La cosmologia è la scienza che studia l'origine e l'evoluzione
dell'Universo.
Nella storia del pensiero scientifico occidentale, essa ha avuto un
ruolo molto importante e in qualche modo legato alla filosofia e alla religione.
Fino a pochi secoli fa, l'universo conosciuto era descritto dal Sistema
Tolemaico, secondo il quale il cosmo era perfetto ed immutabile ed
aveva il suo centro nella Terra.
Con Copernico, Galileo e Keplero terminò la concezione geocentrica
dell'universo e si passò ad una concezione
eliocentrica. Non si trattò solo di un semplice cambiamento
di prospettiva, ma dell'avvio di una vera e propria rivoluzione nella scienza,
perchè da allora in avanti il dogma lasciò il posto alla
sperimentazione.
Oggi sappiamo che la Terra non è al centro dell'Universo, ma
fa parte di un sistema planetario; questo a sua volta è parte della
Via Lattea, la quale non è altro che una delle moltissime galassie
presenti nell'Universo.
Tuttavia, fino a pochi decenni fa si credeva che la nostra Galassia
costituisse l'intero cosmo e che tutte le stelle e le nebulose
visibili ne facessero parte.
Soltanto negli anni '20, l'astronomo Edwin Hubble scoprì che
alcune di quelle stelle e nebulose sono esterne alla Via Lattea e sono
in realtà galassie molto distanti
L'espansione dell'Universo e il Big Bang
Nel 1929, Hubble scoprì anche che tutte le galassie sembrano
allontanarsi da noi, infatti la radiazione che esse emettono è spostata
verso il lato rosso dello spettro, cioè presentano il fenomeno del
redshift: nello spettro della luce visibile, il colore è funzione
della lunghezza d'onda. Intorno ai 4.000 Angstrom
la luce ha un colore violetto, che al crescere della lunghezza d'onda passa
al verde, al giallo e poi al rosso, intorno ai 7.000 Angstrom. Quando una
sorgente si avvicina o si allontana da un osservatore, la luce che essa
emette si comporta come le onde acustiche. É noto che quando un
treno si avvicina il suo fischio diventa più acuto, perchè
le onde arrivano ad intervalli sempre più brevi man mano che la
sorgente si avvicina; viceversa il tono diventa più grave quando
il treno si allontana. Questo è il cosiddetto "effetto Doppler".
Allo stesso modo, quando una sorgente di luce si avvicina, è come
se il numero di oscillazioni per unità di tempo dell'onda elettromagnetica
aumentasse, così la lunghezza d'onda decresce e si dice che la luce
si sposta verso il blu ("blueshift").
Se invece la sorgente si allontana dall'osservatore, la lunghezza d'onda
sembra aumentare e si ha lo spostamento della luce verso il rosso (in inglese
"redshift"). Lo spostamento è direttamente proporzionale alla velocità
della sorgente luminosa.
Il redshift si calcola per mezzo di alcune righe
spettrali facilmente identificabili, misurando la differenza tra la
loro lunghezza d'onda e quella avrebbero se venissero emesse da una sorgente
in quiete, essendo quest'ultima conosciuta.
Misurando la velocità delle galassie tramite il loro redshift, e la loro distanza, Hubble stabilì che esse si allontanano da noi ad una velocità tanto maggiore quanto più grande è la loro distanza, secondo quella che è ora conosciuta come "legge di Hubble":
V=Ho d
dove V è la velocità di allontanamento della galassia, d la sua distanza e Ho è la costante di Hubble. L'Universo, dunque, è soggetto ad un moto di espansione.
Questo fatto dà l'impressione che la Terra sia il centro di un
moto generale di recessione, mentre in realtà esso non ha un centro.
Pensiamo ai punti disegnati su un palloncino che viene gonfiato; essi si
allontanano l'uno dall'altro con velocità proporzionale alla loro
distanza: ogni punto può essere considerato come il centro dell'espansione.
Allo stesso modo, noi non siamo al centro dell'espansione dell'Universo,
ma in un suo punto qualsiasi: un altro osservatore, posto in un punto qualsiasi
su un'altra galassia, vedrebbe esattamente le stesse cose che vediamo noi.
