La storia dell’Universo

La timeline della vita dell'universo.

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New results from the NASA/ESA Hubble Space Telescope suggest the formation of the first stars and galaxies in the early Universe took place sooner than previously thought. A European team of astronomers have found no evidence of the first generation of stars, known as Population III stars, when the Universe was less than one billion years old.This artist's impression presents the early Universe. Credit: ESA/Hubble, M. Kornmesser.

Dal momento del Big Bang avvenuto 13,8 miliardi di anni fa, l’Universo ha attraversato molte fasi diverse. A causa delle condizioni estreme e della violenza delle sue primissime fasi, ha probabilmente visto più attività e cambiamenti durante il primo secondo che in tutti i miliardi di anni trascorsi successivamente.

L’Universo nasce dal vuoto rispondendo alle leggi della meccanica quantistica. Possiamo provare ad immaginare una schiuma di microscopiche bollicine che si formano e scoppiano. Ma in una di esse accade qualcosa, la bollicina cattura dal vuoto una particella, l’inflatone che provoca un fenomeno chiamato espansione cosmica.

In una frazione di secondo la bollicina passa dalla dimensione di 10^ -35 metri alle dimensioni di un pallone da calcio, un oggetto macroscopico che contiene tutta la massa e l’energia che compongono l’Universo che conosciamo. Un insieme di particelle che si muovono alla velocità della luce in una sfera perfetta che non mostra nessuna forma di materia ma solo un aggregato di spazio-tempo e massa-energia. Da questo Universo primordiale in espansione verranno prodotti una sequenza di avvenimenti che porteranno allo sviluppo dell’Universo conosciuto.

La linea temporale dell’Universo

L’era di Planck va da zero a circa 10^ -43 secondi (il tempo di Planck): in fisica il tempo di Planck è il tempo che impiega un fotone che viaggia alla velocità della luce per percorrere una distanza pari alla lunghezza di Planck. È considerato il più breve intervallo di tempo misurabile. E’ anche il tempo più vicino all’inizio assoluto del tempo che la fisica può studiare.

Nell’era di Planck si ipotizza che le quattro forze fondamentali (elettromagnetismo, forza nucleare debole, forte forza nucleare e gravità) sono unificate in un’unica forza fondamentale, tenute insieme da una perfetta simmetria che alcuni hanno paragonato a una matita che si tiene in piedi sulla sua punta (cioè troppo simmetrica per durare).

A questo punto, l’Universo si estende su una regione di soli 10^ -35 metri (Lunghezza di Planck) e ha una temperatura di oltre 10 ^32 ° C (Temperatura di Planck).

L’epoca della grande unificazione, da 10^-43 secondi a 10^-36 secondi: la forza di gravità si separa dalle altre forze fondamentali (che rimangono unificate) e si creano le prime particelle elementari (e le loro antiparticelle).

Epoca dell’inflazione, da 10^-36 secondi a 10^-32 secondi: innescata dalla separazione della forza nucleare forte, l’universo subisce un’espansione esponenziale estremamente rapida, nota come inflazione cosmica. Le dimensioni lineari dell’universo primitivo durante questo periodo aumentano in una piccola frazione di secondo di un fattore che va da almeno 10^-26 a circa 10 centimetri.

Epoca elettrodebole, da 10^-36 secondi a 10^-12 secondi:
Appena la forza nucleare forte si separa dalle altre due forze, le interazioni delle particelle elementari createsi in precedenza creano un gran numero di particelle esotiche, compresi bosoni W e Z e bosoni di Higgs (il campo di Higgs rallenta le particelle conferendo la massa).

Epoca dei Quark, da 10^-12 secondi a 10^-6 secondi:
Quark, elettroni e neutrini vengono creati in gran numero dopo che la temperatura dell’universo scende a meno di 10 quadrilioni di gradi, le quattro forze fondamentali assumono la loro forma attuale. Quark e antiquark si annichilano, ma, in un processo noto come barogenesi, un surplus di quark (circa uno per ogni miliardo di coppie) sopravvive, e alla fine si combinerà per formare la materia.

Epoca degli Adroni, da 10 -6 secondi a 1 secondo:
La temperatura dell’universo cala a circa un trilione di gradi, abbastanza da consentire ai quark di formare adroni (come protoni e neutroni). Gli elettroni che si sono scontrati con i protoni nelle condizioni estreme dell’epoca Adronica si fondono per formare neutroni e rilasciare i neutrini, che continuano a viaggiare liberamente ancora oggi nello spazio.

