La genesi dell’universo

Tutto inizia dal Big Bang, che è un momento nel tempo, non un punto nello spazio.

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il modello cosmologico del Big Bang e l'espansione accelerata dell'universo

Nelle sue fasi iniziali, il nostro universo si è espanso in modo molto rapido, poi ha coincito ad espandersi mentre si raffreddava. La nascita e l’espansione accelerata dell’universo sono connessi da un periodo di tempo che i fisici non conoscono.

Vediamo i due fotogrammi della nascita dell’universo: nel primo, l’universo è cresciuto da un punto infinitamente piccolo a una grandezza pari a 1 seguito da 27 zeri di volte, e in meno di un trilionesimo di secondo. Questa prima fase dell’inflazione, rapidissima, si potrebbe dire esplosiva, viene poi seguita dal periodo di inflazione più graduale ma violento che chiamiamo Big Bang.

Durante il Big Bang, una palla di fuoco composta da particelle fondamentali incredibilmente calda si è espansa e raffreddata dando la possibilità alle particelle stesse di aggregarsi in atomi, stelle e le galassie che oggi osserviamo.

La teoria del Big Bang, che descrive l’inflazione cosmica, rimane la spiegazione più accettata di come è iniziato il nostro universo, eppure gli scienziati non sanno in che modo  questi periodi di espansione completamente diversi sono connessi tra loro.

Per risolvere questo rompicapo cosmico, un team di ricercatori del Kenyon College, del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e della Leiden University olandese hanno simulato la transizione critica tra l’inflazione cosmica e il Big Bang, un periodo che chiamano “riscaldamento”.

Il periodo di post-riscaldamento post-inflazione stabilisce le condizioni per generare il Big Bang e, in un certo senso, avviano il Big Bang“, spiega David Kaiser, professore di fisica presso il MIT, in una nota. “È durante questo periodo ponte che si scatena l’inferno e la materia neoformata si comporta in modo tutt’altro che semplice“.

Quando l’universo si espanse in una frazione di secondo durante l’inflazione cosmica, tutta la materia esistente si sparse, lasciando l’universo freddo e vuoto, privo del plasma caldo di particelle necessario per innescare il Big Bang. “pensiamo che durante il periodo di riscaldamento, l’inflazione a propulsione energetica si sia decomposta in particelle“, spiega Rachel Nguyen, dottoranda in fisica all’Università dell’Illinois e autrice principale dello studio.

All’inizio era il nulla. 13,7 miliardi di anni fa, l’universo è emerso dal nulla. Non conosciamo ancora le condizioni esatte in cui ciò è accaduto o se ci fosse un tempo prima. Ma usando osservazioni telescopiche e i modelli di fisica delle particelle, i ricercatori sono stati in grado di mettere insieme una linea temporale approssimativa dei principali eventi della vita del cosmo.

Tutto inizia dal Big Bang, che è un momento nel tempo, non un punto nello spazio“, chiarisce in una intervista a Live Science Sean Carroll, fisico teorico del California Institute of Technology.

In particolare, il Big Bang è il momento in cui è iniziato il tempo stesso, l’istante dal quale sono stati contati tutti gli istanti successivi. Nonostante sia chiamato Big Bang, l’inizio dell’universo non è avvenuto con un’esplosione ma, piuttosto, si è trattato di un periodo in cui l’universo era estremamente caldo e denso e lo spazio ha iniziato ad espandersi verso l’esterno in tutte le direzioni contemporaneamente.

Il modello del Big Bang che afferma che l’universo era un punto infinitamente piccolo di densità infinita, è solo un modo per dire che non sappiamo bene cosa sia successo.

Gli infiniti matematici non hanno senso nelle equazioni della fisica, quindi il Big Bang è davvero il punto in cui la nostra attuale comprensione dell’universo viene meno.

L’universo è cresciuto straordinariamente in fretta. Entro i primi 0,0000000000000000000000000000001 (che è un punto decimale con 30 zeri prima dell’1) secondi dopo il Big Bang, il cosmo si è espanso in modo esponenziale, allontanando aree dell’universo che fino a quel momento erano in stretto contatto.

