000 anni dal Big Bang, i fotoni hanno potuto finalmente circolare, e trasportare le informazioni. Questi fotoni rappresentano la radiazione più antica che esiste, quella prodotta dal Big Bang stesso. E noi possiamo rilevarla ancora oggi! Viene chiamata radiazione cosmica di fondo, e permea l’Universo come radiazione nel microonde. La radiazione cosmica di fondo è una delle prove schiaccianti a favore della teoria del Big Bang, ed è anche una scoperta straordinariamente affascinante. Ma niente fretta! Ne parleremo in dettaglio nei prossimi appuntamenti.

A partire dal prossimo capitolo, infatti, ci tufferemo nell’Universo primordiale. Conosceremo meglio il Modello Cosmologico Standard e racconteremo, tra l’altro, di come la radiazione cosmica di fondo sia stata prima prevista dagli studiosi in base a modelli teorici, della sua scoperta quasi casuale, e delle sue implicazioni.

La rapidissima panoramica che abbiamo fornito finora ci sarà molto utile per iniziare a comprendere la storia del Cosmo, partendo dall’inizio dell’inizio.

E allora… tuffiamoci!

Il Modello Cosmologico Standard
E’ così che potremmo iniziare la nostra storia. Sembra una favola su un luogo incantato, e invece è una storia vera! Perlomeno, corrisponde alla teoria più comunemente accettata dagli scienziati sulle origini dell’Universo: il Modello Cosmologico Standard.

Secondo il Modello Cosmologico Standard, c’è stato un periodo, un istante, chi lo sa, nel quale l’Universo era così piccolo da essere concentrato in un solo punto. Questo punto, detto Singolarità, conteneva quindi tutta la materia, l’energia e lo spazio che compongono l’Universo, ammassati a densità praticamente infinita. Come potesse manifestarsi uno stato simile non è spiegabile dalle leggi della fisica che si applicano alla nostra realtà.

Nessuno conosce le leggi fisiche che regolavano il comportamento della Singolarità, perché in quelle condizioni estreme le normali leggi della fisica non valgono più. Allo stesso modo nessuno sa dire perché, in un istante, questo Tutto abbia improvvisamente iniziato ad espandersi.



Il Big Bang
L’istante descritto poche righe fa è stato chiamato Big Bang (Grande Scoppio). L’espressione è d’effetto, ma può trarre in inganno. E’ infatti facile visualizzare il Big Bang come un’esplosione che scaglia materia in tutte le direzioni. Non può essere così, perché in realtà non c’era spazio in cui la materia potesse essere scagliata.

Ricordiamo che lo spazio è a tutti gli effetti un elemento dell’Universo, come la materia e l’energia. Anche lo spazio era concentrato nella Singolarità, e al di fuori della Singolarità non vi era nulla. Pensiamo allora al Big Bang come all’evento che ha liberato il seme dell’Universo, consentendogli di sbocciare. Un inizio in cui è stato generato il tessuto dello spazio che ha iniziato ad espandersi, portando con sé la materia e l’energia. Un’espansione che continua ancora oggi. E man mano che si espande, l’Universo, all’inizio incandescente (dell’ordine di miliardi di miliardi di gradi), continua gradualmente a raffreddarsi.

Misurando la velocità alla quale l’Universo si sta espandendo, i cosmologi sono in grado di stimare l’età del Cosmo (cioè quanto tempo deve avere impiegato per raggiungere le dimensioni che ha oggi). Secondo le ultime stime, il Big Bang sarebbe avvenuto circa 13.8 miliardi di anni fa. Una vita lunga e tumultuosa, piena di avvenimenti straordinari. Eppure, tutto ciò che è accaduto in questi 13.8 miliardi di anni è stato determinato da ciò che si verificò nei primi pochi minuti. Non per niente il Nobel per la Fisica Steven Weinberg ha dedicato un intero libro ai primi tre minuti del Cosmo.

Questi primi istanti sono essenziali perché in questa frazione di tempo vengono cucinati gli ingredienti che consentiranno all’Universo di esistere come lo conosciamo oggi. Minuti frenetici e caotici, nei quali ogni millesimo di secondo porta con sé novità e sorprese.



Il Brodo Primordiale
Sembra ormai certo che all’inizio, per pochi millesimi di secondo, l’espansione sia stata rapidissima, per poi gradualmente rallentare, un brevissimo attimo chiamato “inflazione”. In un batter d’occhio (molto meno di un secondo), il diametro del Cosmo sarebbe cresciuto in maniera esponenziale. Approssimativamente possiamo immaginare che sia passato dalle dimensioni di un atomo a oltre 10 anni luce.

