Storia dell'universo

Secondo la tesi più accreditata nella comunità scientifica, la storia dell'universo è iniziata con una teoria pubblicata nel 1927 spiegata dal sacerdote e astronomo Georges Lemaître , poi sostenuta e sviluppata da George Gamow. Secondo tale teoria l'universo, durante la sua nascita, da un punto di infinita densità si sarebbe espanso autogenerandosi (una metafora molto usata, sebbene impropria, per descrivere questo fenomeno è quella di una colossale esplosione), questo fenomeno è detto big bang (espressione coniata da Fred Hoyle nel 1949.

Una delle prove a sostegno di questa ipotesi è la radiazione diffusa che ancora persiste dall'ipotetico inizio dell'universo.

Lo stato della materia prima del Big Bang non è descrivibile in termini fisici, trovandosi essa in uno stato chiamato dai fisici "singolarità".

Mentre le ipotesi sul futuro dell'universo variano dall'espansione illimitata ad un fenomeno oscillante di espansione-contrazione, possibile conseguenza di un universo chiuso, niente si conosce di ciò che è accaduto prima del Big Bang: probabilmente il tempo è nato in quel momento.

L'interpretazione sulle origini dell'universo è una questione al confine tra scienza e filosofia: la possibilità di una validazione empirica delle varie ipotesi risulta spesso ardua se non impossibile. Alcune di queste teorie postulano cicli infiniti di morte e rinascite dell'universo, altre addirittura postulano l'esistenza non solo del nostro ma di altri universi.

Modelli di universo

Per definire al meglio la storia dell'universo, scientificamente, è innanzitutto indispensabile conoscere quale tipo, quale modello occorre prendere in esame affinché ci si possa avvicinare il più possibile alla realtà, alla veridicità degli eventi che sono stati la base del passato, formano il presente e domani rappresenteranno il futuro. In questi anni molte teorie si sono avvicendate ed ognuna di esse ha rappresentato la base di quelle che poi si sono susseguite. Oggi è vero che la più accreditata è quella del Big Bang ma è anche vero che presa così da sola non riesce a dare tutte le risposte che necessitano.

Tre tipi di universo: chiuso, aperto e piatto

La storia dell'universo è composta dalle origini e dall'evoluzione che è parte integrante della cosmologia. Prima di svilupparsi in una scienza, la cosmologia era considerata una sotto branca della filosofia. Anche le religioni, con le loro cosmogonie cercarono di dare una risposta alla grande questione dell'origine del cosmo, elaborando grandi costruzioni fantastiche di tipo mitologico. Nel XX secolo vennero formulati tre tipi di modello:

• Quello dell'universo chiuso che si evolve verso un destino di collasso della materia che finirà con un gigantesco evento, il Big Crunch.
• Quello stazionario che comporta un universo statico, che non cambia.
• Quello aperto che prevede un universo che tende ad espandersi all'infinito.

Einstein nel 1917 propose un modello basato sulla teoria della relatività generale; un modello statico dove la gravità creava una curvatura nello spazio-tempo; e per avvalorare meglio questo suo concetto introdusse la Costante cosmologica, una forza che bilanciava la forza d'attrazione gravitazionale.

Aleksandr Aleksandrovič Fridman disse che l'universo si espande, e le modalità di questa espansione dipendono dalla densità media della materia in esso contenuta: se essa fosse troppo piccola la reciproca attrazione delle galassie causerebbe un rallentamento dell'espansione stessa ma non tale da fermarla, quindi si parla di un universo aperto.

Al contrario se la densità della materia fosse maggiore del valore critico (5×10⁻³ g/cm³), l'espansione sarebbe destinata a fermarsi e si avrebbe una contrazione fino ad arrivare al collasso (Big Crunch), si parla quindi di universo chiuso; inoltre la teoria sostiene che potrebbe di nuovo esplodere per riespandersi per di nuovo ricollassare in un ciclo infinito, si parla di Universo oscillante.

Universo in espansione

George Gamow, forte della teoria di Fridman e di quella di Georges Lemaître riguardante l'atomo primordiale, ipotizzò l'idea di una grande esplosione (Big Bang), dove la materia, trovandosi in condizioni di temperatura e densità estreme, causò il Grande botto che portò all'espansione e alla creazione dell'odierno universo.

