Il Big Bang

Nel mio blog ho all'inizio preso la decisione di non partire in modo classico, cioè dalle cose più semplici a quelle più complesse, ma di procedere a ritroso, dal più complesso al più semplice, se di 'semplice' si può parlare. Così, dopo alcuni post introduttivi necessari per impostare dei dati fondamentali (distanze e tempi di percorrenza, fasce di asteroidi - le stelle giganti parte 1 e parte 2 sono state invece una pausa rilassante) passiamo ora ad un argomento il cui nome provoca sempre, secondo me, una certa diffidenza o resistenza, perché è un tema complesso e difficile e sembra più riservato a "menti superiori".

Siccome non voglio che faccia questa fine nel mio blog, e non voglio appesantirvi la lettura e visione, cercherò di essere pratico il più possibile e di semplificare, poiché è anche uno degli scopi di questo blog, vedi presentazione (in effetti poi chi ha veramente voglia di approfondire trova come sempre sul web materiale infinito).

Vediamo ora di procedere con ordine. Svilupperò qui di seguito i seguenti argomenti, che riporto per esigenza di chiarezza, ma non preoccupatevi, vedrete che mano a mano che li affrontiamo e li spieghiamo sarà poi più facile il quadro generale dell'intero post:

1) il Big Bang
2) la radiazione elettromagnetica prodotta da una stella
3) l'anisotropia
4) la radiazione cosmica di fondo
5) l'inflazione cosmica

1) Cos'è il Big Bang?

E’ ampiamente accettato al giorno d’oggi che l’Universo ha un’età di circa 13,8 miliardi di anni, nato da un piccolo punto in cui stava tutto concentrato - conosciuto anche come la “singolarità” – che era così infinitamente denso che non possiamo vedere nulla di ciò che c’era prima. Da lì notoriamente è esploso in un “Big Bang” (tradotto "grande esplosione").

Questa, che è un'ipotesi, è stata derivata dalla relatività generale (quindi dalle formule di Einstein), ma per molti scienziati la singolarità del Big Bang è il più grave problema della relatività generale, perché le leggi della fisica sembrano non funzionare lì.

Le due grandi “prove” del fatto che il Big Bang sia realmente avvenuto sono costituite da:
- l’espansione dell’Universo  (tutt'ora in corso)
- l’esistenza della radiazione cosmica di fondo (che vediamo tra un momento)

Oggi sappiamo quindi con certezza che l'Universo si sta espandendo: la teoria del "Big Bang", la più accreditata tra quelle finora proposte, spiega questo fatto ammettendo che tutta la materia e l'energia si trovassero inizialmente racchiuse in un agglomerato incredibilmente denso e caldo che, circa 13 miliardi e mezzo di anni fa, "esplose" dando origine allo spazio, al tempo e all'espansione ancora in corso.

Attenzione però, è fondamentale a questo punto fare ben presente che quando diciamo che l'Universo si è originato da un "Big Bang", non vogliamo dire che questa è la realtà di quanto è effettivamente accaduto.
No, piuttosto vogliamo intendere che le nostre attuali conoscenze sembrano confermare quel "modello di realtà" che è la teoria del Big Bang. Nuove osservazioni e/o nuove idee potrebbero cambiare questo modello in uno nuovo, che eventualmente adotteremo se spiegherà meglio la somma di tutte le nostre osservazioni.

2) cos'è la radiazione elettromagnetica prodotta da una stella?

molti di noi conoscono lo spettro elettromagnetico illustrato nell'immagine

Un fenomeno astronomico non può essere ripetuto ma soltanto osservato da un unico punto di vista, spesso nemmeno per un tempo sufficiente a seguirne interamente lo svolgersi. La vita degli astri può avere tempi lunghissimi, i cosiddetti "Tempi Cosmici", in confronto ai quali le nostre vite e anche l'intera storia del genere Umano non sono che briciole.
Proprio a causa della lontanza degli astri e dei loro tempi di evoluzione non paragonabili a quelli della civiltà umana, l'unico modo per ottenere informazioni certe sulle stelle è studiare la radiazione da queste emessa.

