Big bang

Cultura

IL BIG BANG

La nascita dell'Universo

L'universo nel suo insieme e' quanto di piu' lontano dal senso comune ci possa essere. Innanzitutto e' finito (almeno l'universo osservabile, cio e' quello da cui ci possono giungere informazioni) ma non limitato: cioe' se ne puo' definire un raggio, ma non ha un confine. Inoltre, dalla Terra vediamo tutte le galassie lontane che si allontanano sempre piu' da noi; e questo potrebbe farci pensare di essere al centro dell’espansione del cosmo. Ma se ci trovassimo in qualsiasi altra galassia vedremmo lo stesso spettacolo; nell'universo, tutto si allontana da tutto, non esiste un centro. E ancora, visto che l'universo si espande, viene da immaginare che lo faccia in "qualcosa". Invece no: non esiste niente fuori dall'universo. Anzi, non esiste neppure un "fuori". Perche' e' l'universo stesso con la sua espansione che crea lo spazio e il tempo. C'e' un'altra cosa da aggiungere. Si potrebbe discutere (e qualcuno lo fa) se la cosmologia, cioe' la disciplina che studia l'universo nel suo insieme, ia davvero una scienza. Perche' normalmente nella scienza si possono fare esperimenti, ripeterli, confrontarli... Ma di universo ce n'e' uno solo, per quanto ne sappiamo, e non e' un oggetto che si possa maneggiare in laboratorio. Insomma, l'universo e' molto difficile da studiare. E ancora piu' difficile e' capire come sia nato, visto che parliamo di un'epoca tanto lontana nel passato che non solo non c'era l'uomo, ma neanche si era formata la Terra. L'epoca del Big Bang. Per spingersi piu' indietro nel tempo, bisogna cambiare strategia, o almeno lunghezza d'onda. Possono servire i radiotelescopi? Le onde radio hanno caratteristiche interessanti, e permettono di vedere fenomeni e oggetti che con la luce normale non si osservano.

Per esempio, i grandi radiotelescopi contribuiscono in modo significativo a ricostruire il passato dell'universo mettendo in evidenza remotissime galassie nei cui nuclei si trovano buchi neri colossali. Ma anche le onde elettromagnetiche che raccolgono i radiotelescopi non arrivano da dietro il confine dei 380.000 anni. La domanda, a questo punto, e': che cosa rappresenta quel limite? Per rispondere, conviene partire dall'inizio, cioe' dal Big Bang, o da quella che gli scienziati chiamano piu' propriamente "singolarita' iniziale". Le prime fasi di vita dell'universo sono state concitate: i primi 10-43 secondi successivi sono detti dai fisici "era di Planck". Parliamo di un intervallo di tempo durato solo un decimilionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo. Ma di quell'epoca non possiamo dire nulla, perche' in quella situazione le leggi della fisica perdono significato, come perde di significato anche il concetto di tempo. In un trambusto di strani fenomeni quantistici, poi, e' arrivata l'inflazione. Una fase in cui l'universo si e' improvvisamente dilatato in modo esponenziale, e che e' durata da 10-36 a 10-32 secondi dopo il Big Bang. Poi, prima che l'universo compisse un secondo di eta', si formarono le prime particelle: protoni, neutroni, elettroni, neutrini...E poi, nel giro di 3 minuti, i primi nuclei atomici di idrogeno e di elio, i piu' semplici. A questo punto, c'e' una fase di calma. Per qualche centinaio di migliaia di anni, l'universo e' un miscuglio di particelle e di radiazione, densissimo e caldissimo; ma, espandendosi, si raffredda. Dopo 380.000 anni (eccoci al confine), la temperatura e' calata abbastanza da consentire la formazione dei primi atomi: gli elettroni si legano ai nuclei atomici. E la radiazione non rimane piu' intrappolata. Si forma la radiazione cosmica di fondo. La radiazione di fondo e' l'informazione piu' antica riguardante la storia dell'universo che possiamo raccogliere con gli strumenti tradizionali. Sono i fotoni piu' antichi che ci siano in circolazione. Oggi la troviamo nel campo delle microonde, e corrisponde a una temperatura di -270,45 gradi, quella attuale dell'universo. Ma durante la convulsa corsa delle prime fasi di vita dell'universo, erano avvenuti fenomeni che hanno lasciato una traccia su di essa, sotto forma di minuscole differenze di temperatura. Per avvicinarsi al Big Bang, l'astrofisica moderna offre oggi strumenti che fino a qualche anno fa erano impensabili. Se infatti la radiazione elettromagnetica non puo' portarci informazioni sulle prime fasi di vita del cosmo, possiamo rivolgerci ad altri tipi di "messaggeri": i neutrini e le onde gravitazionali. I primi sono particelle subatomiche molto difficili da catturare, che pero' si formano in grande quantita' per esempio nel Sole, nelle altre stelle, nelle esplosioni delle supernova e arrivano fino a noi. Anche all'alba del cosmo dovrebbero essersi formati neutrini, "fuggiti" nell'universo primordiale gia' un secondo dopo il Big Bang. Cosi' come, nella fase inflazionaria dell'universo, dovrebbero essersi generate delle onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo che viaggiano alla velocita' della lucein basso). Solo nel 2016 si e' avuta la prova che queste onde, ipotizzate 100 anni prima dalla Relativita' generale di Einstein, esistono davvero. E in questi ultimi anni sono arrivate diverse conferme di onde gravitazionali prodotte in fenomeni estremi dell'universo, come la collisione tra due buchi neri. Ma la rilevazione diretta di quelle di origine primordiale e' ancora fuori dalla portata degli strumenti attuali, mentre e' possibile per via indiretta studiando la radiazione di fondo. Probabilmente saranno quindi i neutrini e le onde gravitazionali, con l'aiuto della radiazione di fondo, ci avvicineranno al Big Bang.

