La teoria del Big Bang: la più seguita dagli astrofisici di Sefora Biglino

L'universo attuale, secondo la corrente cosmologica più accreditata, è il risultato di un Big Bang, ovvero di un'esplosione imponente originatasi in un solo punto. Le condizioni precedenti all'apparizione dell'energia e della materia sono sconosciute, per cui l'unica cosa che possiamo fare oggi è tentare di descrivere quello che successe a partire dal primissimo istante successivo al principio, cioè a circa 10 secondi da esso (0,0000000000000000000000000000000000000000001 secondi dopo).

UN GRANELLO DI POLVERE

A 10 secondi dal principio, l'universo aveva le dimensioni di un granello di polvere: tutta la materia era concentrata in un unico punto e la temperatura era di 10 °K. La scienza non è in grado di studiare quanto è accaduto prima di questo istante: la temperatura e la densità della materia erano infatti superiori a quelle descrivibili in base alle leggi di natura come le conosciamo noi oggi. Secondo i fisici il momento vero e proprio del principio contempla un istante in cui un punto infinitamente piccolo dello spazio conteneva materia compressa ad una densità infinitamente alta (questa condizione di infinità è chiamata singolarità). Nei primissimi istanti la materia non era dunque come la conosciamo noi oggi: l'alta pressione e la temperatura presenti nel nucleo centrale avevano ridotto tutta la materia a pura energia. Nel nucleo iniziale si sarebbe quindi verificata una esplosione o "inflazione" che avrebbe spinto violentemente in tutte le direzioni l'energia-materia. La causa di questa inflazione non è ancora chiara, alcuni scienziati ipotizzano che si sia scatenata una repulsione reciproca fra tutto ciò che era presente, qualcosa di simile all'antigravità. In coincidenza con l'espansione diminuirono pressione e temperatura, consentendo così il condensamento dell'energia in particelle minuscole, i quark e gli elettroni. A mano a mano che l'espansione progrediva, pressione e temperatura si abbassavano e l'energia poteva continuare la sua trasformazione in forme più concrete di materia.

Le prove? L'effetto Doppler e la legge di Hubble

Secondo l'effetto Doppler, la luce emessa da un corpo che si avvicina a noi si sposta verso l'estremità blu dello spettro cromatico, mentre quella emessa da un corpo che si allontana cambia verso il rosso, cioè verso frequenze più basse e lunghezze d'onda maggiori. E questo spostamento è proporzionale alla velocità del corpo in rapporto all'osservatore. Basandosi su questo effetto, all'inizio del Novecento l'astronomo americano Edwin Hubble passò tre decenni a misurare le distanze delle galassie e lo spostamento nello spettro della luce emessa dalle loro stelle: ne è risultato che nella maggior parte dei casi lo spostamento avviene verso il rosso, ciò significa che le galassie si allontanano da noi.

Hubble scoprì inoltre che lo spostamento verso il rosso era approssimativamente proporzionale alla distanza della galassia, da cui la conseguenza che le galassie si allontanano da noi a velocità proporzionali alla loro distanza. Si è poi scoperto che quasi tutte le galassie si allontanano da un centro comune, seguendo velocità che variano in proporzione alla distanza da esso: più una galassia è lontana, più si sposta velocemente. Questo è logico se si suppone che tutta la materia ha avuto origine nello stesso istante dallo stesso punto: la materia che ha avuto la spinta iniziale maggiore viaggia ancora a velocità più alta, quindi si è allontanata di più dal centro; quella che all'inizio ha ricevuto una velocità minore si è invece spostata più lentamente, quindi si è allontanata di meno dal centro. Ed ecco dunque un'altra prova a favore della teoria del Big Bang.

La radiazione fossile, una traccia misurabile

Mentre l'universo continuava la sua espansione, la radiazione residua del Big Bang si raffreddava, fino a raggiungere la temperatura attuale di 3 K (-270 °C). Questa radiazione di fondo, teorizzata già da Gamow e da Hans Bethe, venne scoperta per caso nel 1964 da due ricercatori americani, Arno Penzias e Robert Wilson, mentre stavano compiendo esperimenti ai laboratori telefonici Bell per la realizzazione di antenne per comunicazioni satellitari: captarono infatti delle strane microonde provenienti da ogni parte dell'universo. In seguito all'intervento del fisico Robert Dicke capirono che si trattava della "radiazione di fondo", chiamata anche "radiazione fossile", prevista dalla teoria del Big Bang. Dal 1989 questa radiazione viene osservata dal satellite Cosmic Background Explorer che ne ha messo in evidenza alcune disomogeneità, una sorta di increspatura da cui ha avuto origine la distribuzione delle galassie. Esiste dunque una radiazione isotropica di fondo, ossia una radiazione di fondo costante e uguale in tutte le direzioni dell'universo: a mano a mano che la materia supercompressa dell'universo primitivo si espandeva, la temperatura diminuiva. L'inimmaginabile temperatura inizale pari a 10 °K, scese fino a 3,5 °K e questa radiazione di 3,5 °K è l'ultima eredità misurabile che ci rimane dell'inizio dell'universo.

Ha sessant'anni la teoria dell'universo stazionario

Formulata negli anni Quaranta da H. Bondi e T. Gold, la teoria dell'universo stazionario prevede che lo spazio sia sempre esistito e che continuerà ad esistere in uno stato simile a quello attuale. Man mano che le galassie si allontanano e le stelle consumano il loro combustibile nucleare, raffreddandosi e morendo, dal nulla si creerebbe del nuovo idrogeno che andrebbe a riempire gli spazi rimasti vuoti. Da questa nuova produzione di gas deriverebbe la sostanza da cui si formeranno le nuove stelle. La teoria non accenna però alla sorgente o alla forza che crea l'idrogeno; si tratta dunque di una mera ipotesi, perché non è mai stata osservata la creazione.

La teoria dell'universo oscillante non convince

La teoria dell'universo oscillante prevede che lo spazio si trovi in un perpetuo stato di moto ciclico: espansione, graduale rallentamento dell'espansione, contrazione, implosione ed esplosione. Esaminiamo le problematiche collegate a questa teoria: se l'universo si trovasse in perpetua oscillazione, perché si possa verificare la contrazione dovrebbe esistere una quantità di materia tale da consentire che la forza gravitazionale superi l'inerzia dell'espansione.
Se questa non esistesse, o non fosse sufficiente, l'universo continuerebbe infatti ad espandersi all'infinito. Attualmente le galassie si stanno ancora allontanando le une dalle altre, in seguito alla spinta del Big Bang, ma l'attrazione gravitazionale insita nella massa e nell'energia dell'universo sta rallentando questa fuga verso l'esterno: se la massa è sufficiente, l'espansione rallenterà gradualmente, fino a fermarsi e a invertirsi, tornando verso l'interno. La quantità di massa necessaria a causare questa contrazione, cioè la densità media di materia cosmica, è chiamata densità critica. Secondo le stime attuali però, in tutto l'universo esiste soltanto il 12 o il 20 per cento della materia necessaria a causare la contrazione dell'universo: non esiste dunque massa sufficiente per produrre la forza gravitazionale necessaria a fermare la fuga verso l'esterno e a causare la contrazione prevista dalla teoria dell'universo oscillante.

Sefora Biglino