Quando noi guardiamo una stella nel cielo notturno, quella luce che vediamo è solo una piccola parte della radiazione emessa dalla stella. Con gli strumenti adatti si possono registrare anche le altre frequenze.

alcune frequenze oltre a quella della luce visibile

Ogni stella infatti, grazie a una serie di reazioni termonucleari che avvengono al suo interno, produce energia che in parte viene emessa nello spazio circostante sotto forma di radiazione elettromagnetica (per un'analisi più completa della radiazione che arriva nella nostra atmosfera, post 3/4 alta atmosfera). Una piccola frazione di questa radiazione è percepibile dall'occhio umano come luce visibile ed è quella che ci fa apparire la stella luminosa (come vedete nella prima di queste tre foto), ma ripeto è solo una piccola frazione. La radiazione viaggia nello spazio alla massima velocità possibile, circa 300 mila km al secondo (vedi post distanze e tempi di percorrenza), e rappresenta quindi la portatrice di informazioni più veloce esistente in natura. Dal suo studio è possibile risalire alle caratteristiche della stella che l'ha prodotta, come ad esempio temperatura superficiale e composizione chimica.


Ora, per completare il quadro dobbiamo chiarire il significato di 3 concetti chiave collegati al nucleo fondamentale, il Big Bang. Una volta compresi, in linea generale, sarà più facile seguire il post senza sentirsi smarriti o peggio rinunciare ed abbandonare. State tranquilli e non spaventatevi quindi per i paroloni che suonano così complessi, i 3 concetti sono i seguenti:

- anisotropia
- radiazione cosmica di fondo
- inflazione cosmica

3) Anisotropia

Prima la definizione classica: l'anisotropia (opposto di isotropia) è la proprietà per la quale un determinato materiale ha caratteristiche che dipendono dalla direzione lungo la quale vengono considerate. Un materiale è anisotropo se le sue caratteristiche fisiche (conducibilità elettrica e termica, proprietà ottiche) o il suo comportamento meccanico (rigidezza, resistenza, tenacità) sono differenti in direzione longitudinale e trasversale.

Ora la traduzione:
in parole povere, a seconda della direzione (parola chiave) in cui si agisce, il materiale si comporta/risponde in modo diverso, e non è omogeneo (anche nella stessa direzione non è costante)

Il legno ad esempio si comporta in questo modo, a seconda di come lo prendi si deforma elasticamente in modo diverso.
Un materiale è isotropo invece quando ha lo stesso comportamento in tutte le direzioni.

Potremmo semplicisticamente tradurre, per fissare il concetto in memoria, con:

anisotropo = risposta diversa secondo la direzione

isotropo = stessa risposta

In un certo senso, l'anisotropia rappresenta per la direzione quello che la disomogeneità rappresenta per lo spazio.
Vi ho aiutato? E' almeno un po' più facile capirne il significato?




4) Radiazione cosmica di fondo

Ecco 3 possibili equivalenti definizioni:

- per radiazione cosmica di fondo (abbreviata in CBR, da Cosmic background radiation) si intende generalmente la radiazione omogenea ed isotropa (risposta costante ed uguale in tutte le direzioni) che nella cosmologia moderna è ritenuta essere il residuo termico del Big Bang. Questa radiazione, scoperta nel 1964 da Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson (che per questo motivo ricevettero il Premio Nobel per la Fisica) è più propriamente nota come radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBR, da Cosmic microwave background radiation), oppure "radiazione di fondo" o anche semplicemente "fondo a microonde"

- si pensa che sia un'onda derivante dal Big Bang e che ancora oggi dopo miliardi di anni continua a diffondersi nell'Universo. E' ritenuta una radiazione fossile e le sua scoperta è importante per il fatto che nelle diverse parti dell' universo non ha sempre la stessa intensità, ciò significa che la materia non era inizialmente distribuita in maniera omogenea

- è un mare di microonde che pervade l’universo, ed è il residuo del Big Bang, l’esplosione che diede inizio all’universo


Pur essendo quasi isotropa, la radiazione cosmica di fondo a microonde presenta, comunque, delle piccole anisotropie.

Qui sopra, nuova immagine dell’Universo giovane.
Tranquilli, ora dovreste essere un po' più preparati per comprendere a grandi linee di cosa stiamo parlando e che cosa stiamo guardando: questa immagine di tutto il cielo si basa sui dati ottenuti dalla sonda spaziale oramai in pensione Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).

