L'universo

Il moto delle galassie

L'universo non ha un centro e un periferia, e il suo aspetto sembra più o meno uguale dappertutto, in qualunque direzione si osservi.
Tuttavia, esso cambia nel corso del tempo: gli astronomi si sono accorti infatti che la posizione delle galassie non è statica, ma che esse si stanno allontanando da noi, tanto più velocemente quanto più sono distanti. Per esempio, una galassia che si trova a 100 milioni di anni luce da noi, si allontana a ben 6 milioni di chilometri l'ora !

Come se ne sono accorti ? Semplicemente osservando la radiazione che le galassie emettono. Ti sarà capitato di osservare un fenomeno che accade con le onde acustiche. Se ti trovi per esempio in una stazione ferroviaria e un treno in transito sta emettendo un fischio, mentre il treno si avvicina il fischio diventa sempre più acuto, mentre quando si allontana, diventa via via più basso.
Questo fenomeno prende il nome di effetto Doppler e puoi trovare la sua spiegazione in questa immagine.

L'effetto Doppler. Le onde che vengono emesse nei punti P₁, P₂, ecc... si "schiacciano" nella direzione del moto, indicata dalla freccia.(NCSA)

Il treno emette onde acustiche concentriche, però man mano che si sposta, si sposta anche il punto di emissione dell'onda. Questo fa sì che le onde emesse si avvicinino una all'altra nella direzione del moto, mentre si allontanano nella direzione opposta. La distanza tra un'onda e la successiva non è altro che la lunghezza d'onda: quando la sorgente si avvicina si sente un suono più acuto, cioè a minor lunghezza d'onda (lato sinistro della figura), e viceversa (lato destro).

La stessa cosa avviene con la radiazione elettromagnetica: se una sorgente luminosa si sposta rispetto ad un osservatore, lo spettro della sua radiazione cambia.
Nello spettro di una galassia, come in quello di una stella, esistono righe spettrali in emissione o in assorbimento. Una riga in emissione consiste nell'emissione di una gran quantità di energia ad una determinata lunghezza d'onda. Una riga in assorbimento viene prodotta quando il gas della galassia assorbe l'energia di quella particolare lunghezza d'onda, sottraendola allo spettro.

Lo spettro di una galassia, cioè la quantità di energia emessa ad ogni lunghezza d'onda. (The Electronic Universe Project)

Le righe vengono prodotte dai vari elementi chimici presenti nel gas delle stelle e della galassia: ci sono le righe dell'idrogeno, dell'elio, dell'ossigeno, dell'azoto.... Ogni riga ha un suo posto ben preciso, cioè una determinata lunghezza d'onda, nello spettro di una galassia. Gli astronomi hanno scoperto che le righe spettrali di molte galassie non sono dove dovrebbero, ma sono spostate verso lunghezze d'onda maggiori (cioè verso il lato "rosso" dello spettro se si tratta della banda ottica).

Il redshift dello spettro.

Questo fenomeno prende il nome di spostamento verso il rosso dello spettro (redshift in inglese) e gli astronomi lo hanno attribuito ad un moto di allontanamento delle galassie.
Lo spettro è spostato verso il rosso tanto più quanto più distante è la galassia, tanto che gli astronomi hanno incominciato ad usare il redshift come misura della distanza di una galassia: maggiore è il redshift, maggiore la distanza.

Il Big Bang

Viste le premesse, ti puo' sembrare che la Via Lattea sia il punto centrale di questa espansione, quello dal quale tutte le galassie si stanno allontanando. Forse penserai che ci troviamo al centro dell'universo...
Per quanto strano possa sembrare, invece, l'espansione non ha un centro ! Per convincerti di questo, prendi un palloncino, gonfialo per metà e con un pennarello disegna sulla sua superficie tanti puntini, circa alla stessa distanza l'uno dall'altro. Ora gonfialo del tutto: di quanto si sono spostati i puntini l'uno rispetto all'altro ?
Per esempio, nella figura, il punto F si è allontanato da A molto più del punto B nel medesimo intervallo di tempo, cioè con maggior velocità.

Se tu fossi uno di quei puntini, ti sembrerebbe che gli altri si stiano allontanando da te, con velocità tanto maggiore quanto più sono distanti. Ogni "puntino" osserverebbe la stessa cosa che osservi tu, eppure nessuno di essi è si trova al centro del palloncino ! Lo stesso vale per le galassie: ad un ipotetico abitante di un'altra galassia qualunque, sembrerebbe che tutte le galassie si stiano allontanando dalla sua....

Da cosa deriva il moto di espansione delle galassie? Gli astronomi ritengono che esse si stiano allontanando in seguito ad una gigantesca esplosione avvenuta 15-20 miliardi di anni fa: il Big Bang. L'esplosione ha prodotto un'enorme quantità di radiazione, che durante l'espansione si è spostata a lunghezze d'onda sempre maggiori. Questa radiazione è ancora presente: è stata osservata a lunghezze d'onda comprese tra 20 cm e 0.5 mm, ed ha un massimo di intensità a circa 1.9 millimetri. Essa prende il nome di radiazione di fondo cosmica, perché occupa tutto lo spazio, in ogni direzione, come lo sfondo di un gigantesco affresco.

Dopo l'esplosione, l'universo si è andato via via espandendo e raffreddando. Che cosa esisteva prima ? Non lo possiamo sapere con certezza, ma la teoria del Big Bang può darcene un'idea: supponi di filmare l'espansione delle galassie e di proiettare il film al contrario. Vedresti le galassie avvicinarsi e l'universo contrarsi e riscaldarsi sempre più. Ad un certo punto, tutta la materia esistente si concentrerebbe in un unico punto, formando una massa così densa, calda e massiccia, che la nostra mente non potrebbe nemmeno immaginarla.

Com'era l'universo del passato ? Secondo le teorie della fisica, subito dopo l'esplosione l'universo assomigliava ad una specie di "sfera" caldissima in rapida espansione. Esso era costituito solo di energia e di radiazione. Piano piano, una parte della radiazione si è trasformata in materia: neutroni, protoni, ecc... Dopo circa un minuto dal Big Bang, i protoni e i neutroni si sono uniti per formare nuclei di idrogeno ed elio. In quel momento, la temperatura dell'universo era 10 miliardi di gradi ! I nuclei degli altri atomi, come sappiamo, si sono formati successivamente, nelle reazioni di fusione nucleare che avvengono dentro le stelle.
Dopo 100mila anni, gli elettroni si unirono ai nuclei per formare gli atomi. A loro volta, gli atomi si sono aggregati in gigantesche nubi, che dopo un miliardo di anni hanno formato le prime galassie e le prime stelle.

Naturalmente quella del Big Bang non è altro che una teoria, ma fra tutte quelle che sono state proposte dagli scienziati, è quella più accreditata, perché può spiegare la maggior parte dei fenomeni che riguardano l'universo.
Come sarà l'universo del futuro ? La teoria del Big Bang lo può prevedere ? Prima di scoprirlo, dovrai affrontare un ultimo test .