Questa epoca, nota come inflazione, rimane ipotetica, ma ai cosmologi piace l’idea perché spiega come mai le regioni spaziali distanti sembrano così simili tra loro, nonostante siano separate da distanze enormi. Nel 2014, un team pensava di aver trovato un segnale di questa espansione nella luce dell’universo primordiale. Ma i risultati in seguito si sono rivelati delle interferenze dovute a polvere interstellare.

In pochi millisecondi dopo l’inizio, l’universo neonato raggiungeva una temperatura compresa tra 7 trilioni e 10 trilioni di gradi Fahrenheit. A temperature cosi estreme, le particelle elementari chiamate quark, che normalmente sono strettamente legate a formare protoni e neutroni, si muovevano liberamente.

A quel punto, i gluoni, particelle che trasportano la forza forte, si mischiarono con i quark in un fluido primordiale permeando il cosmo. I ricercatori sono riusciti a creare condizioni simili negli acceleratori di particelle come il LHC del Cern di Ginevra.

In seguito qualche millesimo di secondo dopo il Big Bang, il cosmo si espanse, raffreddandosi tanto da consentire ai quark di unirsi in protoni e neutroni. Un secondo dopo il Big Bang, la densità dell’universo era scesa abbastanza da consentire ai neutrini, le particelle fondamentali più leggere e che interagiscono molto di rado con la materia, di spostarsi nel cosmo senza interagire con nessun’altra particella creando quello che gli scienziati non hanno ancora rilevato, lo sfondo cosmico del neutrino.

Dopo i primi 3 minuti della vita dell’universo, protoni e neutroni si sono fusi insieme, dando vita a un isotopo dell’idrogeno chiamato deuterio, al nucleo dell’elio e ad un po’ di litio, il terzo elemento della tavola periodica. Questo processo si è interrotto con il successivo abbassamento della temperatura.

Alla fine, 380.000 anni dopo il Big Bang, la temperatura fu sufficientemente bassa da consentire all’idrogeno all’elio e al litio di combinarsi con gli elettroni liberi, creando i primi atomi neutri. I fotoni, che in precedenza venivano assorbiti dagli elettroni, iniziarono a potersi muovere senza interferenze, creando lo sfondo cosmico a microonde (CMB), un residuo fossile della prima luce che illuminò l’universo, scoperto nel 1965.

L’universo per 100 milioni di anni circa non ha emesso alcuna radiazione e tale epoca rimane misteriosa e difficile da studiare perché ciò che gli scienziati studiano per capire il cosmo stesso sono le radiazioni, i fotoni.

Dopo altri 180 milioni di anni, l’idrogeno e l’elio iniziarono a formare grandi sfere, generando temperature tali che nei nuclei di queste sfere cominciarono ad avviarsi reazioni di fusione nucleare accendendo le prime stelle.

a questo punto, inizia l’era della reionizzazione, in cui i fotoni irradiati dalle prime stelle e galassie spezzano gli atomi di idrogeno neutri nello spazio interstellare in protoni ed elettroni, un processo noto come ionizzazione. Un processo, quello della reionizzazione, che ha avuto una durata difficile da calcolare a causa dei gas e delle polveri che ne oscurano i segnali, ma che, secondo gli scienziati è finita 500 milioni di anni dopo il Big Bang.

A questo punto, l’universo cominciò a popolarsi di piccole galassie primitive che iniziarono a fondersi in galassie più grandi e, tra i 600.000 ed un miliardo di anni dopo il Big Bang, si formarono i buchi neri supermassicci nei loro centri. I quasar luminosi, che producono intensi fasci di luce che possono essere visti da 12 miliardi di anni luce di distanza, si erano accesi.

L’universo ha continuato ad evolversi per  altri miliardi di anni. I punti di maggiore densità dall’universo primordiale hanno fatto da attrattore gravitazionale per la materia formando gli ammassi galattici che oggi sono uniti da una rete cosmica di gas e polveri.

Dopo poco più di 8 miliardi di anni, circa 4,5 miliardi di anni fa, una nuvola di gas e polveri all’interno di una galassia, la nostra Via Lattea,  si accese dando vita al nostro Sole.

Fonti: INAF, Wikipedia.