WMAP fu lanciato nel 2001 e dalla sua posizione di parecchi migliaia di km dalla Terra (nella direzione opposta al Sole) analizzò e scansionò i cieli, mappando i bagliori residui dell’Universo giovane e caldo con una precisione senza precedenti; perchè possiamo rilevare e studiare la luce antica, la luce più vecchia del nostro Universo (altra definizione di CMBR).

L’immagine fa una mappatura della temperatura della radiazione lasciata dal Big Bang a quell’epoca in cui l’Universo aveva solo 375.000 anni. Si osserva un intervallo di temperatura compreso tra -200 microKelvin e + 200 microKelvin, con fluttuazioni nella cosiddetta radiazione cosmica di fondo che appare qui con colori differenti.

Tra le altre rivelazioni, i dati di WMAP hanno permesso di ottenere una stima molto più precisa sull’età dell’Universo pari a 13,7 miliardi di anni e hanno confermato che circa il 95% della composizione dell’Universo è formato da materia oscura e da energia oscura.

I dati di WMAP hanno pure aiutato i ricercatori a fissare la curvatura dello spazio pari a solo lo 0,4% da quello definito come “universo piatto” e individuare il momento in cui l’Universo ha cominciato ad emergere dall’età buia (dark ages), circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang. Di materia ed energia oscura parliamo nel post Dark Matter.

una mappa della radiazione di fondo a microonde, un'"impronta" della luce primordiale
dell'Universo così come appariva 380 mila anni dopo il Big Bang

In questa seconda foto è possibile vedere l'incredibile istantanea del giovane universo quando aveva appena 379.000 anni, cioè oltre 13 miliardi di anni fa, scattata dal satellite Planck Surveyor dell’ESA (l'Ente Spaziale Europeo), lanciato il 14 maggio 2009, che ha misurato le anisotropie (differenti risposte in base alla direzione) di ciò che rimane della radiazione fossile dovuta al Big Bang, ovvero la radiazione cosmica di fondo.

Il primo satellite Cobe (per un'idea di satelliti, quote e orbite post 4/4 - Viaggio attraverso l'atmosfera), lanciato nel 1989, fece un’analisi precisa, scoprì che la radiazione cosmica di fondo non era perfettamente uniforme (quindi non era isotropa come si pensava) come rilevato inizialmente (da qui si capisce che la ricerca in astrofisica è in continua evoluzione e i modelli sui quali ci si basa possono cambiare), ma che la sua mappa presenta “macchie” corrispondenti a zone leggermente più fredde e altre a zone più calde: queste macchie sono l’impronta digitale di ciò che avvenne nei primi istanti di vita dell’universo. Dopo Cobe, il satellite che ha studiato nel dettaglio la radiazione fossile è stato WMAP, lanciato in orbita nel giugno 2001. L'ultimo è stato appunto il satellite europeo Planck, fino a 10 volte più sensibile e con una risoluzione angolare 3 volte maggiore.

Forse quelle che vediamo nella strabiliante immagine precedente sono i semi delle nostre galassie...

5) l'inflazione cosmica

Abbiamo detto che l’Universo è nato da una grande esplosione detta Big Bang. Nell’“istante zero”, tutto lo spazio e tutta la materia erano concentrati in un punto. Poi c’è stata una rapidissima espansione che ha proiettato l’universo su scale cosmiche: l’inflazione  (dal latino "inflatio" = gonfiarsi, dilatarsi).

Questa fase è stata ipotizzata a livello teorico per trovare una soluzione a una delle principali anomalie della teoria del Big Bang, una teoria molto solida, ma con alcuni punti oscuri. L’universo infatti è straordinariamente uniforme, tanto che se guardiamo in direzioni opposte, vediamo più o meno la stessa scena: lo stesso numero di galassie e la stessa temperatura media. Se fosse valida la teoria originaria del Big Bang, quella che conosceva Einstein, ciò sarebbe molto improbabile: sarebbe come tirare milioni di dadi e vedere che danno tutti lo stesso risultato.
Per risolvere il problema, a partire dagli anni ’70 si è ipotizzato che all’inizio ci sia stata un’espansione molto superiore alla velocità della luce: l’inflazione. Ciò avrebbe “stirato” lo spazio, proiettando su scale cosmiche l’uniformità tipica di una porzione minuscola di spazio. Sarebbe come tirare un dado e poi replicare l’azione in modo identico milioni di volte: non ci si stupirebbe di vedere ovunque lo stesso risultato.


