L'universo progredisce continuamente: varie teorie

 

L’universo in espansione: la legge di Hubble

V = H_o d

dove V e' la velocità di allontanamento della galassia (velocità di recessione), d la sua distanza e H_o e' la costante di Hubble.

Per quanto riguarda il campo di validità della legge di Hubble, la relazione non può essere applicata per distanze astronomiche molto piccole, generalmente inferiori a qualche milione di anni luce, e per distanze molto grandi, generalmente al di sopra di alcuni miliardi di anni luce. Per quanto riguarda le distanze molto piccole, applicando la relazione matematica alle galassie della nebulosa di Andromeda, queste si dovrebbero allontanare, mentre invece presentano un moto di avvicinamento. Si pensa che l’inversione della norma espansionistica sia dovuta a certi effetti gravitazionali locali che si estrinsecano più intensamente quando gli oggetti celesti sono relativamente vicini. Per le grandi distanze, invece, la ridotta applicabilità della legge dipende dal fatto che errori e incertezze tendono ad aumentare man mano che le distanze si fanno più grandi. Inoltre, si dovrebbe anche conoscere con esattezza il valore della costante di Hubble. Per cercare di capire quello che succede, basta prendere un palloncino sgonfio e disegnarci sopra tanti pallini colorati. Soffiandoci dentro, la superficie del palloncino aumenta gradualmente e i pallini si allontanano gli uni dagli altri . Proprio come i punti disegnati sulla superficie del palloncino, le galassie sono immobili nello spazio: tutto il movimento è dato dall'espansione dello spazio, analoga a quella della superficie del palloncino. Così come i puntini del palloncino si allontanano gli uni dagli altri tanto più in fretta quanto più sono lontani, la velocità di fuga delle galassie aumenta in misura direttamente proporzionale alle loro distanze reciproche (legge di Hubble). Ma, al contrario di quanto potrebbe indurre a pensare l'analogia con il palloncino che si gonfia, lo spazio non si sta espandendo all'interno di qualcos'altro. In altre parole, una data regione di spazio non spinge in là ... il resto dell'universo mentre si espande. Secondo quanto sosteneva Einstein, lo spazio non è semplicemente un ... vuoto: al contrario, è un "qualcosa" di reale, flessibile ed estensibile. Attualmente, la comprensione delle proprietà e del comportamento dello spazio rappresenta uno dei maggiori obiettivi della fisica moderna. Questo fatto da' l'impressione che la Terra sia il centro di un moto generale di recessione, mentre in realtà esso non ha un centro. Pensiamo ai punti disegnati su un palloncino che viene gonfiato; essi si allontanano l'uno dall'altro con velocità proporzionale alla loro distanza: ogni punto può essere considerato come il centro dell'espansione. Allo stesso modo, noi non siamo al centro dell'espansione dell'Universo, ma in un suo punto qualsiasi: un altro osservatore, posto in un punto qualsiasi su un'altra galassia, vedrebbe esattamente le stesse cose che vediamo noi.

 

L’universo stazionario

 Formulata nel 1948 da T. Gold e da F. Hoyle, questa teoria dice che il reciproco allontanamento delle galassie, cui conseguirebbe una diminuzione della densità media dell’Universo, verrebbe compensato da una continua creazione nello spazio di nuova materia, la cui aggregazione produrrebbe nuove galassie in sostituzione di quelle ormai lontane. La teoria ha però incontrato alcune difficoltà, a cominciare dalla mancanza di qualunque conferma sulla possibilità di formazione di nuova materia e dalla scoperta della radiazione di fondo.