Il nostro universo e' una struttura in espansione, i cui mattoni sono sterminate famiglie di stelle, le galassie, disperse in uno spazio enorme e ciascuna composta da centinaia di miliardi di astri. Ma le galassie si allontanano sempre piu' le une dalle altre; o meglio, lo spazio si dilata trascinato dall'espansione dell'universo e porta con se' le galassie. Quindi, se immaginiamo di invertire lo scorrere del tempo, dovremmo vederle avvicinarsi sempre piu', fino ad arrivare a un'epoca del passato in cui tutto cio' che oggi esiste ha iniziato a espandersi. Eccolo, il Big Bang. Arrivare a vederlo, sembrerebbe possibile. Guardare lontano nello spazio infatti significa andare anche indietro nel tempo. Il Sole lo vediamo come era 8 minuti fa, le stelle vicine come erano qualche decina di anni fa, le galassie lontane come erano miliardi di anni fa. Perche' la luce, con cui studiamo gli oggetti celesti, per arrivare fino a noi impiega un tempo che dipende dalla distanza dell'oggetto che osserviamo. Allora, in teoria, guardando lontanissimo, prima o poi dovremmo riuscire a vedere anche il Big Bang.

I cosmologi sono abbastanza concordi nel fissare il Big Bang a circa 13,8 miliardi di anni fa. Quindi, in teoria, il confine dell'universo osservabile dovrebbe trovarsi a 13,8 miliardi di anni luce da noi. Ma nel corso di questo tempo l'universo si e' espanso. Secondo gli scienziati, la luce ipoteticamente emessa da un oggetto nato con il Big Bang oggi ci arriverebbe non dopo aver percorso 13,8 miliardi di anni luce ma dopo averne percorsi 46,5 miliardi. Quindi il raggio attuale dell'universo, tenuto conto dell'espansione, sarebbe di circa 46,5 miliardi di anni luce. La radiazione di fondo, in inglese Cmb (Cosmic Microwave Background), si e' formata 380.000 anni dopo il Big Bang. In cielo e' presente in ogni direzione, come radiazione a microonde a 2,7 K di temperatura. La Cmb ci racconta dell'epoca in cui radiazione e materia si sono separate e la radiazione ha potuto viaggiare libera nello spazio. Ma le caratteristiche della materia e della radiazione a quel tempo, chiamato "era del disaccoppiamento", dipendono da quanto era successo prima. Nella mappa della Cmb a fianco, realizzata dal satellite Planck (con un contributo fondamentale degli scienziati italiani), i colori indicano differenze di temperatura: rosso un po' piu' caldo, azzurro un po' piu' freddo. Sono variazioni minuscole, dell'ordine di una parte su 100mila, e che riflettono fluttuazioni avvenute nelle primissime fasi di vita dell'universo. Queste variazioni di temperatura sono fondamentali: sono i "semi" attorno ai quali si sono formate le grandi strutture dell'universo di oggi, come gli ammassi di galassie. Ma dalla Cmb puo' arrivare anche un'altra informazione. La radiazione elettromagnetica e' un'onda che oscilla nel tempo, mentre viaggia nello spazio. E