Ed ora uno schema che racconta la storia dell'Universo dal Big Bang fino ad oggi in 10 fasi, seguito dalla breve descrizione dello schema in 5 fasi + una extra; la descrizione la copio così com'è visto che è fatta molto bene e ricca di esempi. (Focus: "cos'è la Radiazione Fossile?"). Vi consiglio, con un po' di pazienza, di leggerla tutta perché non è impossibile ma al contrario molto interessante (l'argomento del punto extra verrà poi da me trattato in un altro post più avanti).

Prima fase: Big Bang
Durante il Big Bang, l’universo visibile era concentrato in un punto molto più piccolo di un atomo. Su questo stadio primordiale non sappiamo praticamente nulla, perché le nostre teorie falliscono in condizioni così estreme. Possiamo soltanto dire che, in quelle primissime fasi, l’universo era composto da un concentrato caldissimo di energia, soggetto a fluttuazioni di natura “quantistica”, cioè dovute al fatto che nel mondo microscopico non c’è mai nulla di perfettamente fermo, ma tutto si muove come in un calderone d’acqua in continua ebollizione.
Le fluttuazioni quantistiche primordiali erano così intense da sconvolgere lo spazio e il tempo, per cui dovevano esserci zone e momenti in cui le distanze si accorciavano, altre in cui si allungavano. E nemmeno lo scorrere del tempo era uniforme: in alcune situazioni accelerava, in altre rallentava… forse ogni tanto si creavano perfino minuscole macchine del tempo capaci di raggiungere il passato! Questa fase, ancora fuori dalla portata dei nostri strumenti di misura, durò un niente: indicativamente 10-36 secondi, cioè 0,00… 01 secondi, scritto con 36 zeri.

Seconda fase: l'inflazione
In una fase immediatamente successiva, e per un tempo altrettanto breve, l’universo esplose in modo iperbolico, espandendosi di 1040 (1 seguito da 40 zeri) volte: porzioni di spazio molto più piccole di un nucleo atomico furono, così, proiettate su scala cosmica.
Questa fase si chiama “inflazione” e gli astronomi fino ad oggi la postulavano soltanto teoricamente. Oggi, grazie alle prove di BICEP2, ne abbiamo le prove "tangibili: l'inflazione c’è stata davvero.

Secondo molte teorie, durante l’inflazione il cosmo fu scosso da una valanga di onde gravitazionali. In seguito al loro passaggio, l’universo vibrò come una pelle di tamburo. Planck era stato progettato per rilevare in modo indiretto le onde gravitazionali che si sprigionarono subito dopo il Big Bang e i dati delle sue ricerche sono ancora in fase di studio.

Perché queste onde dovrebbero aver lasciato una traccia in una particolare componente della radiazione cosmica: per cercare di rilevarla, BICEP2 e Planck selezionano dalle radiazioni che ricevono una particolare polarizzazione, in modo analogo a come un filtro polaroid (quelli delle macchine fotografiche) seleziona una particolare componente della luce.

Terza fase: raffreddamento
Dopo l’inflazione, l’universo si raffreddò al punto che il vuoto ebbe una transizione di fase: in un certo senso, “si congelò”. E le particelle, che prima si muovevano nel vuoto alla velocità della luce, acquistarono una proprietà detta “massa” che le fece rallentare, dando origine al principio per cui, se spingiamo con identica forza una boccia da 1 etto (che ha una massa minore) e una da 1 kg (che ha una massa maggiore), quest’ultima si muove più lentamente. A “frenare” il movimento delle particelle nel cosmo primordiale fu un’entità detta “campo di Higgs”, che possiamo immaginare come un campo innevato: una particella che interagisce poco con tale campo, per esempio un elettrone, è come uno sciatore che sfreccia velocemente sulla neve, mentre una particella che interagisce di più, come un protone, è come una persona che avanza con più difficoltà, a piedi, perché sprofonda. Nell’esempio, il campo di Higgs è generato da una particella che possiamo paragonare a un fiocco di neve: il bosone di Higgs, detto “particella di Dio”.

