La teoria degli universi paralleli e i viaggi nel tempo La recessione delle galassie remote
"Le alte galassie stanno generalmente allontanandosi dalla nostra a elevata velocità. Ciò non significa ovviamente che la nostra galassia occupi una posizione centrale nell’universo. Si direbbe piuttosto che l’universo stesso stia subendo gli effetti di una sorta di esplosione in cui ogni galassia sta allontanandosi da ogni altra galassia.
Se le galassie stanno allontanandosi l’una dall’altra, in passato devono essersi trovate molto più vicine. Se la loro velocità è stata costante, allora il tempo impiegato da due galassie scelte a piacere per venirsi a trovare separate della distanza attuale è esattamente uguale alla distanza attuale divisa per la loro velocità relativa".
La radiazione di fondo
E così fu il principio...
"In principio vi fu un’esplosione che si verificò simultaneamente ovunque, riempiendo fin dal principio tutto lo spazio e nella quale ogni particella di materia cominciò ad allontanarsi rapidamente da ogni altra particella. Poco importa se lo spazio fosse finito o infinito.
L'universo era pieno di luce: la luce non deve essere considerata come qualcosa di distinto dalle particelle. La luce infatti è costituita da particelle di massa zero carica elettrica zero note come fotoni."
Il Primo Fotogramma: il primo centesimo di secondo
Temperatura: 100 miliardi di gradi (1011 °K)
Stato delle particelle: miscuglio indifferenziato di materia e radiazione e ciacuna particella entra rapidissimamente in urto con le alte particelle. Equilibrio termico perfetto.
Particelle presenti: elettrone, positone, fotone, neutrino, antineutrino. Un protone ogni ogni miliardo di fotoni.
Densità: 3,8 miliardi di volte la densità dell'acqua
Reazioni in corso:
antineutrino + protone -> positone + neutrone (e viceversa)
neutrino e neutrone -> elettrone + protone (e viceversa)
Dimensione dell'universo: 4 anni-luce
Il Secondo Fotogramma: 0,11 secondi
Temperatura: 30 miliardi di gradi (3*1010 °K)
Stato delle particelle: Condizioni indifferenziate rispetto al primo fotogramma.
Particelle presenti: 38% neutroni e 62% protoni.
Il Terzo Fotogramma: 1,09 secondi
Temperatura: 10 miliardi di gradi (1010 °K)
Stato delle particelle: i neutrini escono dall'equilibrio termico
Particelle presenti: 24% neutroni e 76% protoni. La temperatura è ancora tropo alta perchè neutroni e protoni possano restare legati in nuclei atomici per spazi di tempo apprezzabili.
Il Quarto Fotogramma: 13,8 secondi
Temperatura: 3 miliardi di gradi (3*109 °K)
Stato delle particelle: Ci troviamo al di sotto della temperatura di soglia per elettroni e positoni che cominciano ad annichilirsi rapidamente
Particelle presenti: 17% neutroni e 83% protoni. La temperatura consentirebbe la formazione di vari nuclei atomici stabili, come quello dell'elio, ma ciò non avviene immediatamente. Discorso analogo può essere fatto per i nuclei di deuterio che si spezzano non appena si formano
Il Quinto Fotogramma: 3 minuti e 2 secondi
Temperatura: un miliardo di gradi (109 °K)
Stato delle particelle: Ci troviamo al di sotto della temperatura di soglia per elettroni e positoni che cominciano ad annichilirsi rapidamente
Particelle presenti: fotoni, neutrini e antineutrini. Il rapporto tra neutroni e protoni è di: 14% neutroni e 86% protoni Ogni 100 secondi il 10% dei neutroni restanti decadono in protoni. Inuclei del tritio e dell'elio 3 cominciano a mantenere una certa stabilità.
Il Sesto Fotogramma: 34 minuti e 40 secondi
Temperatura: 300 milioni di gradi (3*108 °K)
Stato delle particelle: Gli elettroni e i positoni si sono completamente annichiliti, fatta eccezione per il piccolo eccesso (uno su un miliardo) di elettroni necessario per controbilanciare la carica dei protoni.
Particelle presenti: Non esistono ancora atomi stabili ma tutte le particelle nucleari sono per la maggior parte o legate in nuclei di elio o sotto forma di protoni liberi (nuclei di deuterio).