Uno spazio comunque piccolissimo rispetto a quello attuale, nel quale il contenuto veniva schiacciato a densità elevatissime e a temperature estreme. In queste condizioni, la materia come la conosciamo non poteva esistere. Esisteva invece un plasma incandescente, simpaticamente chiamato anche “brodo primordiale”, composto da un mix di fotoni e particelle di materia che costantemente si trasformavano gli uni nelle altre e viceversa.

Ciò non ci deve sorprendere, in quanto sappiamo che materia ed energia sono diverse manifestazioni della stessa entità.



Come i fotoni si trasformavano in materia
In un luogo così piccolo e affollato, era impossibile evitare di scontrarsi. Quando due fotoni entrano in collisione, se la loro energia è sufficientemente alta si trasformano in una coppia di particelle di materia di carica opposta (ad esempio protone-antiprotone, elettrone-positrone).

Il tipo di particelle generate dipende dall’energia dei fotoni. Per creare una coppia protone-antiprotone, ad esempio, servono fotoni molto più energetici di quelli che occorrono per generare una coppia elettrone-positrone, perché i protoni e antiprotoni hanno una massa molto più grande degli elettroni e positroni. Ricordiamo la formula e=mc2, che stabilisce una proporzione diretta tra energia e massa: se sostituiamo numeri ai simboli, è chiaro che aumentando il valore per la massa, aumenterà anche quello dell’energia, e viceversa.

Come abbiamo detto nella nostra piccola introduzione sull’energia, l’energia dei fotoni dipende dalla temperatura (più alta è la temperatura, più alta è l’energia). Poiché l’espansione dell’Universo provoca anche una graduale riduzione della temperatura, ne consegue che la produzione di materia-antimateria tramite collisione di fotoni è potuta avvenire solo nei primi istanti, e che il periodo in cui ciò avveniva sarà diverso a seconda delle particelle create.

I protoni e i neutroni, le particelle più pesanti, sono stati generati nel primo secondo di vita del Cosmo. Dopo 1 secondo infatti, la temperatura è scesa a meno di 10 miliardi di gradi Kelvin, e l’energia dei fotoni non era più sufficiente. La creazione degli elettroni, invece, ha potuto continuare fino a 10 secondi dal Big Bang. Insomma, tutta la materia convenzionale è stata creata nei primi 10 secondi di esistenza del Cosmo! E con un tocco un po’ poetico possiamo dire che la materia è stata generata dalla luce.



Come la materia si trasformava in fotoni
Le particelle di materia che venivano generate dalla collisione di fotoni non avevano vita facile. Ciò è dovuto al fatto che quando due particelle uguali ma di carica opposta (materia e antimateria) si incontrano, si distruggono reciprocamente. E’ un processo chiamato Annichilazione, nel quale le due particelle si trasformano in due fotoni. Nel densissimo brodo primordiale era molto difficile per una particella evitare la collisione con una sua antiparticella. Le coppie generate dallo scontro di due fotoni, quindi, quasi sempre finivano per ritrasformarsi in luce. Luce ad altissima frequenza che, a breve, avrebbe prodotto nuovamente materia.



La fine delle trasformazioni
Come detto, la trasformazione da energia a materia-antimateria si conclude dopo circa 10 secondi, quando i fotoni non avevano più energia sufficiente. La trasformazione da materia-antimateria ad energia, invece, deve aver proseguito finché tutte le coppie di particelle uguali ma di carica opposta si sono annichilate.

Se materia e antimateria fossero state presenti in uguale proporzione, tutte le particelle si sarebbero trasformate in fotoni. In questo caso, proviamo ad immaginare cosa sarebbe successo: avremmo un Universo pieno esclusivamente di luce. Affascinante, forse, ma noi non potremmo esserci ad ammirarlo! Il fatto che ovviamente non è così, dato che esistiamo e siamo fatti di materia, deve significare che per qualche motivo, inizialmente la materia era leggermente più abbondante dell’antimateria, una lieve superiorità numerica che le ha permesso di vincere la battaglia.

Al termine dell’annichilazione, l’Universo era dunque composto dallo spazio in espansione, colmo di una enorme quantità di fotoni e di un piccolo numero di particelle di materia libere, non più a rischio di collisioni e trasformazioni. Questa materia d’ora in poi sarà sempre presente, e sempre la stessa. Nulla più sarà creato ne distrutto.

Dopo essere partiti dalle origini dell’Universo, ora siamo già a buon punto con gli ingredienti del Cosmo attuale. Prendiamoci ora un pochino di tempo per assimilare quanto detto finora. Nella seconda parte di questo articolo descriveremo un altro passo fondamentale compiuto dal Cosmo verso ciò che è oggi. Si tratta della fabbricazione dei nuclei atomici, il tutto avvenuto non oltre i primi 20 minuti.

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