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Il cielo profondo esplorato dal Telescopio Spaziale Hubble. Vi si distinguono centinaia di galassie giovani di vari tipi. (HST) |
La constatazione che l'Universo si espande ha posto un problema nuovo:
quello della sua nascita. Il fatto che le galassie si stiano allontanando
l'una dall'altra implica che, se ritornassero indietro con la stessa velocità,
dopo qualche miliardo di anni si rincontrrebbero, e tutta la materia che
compone l'Universo formerebbe un agglomerato densissimo e molto caldo.
Questa considerazione ha condotto alla teoria evolutiva del "Big Bang",
cioè di un'enorme esplosione iniziale che diede origine all'Universo
e che ne causò l'espansione che ancora oggi osserviamo. Secondo
questa teoria, l'Universo primordiale sarebbe stato composto di materia
densissima e caldissima, concentrata in uno spazio infinitesimo. Il suo
stato fisico era così estremo che è difficile perfino da
immaginare; solo la fisica teorica è in grado di descriverlo. Esso
sarebbe poi esploso e si sarebbe espanso, diventando sempre meno caldo
e meno denso, fino ad assumere gradatamente l'aspetto con il quale oggi
lo conosciamo.
Dalla legge di Hubble si deduce che l'Universo è nato 15-20
miliardi di anni fa. Il valore della costante di Hubble attualmente accettato
è compreso tra i 50 e i 100 Km/sec per Megaparsec;
ovvero, le galassie si muovono con velocità che crescono di 50-100
Km/sec per ogni Megaparsec di distanza da noi.
Il primo a proporre lo scenario di un'esplosione iniziale fu l'abate
G. Lemaitre nel 1927, ma solo negli anni '40 il fisico G.Gamow lo affrontò
in modo più quantitativo. Egli ipotizzò che i nuclei atomici
più leggeri (idrogeno, elio, deuterio
e litio) si siano formati nei primi istanti di vita del cosmo. Successivamente
è stato verificato che le quantità di tali elementi presenti
nell'Universo corrispondono con quelle previste dalla teoria, confermandone
la validità.
Un'altra conferma è giunta nel 1965 con la scoperta casuale
di una debole radiazione che permea tutto l 'Universo, proveniente da tutte
le direzioni. Essa ha un massimo di intensità alla lunghezza d'onda
di 2.6 cm e viene detta radiazione
di fondo cosmica. Si pensa che sia il residuo della radiazione intensissima
ed altamente energetica che si è prodotta poco dopo il Big Bang.
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Un ammasso di galassie lontano 9 miliardi di anni luce. L'immagine copre una distanza di due milioni di anni luce. (HST) |
Storia dell'Universo dal Big Bang alla formazione
delle galassie
La teoria del Big Bang consente di spiegare un gran numero di osservazioni
e perciò viene considerata un'ipotesi di lavoro attendibile; anche
se presenta ancora qualche problema ed è stata più volte
messa in discussione, attualmente non vi sono valide teorie alternative.
Ma che cosa è successo nelle prime fasi della vita dell'Universo?
L'Universo secondo i fisici non cominciò all'istante zero, bensì
ad un istante detto "tempo di Planck", 10-43 secondi dopo il
Big Bang. Prima di questo istante, esso è completamente inaccessibile,
perchè tutta la materia e l'energia che lo componevano erano così
concentrate da costituire una "singolarità": uno stato estremo,
nel quale lo spaziotempo della Relatività non ha nemmeno senso,
e che non fa parte della fisica che conosciamo.
Al tempo di Planck, l'Universo era caldissimo (T=1032 gradi)
e aveva una dimensione di 10-33 cm.
Successivamente si formarono le prime particelle, i quark,
dai quali nacquero poi neutroni e protoni, con le relative antiparticelle.
Materia e antimateria infatti sono sempre state presenti entrambe nell'Universo.
Dopo 10-23 secondi, l'Universo era ancora piccolissimo,
delle dimensioni di un protone. Da questo momento fino a 10-6 secondi
dopo il Big Bang, protoni e antiprotoni
si annichilarono, cioè si fusero trasformando le intere loro masse
(m) in energia elettromagnetica (E), secondo l'equazione di Einstein E=mc2.
In seguito comparvero elettroni ed antielettroni, che si annichilarono
anch'essi.