"L'universo continuerà ad espandersi e a raffreddarsi, ma per altri 700.000 anni non accadrà molto di interessante. A quell'epoca la temperatura sarà scesa al punto in cui elettroni e nuclei possono formare atomi stabili; l'assenza di elettroni liberi renderà i materiali dell'universo trasparenti alla radiazine. Dopo 10 miliardi di anni circa, alcuni esseri viventi iunizieranno a ricostruire questa storia".
 | La forma dell'universo: sulla reale forma dell'universo sono state avanzate tre ipotesi molto diverse tra loro. La più accreditata è risultata quella dell'universo avente "forma piatta". A valorizzare questa tesi ha contribuito la prima foto del nostro universo ottenuta elaborando digitalmente le rilevazioni della radiazione di fondo. |
Il Principio Cosmologico
Secondo il Principio Cosmologico:
"L’universo appare notevolmente isotropo; presenta cioè lo stesso aspetto in tutte le direzioni. Se l’universo è isotropo intorno a ogni punto, necessariamente è anche omogeneo"
Tutte le diverse ipotesi sulla forma e sull'evoluzione dellìuniverso si basano sul suddetto principio. Weinberg, tuttavia, afferma che, se tale principio non fosse valido, tutte le teorie sarebbero errate, prospettando così un visione decisamente pessimistica della scienza.
Le tre ipotesi
Sono state formulate tre diverse ipotesi riguardo la forma dell'universo.
- Universo piatto
- Universo sferico
- Universo iperbolico
Margherita Hack, astrofisica, spiega le tre diverse ipotesi in una intervista apparsa sul "Corriere della Sera".
La materia mancante
"Abbiamo detto che ci sono due metodi per trovare la massa di un gruppo di galassie: le velocità relative e le luminosità. Se si fanno delle misure con i due metodi su un qualsiasi gruppo, si trova che la massa misurata con il metodo delle velocità è almeno 10 volte maggiore di quella misurata con il metodo della luminosità.
C’è quindi un surplus di massa non luminosa. Questa è la cosiddetta massa oscura. Sono state formulate le ipotesi più incredibili e strane per spiegare la presenza di questa massa invisibile. Citiamo solo alcune delle ipotesi:
- Nane brune (pianeti giganti al limite della massa per diventare stelle).
- Particelle esotiche (fotini, gravitini, e altre cose stranissime…).
- I neutrini, (particelle prodotte dalle reazioni nucleari delle stelle) non avrebbero massa nulla, pertanto, essendo il loro numero enorme, la loro massa complessiva sarebbe sufficiente a spiegare la materia oscura. I neutrini hanno la non simpatica caratteristica di essere rivelati con grande difficoltà. Questa però è anche una caratteristica a loro favore, infatti darebbe ragione del fatto che la materia oscura "non si vede" (e non assorbe neanche la luce proveniente dalle stelle e delle galassie).
- Stringhe cosmiche superconduttrici (cioè percorsi di particelle in uno spazio a undici dimensioni!)."
La fine di una stella
"La durata della vita delle stelle dipende soprattutto dalla loro massa. Una nana rossa di 0,01 masse solari, ad esempio, può vivere anche 100 miliardi di anni prima di finire il proprio combustibile nucleare.Il raggio della sfera è deciso da due forze che si fanno concorrenza: la forza gravitazionale che tende a comprimere la stella e l’energia nucleare prodotta al centro che tende a farla espandere. Si comprende come le dimensioni di una stella si stabilizzino al valore in cui queste due forze si equivalgono.
Ma appena una stella finisce il carburante nucleare, la forza espansiva viene a mancare e la forza gravitazionale fa "restringere" la stella fino a quando non trova un altro limite che arresta questo collasso.
Se il residuo ha una massa superiore a 1,4 masse solari anche questa forza è insufficiente ad arrestare il collasso e questo continua fino a trovare un limite nelle forze "nucleari forti". Tutte la particelle si trasformano in neutroni e la stella diventa una "stella di neutroni".
Il ruolo fondamentale della massa
"L’esistenza dei buchi neri è legata alla nozione di evoluzione stellare. Le stelle nascono, vivono e muoiono, quasi come se fossero degli esseri viventi. La loro evoluzione dipende da diversi parametri, ma quello più importante è sicuramente la massa.0,01 masse solari sia il limite inferiore per l’esistenza stellare, cioè sarebbe la massa minima affinché si possano innescare le reazioni nucleari che permettono alla stella di brillare di luce propria. Al di sotto di questo valore si dovrebbe parlare di corpi planetari, perché non si avrebbe più produzione di energia interna di origine nucleare.Il limite superiore invece si ritiene che sia situato tra le 60 e le 100 masse solari, al di là di queste masse le stelle dovrebbero essere instabili e destinate ad esplodere in breve tempo.La massa è il parametro che decide la luminosità della stella e la lunghezza della sua vita".