Quarta fase: prevale la materia
Nei primi istanti dell’universo, materia e antimateria erano presenti in quantità pressoché identiche. Man mano che il cosmo si espandeva e si raffreddava, le due componenti uguali e simmetriche avrebbero dovuto annichilirsi, cioè annullarsi a vicenda per lasciare un mare di sola radiazione. E invece non andò così: la materia prevalse e, col tempo, formò stelle, pianeti ed esseri viventi come noi.

Quinta fase: la gravità
In seguito alle fluttuazioni primordiali (v. FASE 1), dopo il Big Bang la materia non era distribuita in modo uniforme: c’erano zone più dense e altre meno dense. La materia si condensò per effetto della gravità in quelle più dense, creando, nel corso di molti milioni di anni, stelle e galassie.

Punto extra: Il lato oscuro
Questa storia del cosmo sarebbe incompleta senza due elementi essenziali: l’energia oscura e la materia oscura.
La prima è un’energia che pervade lo spazio e spinge l’universo ad accelerare la sua espansione, ma al momento non si sa nulla di più.
La seconda è una massa invisibile che si addensa attorno alle galassie, e che si pensa possa aver costituito i “semi” attorno a cui le stesse galassie si sono formate… Se non ci fosse stata, insomma, non ci sarebbero nemmeno le galassie e il cosmo sarebbe una nube di gas informe.

Sulla materia oscura sono state formulate varie teorie: l’ipotesi dominante è che sia composta da particelle dette Wimps, molto più pesanti degli elettroni e dei quark negli atomi (per una infarinatura su atomi, molecole e particelle cosmiche post 3/4 alta atmosfera). Diversi scienziati, però, sono scettici: «Dopo più di 20 anni di ricerca, non è ancora stata trovata alcuna particella di questo tipo» dice Norma Sanchez. «Inoltre le Wimps non rendono conto dei dati astronomici, sempre più precisi: se queste particelle davvero esistessero, i centri delle galassie dovrebbero avere una struttura molto più articolata di quella che si osserva». Secondo Sanchez, la materia oscura è composta da particelle più leggere, circa 500 volte più leggere degli elettroni, e buoni candidati sarebbero i cosiddetti “neutrini sterili”, dei quali si potrebbe trovare traccia per mezzo di osservazioni astronomiche e di esperimenti nucleari.

Qualunque sia la natura della materia oscura, il fatto stesso che esista fa tremare le fondamenta del cosiddetto “Modello Standard”, la teoria che inquadra tutte le particelle note. Recentemente, nuovi esperimenti hanno trovato crepe in questo edificio teorico, che finora era stato pressoché infallibile nel descrivere i processi che avvengono su scala subatomica. Siamo, dunque, alla vigilia di una nuova rivoluzione scientifica?

Qui abbiamo lo stesso riassunto semplificato e un po' più facile da leggere.

Qui abbiamo lo stesso tipo di schema ma con tutti i dettagli dei protagonisti, se avete voglia e curiosità sufficienti per indagare.






















Ecco altri due schemi molto semplici da leggere ma che aiutano a farsi un'idea

Si parla anche di energia oscura e materia oscura, due temi che tratteremo più avanti in un altro post.

Ed ecco ora uno schema che illustra come si sono evolute le galassie col passare di miliardi di anni dal Big Bang (quindi dovete guardare l'immagine nei riquadri sopra come cambia da destra verso sinistra), ed un esempio concreto della galassia più lontana conosciuta.

Nella foto che segue, dista 13,1 miliardi di anni-luce dalla Terra e si chiama Z8_GND_5296, la galassia conosciuta più lontana dal nostro pianeta. L'aspetto più interessante è la possibilità, osservando la galassia, di vedere com'era l'universo quando era ancora "giovane" ossia quando aveva 700 milioni di anni, il 5% della sua età attuale stimata (13,8 miliardi di anni - consiglio di leggere l'etichetta "guardare nel passato" per il discorso Tempo-Spazio). È stato il suo colore rosso (redshift) ad "avvertire" gli astronomi della sua lontanza e, così, della sua vicinanza temporale al Big Bang.

Abbiamo appena accennato al redshift o spostamento verso il rosso: possiamo qui dare un primo anticipo di cosa significa, con una semplice illustrazione.