Queste annichilazioni produssero enormi quantità di energia,
sotto forma di radiazione elettromagnetica. L'Universo era dominato dalla
radiazione e perciò questo periodo prende il nome di "era radiativa".
Ad 1 minuto di età si formarono i primi nuclei atomici (deuterio,
elio e litio): la temperatura dell'Universo era scesa sotto i 10 miliardi
di gradi, così i protoni e i neutroni rimasti cominciarono ad urtarsi
con violenza minore e a dar luogo alle prime reazioni di fusione
nucleare.
Dopo qualche migliaio di anni, l'Universo non era più dominato
dalla radiazione, ma dalla materia; questa era però ancora immersa
in una radiazione molto intensa ed energetica. La tempeartura era ancora
molto alta a quindi materia ed energia erano accoppiate, cioè si
trasformavano continuamente l'una nell'altra.
Si dovette attendere fino a 300mila anni dopo il Big Bang perchè
la temperatura scendesse ancora ed esse si disaccoppiassero: da quel momento
l'Universo diventò trasparente alla radiazione.
Nel frattempo, gli elettroni si unirono ai nuclei per formare gli atomi.
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Galassie giovani. Nel primo riquadro, una piccola regione nella costellazione dello Scultore. Nel secondo, un'immagine di uno dei più distantei ammassi di galassie rivelato dal Telescopio Spaziale Hubble (dista 12 miliardi di anni luce e contiene almeno 14 galassie). Nel terzo riquadro, una delle galassie più distanti osservabili, dista da noi 12 miliardi di anni luce ed ha un redshift di 3.33 (HST). |
Dopo qualche centinaio di milioni di anni, la temperatura era scesa
sotto i 4000 gradi; gli elettroni si combinarono con i nuclei: la materia
divenne in gran parte elettricamente neutra e la sua interazione con la
radiazione diventò molto meno frequente. La materia potè
quindi cominciare ad aggregarsi ed in seguito si formarono le prime protogalassie:
gigantesche nubi di gas freddissimo (-220 oC) che dettero origine
alle galassie, per collasso gravitazionale, nel miliardo di anni successivo.
Dopo circa 2-3 miliardi di anni dal Big Bang, le galassie cominciarono
a riunirsi in ammassi e a 4 miliardi di anni si formarono le prime stelle.
L'Universo nel frattempo si era espanso e raffreddato, la radiazione
era diventata molto meno energetica, cioè si era spostata a lunghezze
d'onda maggiori: il tutto aveva cominciato ad assumere l'aspetto con il
quale oggi lo conosciamo.
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Questa sequenza di immagini di galassie distanti offre una panoramica della possibile evoluzione delle galassie ellittiche e spirali (HST). |
L'orizzonte cosmologico e il modello inflazionario
Dato che la velocità della luce è finita, anche se molto
grande, quella che ci arriva oggi da galassie molto distanti è partita
milioni o miliardi di anni fa, quindi ci fornisce un'immagine di come queste
erano milioni o miliardi di anni prima, durante le prime fasi della loro
vita. Più distante è un oggetto nello spazio, più
"giovane" lo vediamo.
La galassia più vicina alla nostra, quella di Andromeda, dista
da noi "soltanto" due milioni di anni luce, ma con gli attuali strumenti
è possibile osservare galassie e quasar distanti anche 13 miliardi
di anni luce, cioè molto giovani.
Come abbiamo visto, più una galassia è distante e più
velocemente si allontana da noi. Dato che la velocità di allontanamento
di una galassia viene misurata tramite il redshift
(spostamento verso il rosso) del suo spettro, le galassie lontanissime
vengono dette "galassie ad alto redshift".
La loro osservazione è di estremo interesse per i cosmologi,
dato che può fornire informazioni sul'Universo nei primi miliardi
di anni dopo il Big Bang. Per questo motivo sono stati costruiti strumenti
astronomici come il Telescopio Spaziale Hubble e i nuovi telescopi giganti
a terra. Questi ultimi hanno diametri di 8-10 metri e sono dotati di particolari
ottiche per correggere le deformazioni delle immagini dovute al disturbo
atmosferico. Questi strumenti saranno in grado di compiere osservazioni
sempre più profonde dello spazio, cioè sempre più
indietro nel tempo.