Interessante è anche la teoria di Andrej Linde che congettura, dopo il fatidico Big Bang, la formazione di molti universi, ognuno racchiuso in sé stesso dentro una specie di bolla, all'interno di ognuna delle quali vigono leggi fisiche diverse; questa teoria è chiamata dei Multiversi.

Oggi i cosmologi sono portati a considerare la teoria dell'Inflazione, espressa da Alan Guth come quella che si adatta meglio alla realtà osservata, sulla base delle odierne scoperte e conoscenze; partendo dalla teoria di Gamow, che inserisce concetti della Fisica delle particelle elementari, si arriva a una ipotesi, mai fatta prima, su ciò che sarebbe successo durante il primo secondo di vita dell'universo, perché poco si sapeva della proprietà della materia a tali estreme condizioni. Ma Guth, partendo dalle ricerche fatte da Stephen Hawking, teorizzò un processo di espansione oltremodo veloce; utilizzando la teoria dei campi gravitazionali pensò che una regione di quello stato caotico cominciasse a gonfiarsi (to inflate, gonfiarsi, quindi il termine inflazione), così velocemente da dare origine al nostro universo.

Figura 4: Linea del tempo per l'espansione dell'universo

In definitiva, la teoria accettata è quella inflazionistica, che vede alle origini una singolarità che causa un'esplosione in un preuniverso caotico, che nel primo secondo si espande con grande rapidità, per poi continuare sempre più, in un processo non rallentato abbastanza dalla forza gravitazionale delle galassie e dalla presenza massiccia della materia oscura.

Saul Perlmutter annunciò che i dati in suo possesso, basati su osservazioni di supernove di tipo Ia in galassie lontane, vedevano un universo in espansione con moto accelerato, come se esistesse una forza antigravitazionale a fare da motore; questa forza è stata chiamata Energia oscura e porterà in futuro ad un aumento dei valori del volume dell'universo ed a una disgregazione delle galassie nel cosiddetto Big Rip.

Note cronologiche

Nota: le date devono essere considerate, anche se non specificato, come approssimative. I cosmologi hanno suddiviso la "storia" dell'Universo in 9 ere, che variano da poche frazioni di secondo a miliardi di anni. Ciascuna di queste ere è caratterizzata da un avvenimento particolare - che può essere la separazione di una forza fondamentale dalle altre, oppure la formazione dei primi nuclei.

Stato precedente

Nello stato precedente, vi è una successione irrisolvibile di causalità dovute all'eternità. Il significato di questo è che la causa ultima dell'esistenza dell'energia e della materia è impossibile da determinare scientificamente.

Big Bang

Cronologia dell'evoluzione dell'universo

Scala in miliardi di anni

• 13,7 miliardi di anni fa: ha luogo il Big Bang che segna la nascita dell'Universo, o meglio, l'inizio della sua espansione tramite la nascita dello spaziotempo.

Era di Planck

Nessuna delle attuali teorie fisiche può descrivere correttamente cosa sia accaduto nell'era di Planck, che prende il nome dal fisico tedesco Max Planck. In questa era le quattro forze fondamentali – elettromagnetica, nucleare debole, nucleare forte e gravità – hanno la stessa intensità, e sono forse unificate in una sola forza fondamentale.

Era di grande unificazione

Diametro dell'Universo: ?

Temperatura: 10³⁰ K

Tempo dopo il Big Bang: 1 decimiliardesimo di miliardesimo di yoctosecondo (10^-43 secondi)

Chiamata anche Era di Gut. Le forze fondamentali, eccetto la gravità, erano unite in una sola "superforza" costituita dalla forza elettromagnetica e dalle forze nucleari debole e forte. Secondo le conoscenze attuali è precisamente a questo momento che si può far risalire la nascita dello spazio-tempo così come lo conosciamo.

Era dell'inflazione

Diametro dell'Universo: 10⁻²⁶ metri

Temperatura: 10²⁷ K, pari ad un miliardo di miliardi di miliardi di °C

Tempo dopo il Big Bang: 1 centimiliardesimo di yoctosecondo (10⁻³⁵ secondi)

Nell'era dell'inflazione, le oscillazioni dell'inflatone diedero origine ad una rapida ma drastica espansione dell'Universo. L'energia sotto forma di radiazione liberata da questo particolare campo di Higgs diede origine a coppie particella-antiparticella.