le teorie prevedono che le onde gravitazionali primordiali prodotte all'epoca dell'inflazione siano state in grado di polarizzarla, cioe' di selezionare alcuni modi di oscillazione rispetto ad altri. In altre parole, quelle antiche onde gravitazionali devono aver lasciato un segno sul modo in cui oscilla la radiazione di fondo. Finora nessuno strumento e' stato in grado di analizzare questa proprieta' della Cmb con il necessario dettaglio.

La radiazione cosmica di fondo

"Vedere il Big Bang" significa riuscire a percepire un segnale di qualche natura emesso un'impercettibile frazione di secondo dopo di esso. Gli studiosi indicano un simile segnale con l’aggettivo "primordiale". Paradossalmente, per osservare qualcosa di tanto primitivo servono apparecchiature futuristiche, concepite per realizzare progetti visionari. Per esempio, catturare i neutrini che si sono formati circa un secondo dopo il Big Bang. Secondo le teorie, a quell'epoca l'universo era un confuso insieme di fotoni, quark e neutrini, molto caldo e denso, detto zuppa primordiale (appunto). Man mano che l'espansione procedeva, l'universo diventava sempre meno caldo e denso. Circa un secondo dopo il Big Bang, le condizioni furono tali che i neutrini e il loro analogo di antimateria, ovvero gli antineutrini, ruppero l'equilibrio e cominciarono a viaggiare liberi per il cosmo: una corsa folle che continua tuttora. Si stima che oggi, in ogni centimetro cubo dell'universo, all'incirca il volume del nostro pollice, potremmo trovare centinaia di questi neutrini primordiali. Ma nonostante siano cosi' abbondanti e' molto difficile studiarli. I neutrini non hanno carica elettrica e hanno una massa cosi' minuscola che per decenni si e' pensato che fosse nulla. Oggi sappiamo che e' dell'ordine di un decimilionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di grammo... Con queste caratteristiche, e' molto difficile in generale catturare i neutrini e ancora di piu' identificare se si tratta di neutrini primordiali oppure di quelli prodotti, per esempio, dalle reazioni nucleari sulla Terra e nelle stelle, a cominciare dal nostro Sole.

Le onde gravitazionali primordiali sarebbero state prodotte dalle oscillazioni dello spaziotempo che hanno contraddistinto il periodo dell'inflazione. In quella fase, l'universo osservabile si e' gonfiato come un palloncino aumentando le proprie dimensioni da quelle di un protone a quelle di un'arancia. Pensiamo a un lenzuolo che prendiamo ai quattro capi: mentre lo stendiamo, sulla tela si formano increspature, che man mano che tiriamo diventano magari piu' piccole, ma non vanno via del tutto. Le onde gravitazionali primordiali sono proprio le increspature cui e' andato incontro lo spazio-tempo durante l'inflazione: le loro caratteristiche permettono quindi di ricostruire le condizioni dell'universo in quel momento decisivo.