Le galassie a spirale, come quella nell'immagine, sono dotate di un movimento di rotazione su se stesse. Questa proprietà è nota a causa di un effetto fisico col quale ci si incontra normalmente nella vita di tutti i giorni: l’effetto Doppler (vedremo più avanti nei post futuri). Nella vita reale noi ne conosciamo l'effetto sul suono, quell'effetto che fa sì che le sirene dell'ambulanza cambino tono apparentemente mentre si avvicina, ci supera e si allontana. Quando la galassia a spirale gira su stessa, le radiazioni emesse dalla parte che si dirige verso l’osservatore situato in basso nella figura sono spostate verso il blu. Le medesime radiazioni sono spostate verso il rosso per la parte che si allontana.

Ora è più semplice no? A volte terminologie apparentemente complesse si risolvono in realtà in concetti piuttosto facili da memorizzare, ma non sempre è così.






Per concludere qualche altra immagine per completare il quadro generale.

Planck, anisotropie

nello schema si noti la posizione dell'essere umano nei tempi cosmici

Infine un accenno brevissimo ad alcune teorie sulla fine dell'Universo:

Big Freeze e morte termica

Il Big Freeze è uno scenario in cui la continua espansione provocherebbe un universo troppo freddo per sostenere la vita. 

La teoria è sostenuta, almeno per quanto riguarda l'universo osservabile, dalla maggioranza dei fisici e dei cosmologi.

Big Rip

La fine dell'universo potrebbe avvenire come un "Big Rip" (Grande strappo), che distruggerebbe la struttura fisica dell'universo.

Le implicazioni finali possono essere le stesse del Big Freeze: un universo freddo e inerte per sempre o qualcosa di nuovo. Allo stato attuale molti fisici però credono che non si verificherà.

Big Crunch - Universo con inizio e fine

Così come il Big Bang ha iniziato un'espansione cosmologica, questa teoria suppone che la densità media dell'Universo sia sufficiente a fermare l'espansione e ad iniziare una contrazione cosmica. 

Questo scenario non elimina la teoria che il Big Bang fosse preceduto da un Big Crunch di un universo precedente. Se ciò avviene ripetutamente si ha un universo oscillante. L'universo potrebbe quindi consistere di un'infinita sequenza di universi finiti, ognuno dei quali finito con un Big Crunch coincidente con il Big Bang del successivo

Universo finito in un multiverso infinito

L'ipotesi è fonte di disaccordo nella comunità dei fisici.

Il mondo-brana e il Big Splat

Lo scenario del multiverso (o dell'universo parallelo) vuole che, mentre il nostro universo sia di durata finita, questo sia uno di tanti universi. La fisica del multiverso potrebbe permettere a questo di esistere indefinitamente. In particolare, altri universi potrebbero essere soggetti a leggi fisiche diverse da quelle del nostro universo; questo è collegato alla teoria delle stringhe e delle brane.

Con il Big Freeze e l'inflazione, è oggi la teoria più diffusa negli ambienti dei fisici teorici.

Il buco nero primordiale e la selezione cosmologica

I buchi neri assorbiranno tutto quello che rimane, e, forse, potranno dare origine, con tutta la materia assorbita, ad un corrispondente buco bianco e, quindi, a nuovi universi. 

L'inflazione eterna e gli infiniti universi nelle bolle

Ogni bolla inflazionaria di questa "schiuma quantica" è invece un universo (come il nostro), collegato ad altri universi tramite i wormhole (buchi neri) teorizzati da Einstein; alcuni di questi universi sono abitabili, altri no, e ognuno ha la sua storia ed evoluzione specifica, passata e futura. Linde chiama questo modello, scherzosamente, "universo a formaggio svizzero" o a "coppa di champagne". 

Grazie per avermi seguito fin qui, arrivederci al prossimo post.



I siti da cui provengono le informazioni usate in questo post:

Links serviti per il post:

http://www.fancityacireale.it/wordpress2/un-universo-infinito-non-abbiamo-bisogno-del-big-bang-forse/
http://archive.oapd.inaf.it/othersites/astronomia/p2.html
http://www.focus.it/scienza/che-cos-e-la-radiazione-cosmica-di-fondo

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