Era elettrodebole

Diametro dell'Universo: da 10 metri a 10¹² metri (un miliardo di chilometri): l'Universo è diventato enormemente più grande a causa dell'inflazione

Temperatura: da 10²⁷ K a 10¹⁵ K, pari ad un milione di miliardi di gradi Celsius

Tempo dopo il Big Bang: da un centimilionesimo di yoctosecondo (10⁻³² secondi) a 1 nanosecondo, ossia 10⁻⁹ secondi (un miliardesimo di secondo)

In quest'era, il campo di Higgs forte aveva già separato l'interazione forte da quella elettrodebole, determinando la formazione di gluoni e di coppie quark-antiquark dalla radiazione liberatasi in seguito all'inflazione. Si ipotizza che i bosoni X e Y (se mai sono esistiti) siano comparsi in questa era. L'era elettrodebole durò circa 10⁻²⁷ secondi. La sua fine fu caratterizzata dalla separazione della forza elettrodebole in interazione debole ed elettromagnetica, fenomeno determinato dalle oscillazioni del campo di Higgs elettrodebole.

Era degli adroni

Diametro dell'Universo: 100 miliardi di chilometri

Temperatura: 10¹³ K (pari a 10 000 miliardi di gradi Celsius)

Tempo dopo il Big Bang: 1 microsecondo (10⁻⁶ secondi, un milionesimo di secondo)

Durante l'era degli adroni, l'energia termica divenne sufficientemente bassa da consentire l'interazione fra quark mediante la forza forte. I quark e gli antiquark si legarono così a formare i primi adroni.

Era dei leptoni

Diametro dell'universo: ?

Temperatura: 10¹² K

Tempo dopo il Big Bang: 10⁻⁴ secondi dal Big-Bang

Arrivati a questo punto della storia dell'universo la temperatura è di circa 1 trilione di gradi.

• 1 secondo dopo il Big-Bang: la temperatura è di 10 miliardi di gradi Celsius.
• 100 secondi dopo il Big-Bang: la temperatura è di 1 miliardo di gradi.

Era della nucleosintesi

Diametro dell'Universo: più di 1000 miliardi di chilometri

Temperatura: 10¹⁰ K

Tempo dopo il Big Bang: 100 secondi

In quest'era, la maggior parte dei neutroni decaddero in protoni. L'energia si abbassò tanto da permettere ai nucleoni di legarsi attraverso pioni formando così i primi nuclei di elio-4 e di deuterio.

Era dell'opacità

Diametro dell'Universo: fra 10 e 10 000 anni luce

Temperatura: 10⁸ K

Tempo dopo il Big Bang: 200 secondi.

In quest'era, l'energia calò abbastanza da permettere la manifestazione dell'interazione elettromagnetica. Le particelle cariche interagivano fra loro e con i fotoni rimasti dall'inflazione e dall'annichilazione delle coppie particella-antiparticella. In quest'era si ebbe la formazione dei primi atomi, soprattutto di idrogeno, elio, litio ed isotopi dell'idrogeno. Alla fine dell'era dell'opacità, la temperatura calò abbastanza da ridurre la produzione di coppie quark-antiquark o leptone-antileptone di generazioni massicce (vedi Modello standard).

Dopo il Big Bang

Era della materia (Universo attuale)

Diametro dell'Universo: 100 milioni di anni luce

Temperatura: 3000 kelvin

Tempo dopo il Big Bang: 300 000 anni

Nell'era della materia, i fotoni rimasti dall'era dell'inflazione si diffusero in tutto l'Universo, formando la radiazione cosmica di fondo presente anche nell'Universo attuale. L'intera materia era per lo più costituita da atomi e da leptoni di prima generazione. Tutte le particelle massive che, con le alte temperature, continuamente si formavano a coppie particella-antiparticella dalla radiazione erano già decadute in particelle leggere di prima generazione, quali elettroni e neutrini e, fra gli adroni, neutroni e protoni. L'era della materia perdura ancora da circa 13,7 miliardi di anni.

• 1 milione di anni dopo il Big-Bang: la temperatura è di 300 000-400 000 °C. Si forma il primo atomo, l'atomo di idrogeno costituito da 1 protone e 1 elettrone.