Epoca dei leptoni da 1 secondo a 3 minuti:
Dopo che la maggior parte degli adroni e degli antiadroni si sono annichilati a vicenda alla fine dell’Epoca Adronica, i leptoni (gli elettroni) e antileptoni (i positroni) dominano l’universo.

Era della nucleosintesi, da 3 minuti a 20 minuti:
la temperatura dell’universo cade a circa un miliardo di gradi e i nuclei atomici possono iniziare a formarsi attraverso la fusione nucleare, formando i nuclei degli elementi più semplici come l’idrogeno, l’elio e il litio. Dopo circa 20 minuti, la temperatura e la densità del universo è arrivata al punto in cui la fusione nucleare non può continuare.

Epoca dei Fotoni (Dominio delle radiazioni), da 3 minuti a 240.000 anni:
Durante questo lungo periodo di raffreddamento graduale, l’universo si riempie di plasma, una zuppa calda e opaca di nuclei atomici e elettroni. Dopo che la maggior parte dei leptoni e degli antileptoni si sono annichiliti, l’universo è dominato dai fotoni, che continuano a interagire frequentemente con il plasma di nuclei e elettroni.

Ricombinazione / Disaccoppiamento, da 240.000 a 380.000 anni:
Appena la temperatura dell’universo precipita a circa 3000 gradi la densità del plasma si abbassa e i nuclei atomici dell’idrogeno e dell’elio catturano gli elettroni liberi (“ricombinazione“), neutralizzando così la loro carica elettrica. L’universo ora è trasparente alla radiazione rendendo osservabile questa lontana epoca.

Vengono rilasciati i fotoni nell’universo che fino a quel momento hanno interagito con elettroni e protoni. Questi fotoni (gli stessi che vediamo nella radiazione cosmica di fondo) ora possono viaggiare liberamente. Entro la fine di questo periodo, l’universo è costituito da una nebbia di circa il 75% di idrogeno e il 25% di elio, con tracce di litio.

Era oscura, da 380.000 a 150 milioni di anni:
Il periodo successivo alla formazione dei primi atomi, prima della formazione delle prime stelle, è a volte indicato come l’era oscura. Sebbene i fotoni esistano, l’universo in questo momento è letteralmente buio, in quanto privo di stelle. In questo periodo molto lungo l’Universo continua a raffreddarsi e ad espandersi. Il periodo oscuro segna il dominio della materia oscura.

Epoca della reionizzazione, da 150 milioni a 1 miliardo di anni:
La materia comincia ad addensarsi, i primi quasar emettono un’intensa radiazione che ionizza l’Universo, la seconda delle due principali variazioni della fase dell’idrogeno nell’universo (il primo è il periodo della Ricombinazione). Da questo punto in poi, la maggior parte dei universo passa dall’essere neutro all’essere composto da plasma ionizzato.

Formazione delle prime stelle e galassie, 300 – 500 milioni di anni dopo il Big Bang:
La forza di gravità amplifica lievi irregolarità nella densità del gas primordiale e tasche di gas diventano sempre più dense, anche se l’Universo continua ad espandersi rapidamente. Queste piccole e dense nuvole cosmiche di gas iniziano a collassare sotto la proprio gravità, diventando abbastanza calde da innescare i processi di fusione nucleare, nascono le prime stelle.

Queste stelle sono super massicce e di breve durata, un centinaio di volte la massa del nostro Sole, sono note anche come Popolazione di tipo III e sono “prive di metalli”. Alla fine stelle di Popolazione II e poi di Popolazione I iniziano a formarsi dal materiale delle precedenti stelle che giunte alla fine del loro veloce ciclo vitale esplodono proiettndo nell’universo nuovi elementi pesanti.

Più stelle più grandi consumano rapidamente il loro idrogeno ed esplodono in eventi di supernova, le loro ceneri formeranno le successive generazioni di stelle. Con il passare del tempo le stelle cominciano ad aggregarsi intorno d un nucleo centrale e nascono le prime galassie che, in seguit,o grazie alla gravità si addenseranno in strutture sempre più grandi, gli ammassi e i super ammassi.

Formazione del sistema solare, 8,5 – 9 miliardi di anni: Il nostro Sole è una stella di ultima generazione, incorpora infatti i detriti di molte generazioni precedenti di stelle e esso e il Sistema Solare si sono formati all’incirca da 4,5 a 5 miliardi di anni fa (da 8,5 a 9 miliardi di anni dopo il Big Bang).

Oggi, 13,7 miliardi di anni: continuano a formarsi nuove stelle mentre l’espansione dell’universo continua ed accelera.

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