Il buco nero
"Il punto centrale in cui si concentra la massa non è più accessibile alla nostra comprensione. Questo perché la velocità di fuga dal buco nero raggiunge quella della luce già ad alcuni chilometri da questo punto centrale.
Esiste una zona in cui la velocità di fuga è uguale a quella della luce. Un raggio luminoso in questa regione è virtualmente costretto a "orbitare" attorno alla singolarità interna. Questa regione prende il nome di "orizzonte degli eventi". L' orizzonte degli eventi è una superficie nulla, cioè tangente a tutti i punti del cono di luce, che può essere attraversata in un senso soltanto, come una membrana semipermeabile. Coincide con un’ immaginaria superficie sferica o quasi sferica che copre il buco nero."
La ricerca dei buchi neri
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Sistemi stellari doppi. Se il sistema stellare è formato da una stella e da un buco nero, allora si dovrebbe poter osservare la stella orbitare attorno a qualcosa di invisibile.
- Materia gassosa risucchiata. Se il buco nero si trova vicino ad una stella, potrebbe risucchiare il gas dell’atmosfera di quest’ultima (o potrebbe anche risucchiare tutta la stella). Attorno al buco nero si formerebbe un "gorgo" di gas chiamato "accretion disk" (letteralmente: disco di accrescimento), in cui il gas, attratto dalla possente forza gravitazionale spiraleggia attorno al buco nero prima di cadervi dentro. Questa situazione è più probabile nei buchi neri al centro delle galassie. Questi risucchiano la materia e le stelle che si trovano attorno a loro come un aspirapolvere, circondandosi di enormi dischi di accrescimento.
- Emissione di radiazione ad alta frequenza. È connessa alla situazione della materia risucchiata. Il gas che sta per cadere nel buco nero accelera sempre di più e viene compresso enormemente. Questo fa aumentare la sua temperatura fino a milioni di gradi. Un buco nero in questa situazione dovrebbe avere una intensa emissione di raggi X (lo spettro di emissione si dovrebbe estendere dalle onde radio fino ai raggi X). Infatti sono state trovate parecchie sorgenti di raggi X nella nostra galassia. La più famosa è forse Cygnus X1, trovata nella costellazione del Cigno. Nella posizione della sorgente X è presente una stella gigante azzurra che orbita attorno a qualcosa di invisibile. Per anni questo oggetto è stato considerato la prova migliore dell’esistenza dei buchi neri, fino all’avvento del telescopio spaziale che ha permesso di "vedere" direttamente i dischi di accrescimento dei buchi neri galattici.
La varietà dei buchi neri
- Buchi neri stellari (di massa tre volte circa quella del Sole)
- Buchi neri galattici (di massa enorme, un milione di miliardi di miliardi di volte quella del Sole; Si trovano al centro delle galassie)
- Buchi neri di Schwarzschild (non ruotano e sono caratterizzati soltanto dalla massa, 1916)
- Buchi neri di Reissner-Nordstrom (dotati di massa e carica elettrica ma non ruotanti,1916-18)
- Buchi neri di Kerr (dotati di massa e di rotazione ma non di carica elettrica,1963)
- E infine i Buchi neri di Kerr-Newmann (caratterizzati dalla massa, dalla rotazione e dalla carica elettrica,1965), detti anche stazionari. E' questo il modello di buco nero oggi più accreditato.
La fisica dei buchi neri
Nella Teoria della Relatività Generale, la gravità è descritta come una deformazione dello spazio-tempo. Un corpo dotato di massa non farebbe altro che "piegare" lo spazio-tempo attorno a sé.
Pertanto una linea retta non è necessariamente la distanza minore fra due punti.
La relatività generale ammette la possibilità dell'esistenza dei buchi neri, ma ne limita la durata nel tempo a brevi intervalli, col rischio per l' esploratore di terminare la propria corsa in una delle due singolarità e qui disintegrato.
All'interno del buco nero si ha una deformazione dello spazio-tempo: quindi, in teoria, nella regione detta orizzonte degli eventi il tempo si dovrebbe fermare e nella regione più interna dovrebbe scorrere all’indietro. Infatti il tempo non ha una direzione privilegiata, privilegiata è solo la sequenza di azioni in cui si ha una probabilità crescente che avvengano. Lo scorrere del tempo in avanti sarebbe dunque una "illusione" dovuta al fatto che certi eventi sono molto più probabili di altri.
Le "Tane di verme" (Wormholes)
I ponti di Einstain-Rosen e la teoria degli universi paralleli