La formazione delle prime stelle

La galassia M101, uno dei più begli esempi di galassia a spirale.

Le irregolarità nella distribuzione della materia da parte dell'inflatone furono causate da fluttuazioni quantistiche in questo particolare campo di Higgs. Verso l'inizio dell'era della materia, le irregolarità si manifestavano soprattutto in zone di materia più condensate rispetto ad altre. La forza gravitazionale agì su queste irregolarità formando agglomerati di materia sempre maggiori: ciò portò alla formazione delle prime stelle, 200 milioni di anni dopo il Big Bang, e delle prime galassie attive (per lo più quasar). Gli astrofisici ipotizzano che le prime stelle formatesi nell'Universo fossero ben più massicce di quelle attuali. I processi di fusione nucleare innescatesi nel nucleo di queste stelle portò alla formazione di elementi pesanti come l'ossigeno, il carbonio, il neon, il ferro e l'azoto, che si diffusero nello spazio interstellare in seguito alle esplosioni delle stelle in supernovae, con la conseguente formazione di buchi neri.

• 13,2 miliardi di anni fa (500 milioni di anni dopo il Big-Bang) nasce HE 1523-0901, la stella più vecchia a noi nota. Con la loro esplosione, le stelle massicce formatesi 13,5 miliardi di anni fa, dette "megastelle" diedero origine ad una radiazione elettromagnetica particolarmente intensa, responsabile, probabilmente, della ionizzazione degli atomi di idrogeno che si riscontra fra gli ammassi di galassie nell'Universo attuale.
• 12,7 miliardi di anni fa : forse, ma è una delle informazioni più discusse della cosmologia, si producono le condensazioni delle galassie (protogalassie) e inizia la formazione delle stelle.
• 10 miliardi di anni fa: formazione della nostra galassia, la Via Lattea.

L'accelerazione dell'energia oscura

Circa 7 miliardi di anni dopo il Big Bang, l'Universo, che stava rallentando la sua espansione a causa della forza gravitazionale (come mostrato nella Figura 4), subì un'accelerazione nella sua espansione, tuttora rilevabile nell'Universo attuale. Questa accelerazione potrebbe essere stata causata dall'energia oscura, la forza lambda anti-gravitazionale. Questa porterà probabilmente l'Universo a terminare in un Big Rip o Big Freeze, a meno che la materia oscura e la sua forza di gravità non abbiano la meglio o che l'energia oscura non sia la spiegazione esatta dell'apparente accelerazione.

• 5 miliardi di anni fa: nasce il sistema solare e quindi anche la stella che noi chiamiamo Sole.
• 4,5 miliardi di anni fa: formazione del pianeta Terra.
• 4-3,5 miliardi di anni fa: sulla Terra compaiono le prime forme di vita.

Euclid è una missione dell'Agenzia spaziale europea, il cui lancio è previsto per il 2023, che si propone di raccogliere informazioni sull'origine e l'evoluzione dell'universo mediante una rilevazione quinquennale e la contestuale analisi della distribuzione delle galassie e dei rispettivi red shift.

Fine dell'universo

Le teorie basate sul Big Bang possono essere divise in tre gruppi principali:

• quelle per cui, nonostante le osservazioni, l'universo è eterno come prima si pensava: la teoria dello stato stazionario e l'Universo oscillante (e la sua variante più moderna, il Big Bounce)
• quelle per cui l'Universo ha avuto un inizio, ma non avrà una fine vera e propria: la Morte termica dell'universo e il Big Rip (Grande Strappo)
• quelle per cui l'Universo ha avuto un inizio, ed avrà una fine ben definita: il Big Crunch.

Bibliografia

• "Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo" (1988) di Stephen Hawking
• "Breve storia della scienza" di Eirik Newth.
• "Prima dell'Inizio", (1998) di Martin Rees
• "Enciclopedia della scienza (vol 1)" Federico Motta Editore (2005)

Voci correlate

Voci di argomento generale

• Universo
• Astrofisica
• Cosmologia (astronomia)
• Calendario cosmico

L'evoluzione dell'universo

• Formazione ed evoluzione delle galassie
• Evoluzione stellare

Concezioni mitico-religiose e filosofiche sulle origini e sulla fine dell'universo

• Cosmogonia
• Cosmologia (filosofia)
• Genesi
• Escatologia
• Apocalisse