Non tutto l'Universo, comunque, è accessibile alle nostre osservazioni,
indipendentemente dalla potenza degli strumenti astronomici: se osserviamo
per esempio una galassia distante 10 miliardi di anni luce, possiamo osservarla
soltanto com'era 10 miliardi di anni fa, ma non com'era, poniamo, 8 miliardi
di anni fa: la luce che essa ha emesso in quel momento ci arriverà
solo tra 2 miliardi di anni. Ovvero, in ogni istante ci sono settori dello
spazio e del tempo (o meglio, dello spaziotempo) che sono a noi inaccessibili,
così come parte del nostro passato è inaccessibile a galassie
lontane. Questo definisce il cosiddetto "orizzonte cosmologico", cioè
quel settore dello spaziotempo accessibile a noi. Di tutto quello che sta
al di fuori dell'orizzonte non possiamo avere informazioni.
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Questi oggetti, distanti 11 miliardi di anni luce da noi, potrebbero essere i "germogli" di attuali galassie. Ognuno di essi è un agglomerato di alcuni miliardi di stelle. Si pensa che le galassie si siano formate dalla collisione e dalla coalescenza di alcuni oggetti di questo tipo (HST). |
L'orizzonte cosmologico ha costituito un problema per la teoria del
Big Bang.
Se due oggetti nello spazio sono in grado di comunicare tra loro per
mezzo di un "segnale" (meccanico o luminoso), si dice che sono in contatto
causale, nel senso che l'uno può provocare nell'altro un effetto,
in conseguenza del segnale che gli invia (per esempio una perturbazione
meccanica, o un irraggiamento luminoso).
I segnali viaggiano nello spazio ad una velocità finita, quindi
gli effetti di un segnale emesso da un oggetto sull'altro, si faranno sentire
solo dopo un certo tempo, tanto maggiore tanto più distanti essi
sono. La regione dello spaziotempo entro la quale un corpo può avere
con altri una relazione causa-effetto, si dice "orizzonte causale".
Dove sta il problema ? Anche se vi sono addensamenti di galassie ed
ammassi e regioni relativamente "vuote", l'Universo appare nel complesso
omogeneo e isotropo (cioè ha le stesse proprietà nei vari
punti dello spazio e nelle varie direzioni). Anche regioni dell'Universo
tra loro molto lontane, ciascuna al di fuori dell'orizzonte causale dell'altra,
sembrano avere proprietà simili. Nemmeno la luce, il segnale che
viaggia più veloce, avrebbe potuto metterle in contatto causa-effetto.
Come hanno fatto allora a comunicarsi le informazioni che hanno permesso
loro di "accordarsi" su proprietà simili ?
Nei primi anni '80, Alan Guth propose una modifica al modello classico
del Big Bang, il cosiddetto "modello inflazionario". Esso prevede che nei
primi istanti di vita dopo il Big Bang, precisamente dopo 10-35
secondi, l'Universo abbia subito una rapidissima espansione, detta "inflazione",
che nel giro di 10-32 secondi ha aumentato le sue dimensioni
di un fattore 1050. Dopo questa fase, l'evoluzione sarebbe proseguita
secondo la teoria classica del Big Bang.
Prima della fase inflattiva l'Universo era così piccolo che
le galassie che adesso sono al di fuori dei rispettivi orizzonti causali
potevano trovarsi in contatto causa-effetto. Viene così risolto
il problema dell'orizzonte, così come altri problemi della teoria
classica del Big Bang.
Qual è stata la causa del fenomeno inflazionario? Secondo Guth,
essa va ricercata nell'ambito delle teorie recenti della fisica, che cercano
di unificare le quattro interazioni
fondamentali: la forza gravitazionale, quella elettromagnetica, quella
debole e quella nucleare forte. Queste quattro forze sarebbero manifestazioni
diverse di un'unica interazione.
Alle altissime temperature e densità dei primi istanti di vita
dell'Universo, esse erano la stessa cosa; si sarebbero poi diversificate
nel tempo, via via che l'Universo si raffreddava e si espandeva. Fu proprio
durante questo processo di diversificazione che avvenne l'inflazione.
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