 

Il big bang e l’universo inflazionario

All’inizio del tempo, nell’istante zero (15 o forse 20 miliardi d’anni fa), l’Universo che oggi osserviamo doveva essere concentrato in un volume più piccolo di un atomo, con una densità pressoché infinita ed una temperatura di miliardi e miliardi di gradi. Non sappiamo come fosse fatto questo nucleo primordiale d’energia pura, né perché si sia formato, ma istantaneamente questo uovo cosmico si è squarciato con un’esplosione immane. Secondo il modello inflazionario, l’Universo sarebbe passato, subito dopo la sua nascita, attraverso una brevissima fase durante la quale le forze fondamentali (di gravità, elettromagnetica, etc…) si sarebbe comportate in modo diverso rispetto ad oggi; si sarebbe verificata, di conseguenza, una violentissima esplosione che nel giro di 10(-32) secondi, avrebbe fatto aumentare il volume dell’Universo di miliardi e miliardi di volte. Dopo quella fase, la sfera di fuoco si sarebbe continuata a raffreddare, rallentando la sua espansione. Nei primissimi istanti – frazioni infinitesimali di secondi – l’energia ha cominciato a condensarsi prima in particelle elementari (quark ed elettroni), poi in particelle maggiori (protoni e neutroni), finché dopo i primi 3 minuti, quando la temperatura è scesa a 10(9) K, si sono formati i primi nuclei atomici (idrogeno, litio ed elio). Ma per un lungo tempo l’Universo rimase un’impenetrabile nube di radiazioni e di gas ionizzato (nuclei d’elio, protoni, elettroni), una specie di nebbia luminosa, solo quando, dopo 300.000 anni, la temperatura scese a circa 3000 K gli elettroni furono catturati dai nuclei e si formò un gas neutro (non più ionizzato dalle radiazioni), formato d’idrogeno e, in piccola parte, d’elio. Termina così la fase della sfera di fuoco, dominata dalle radiazioni. Con la formazione d’idrogeno neutro, la materia si separa nettamente dalla radiazione e si avvia a divenire la componente dominante dell’evoluzione dell’Universo, mentre da quel momento la luce può viaggiare liberamente attraverso lo spazio. Di quella fase primordiale si è trovata una traccia. La radiazione emessa dalla sfera di fuoco ad alta temperatura si irraggiava in ogni direzione: pur diluita e indebolita (raffreddata) dall’espansione, quella radiazione dovrebbe oggi "impregnare" tutto l’Universo, ed è proprio quello che si è scoperto nel 1965, quando due ricercatori della Bell Telephone osservarono per caso l’esistenza di una radiazione di fondo rilevabile con i radiotelescopi in ogni direzione dello spazio, e corrispondente ad una temperatura di circa 3 K (260° C sotto zero). Tale radiazione residua è come l’eco del Big Bang, e la sua scoperta ha segnato un duro colpo per la teoria dello stato stazionario, che non è in grado di spiegarla. Dopo il primo milione di anni, l’Universo assume condizioni fisiche più familiari; la temperatura è ormai quella di una qualsiasi stella e la materia è fatta di idrogeno, elio, elettroni, protoni e fotoni. Nei nuclei delle stelle e nelle esplosioni delle supernovae si formano via via gli elementi chimici più pesanti, che come ceneri finiscono per mescolarsi alle polveri e ai gas delle nebulose, dove nascono nuove popolazioni di stelle. Tra queste, circa 5 miliardi di anni fa, si è acceso il Sole. Come proseguirà l’evoluzione dell’Universo? Il modello del Big Bang consente questa estrapolazione, ma la previsione è ostacolata dall’incertezza con cui ancora conosciamo la densità media della materia dell’Universo, la cui attrazione gravitazionale rallenta l’espansione dello Spazio. Se la densità è troppo bassa l’espansione continuerà senza fine, le stelle consumeranno tutto il loro combustibile e le galassie diventeranno sistemi oscuri di corpi freddi e inerti, in un Cosmo ridotto ad un immenso cimitero buio, ma se la forza di gravità riuscisse invece a frenare l’espansione dell’Universo, allora si può pensare che le galassie finiranno per arrestare la loro fuga e per invertire il loro movimento, dando inizio ad una contrazione dell’Universo. La temperatura tornerebbe ad aumentare, le stelle si riaccenderebbero e si farebbero più calde, gli elementi pesanti si disintegrerebbero e anche idrogeno ed elio si dissolverebbero in energia e tutto precipiterebbe, con velocità crescente, nello stato primordiale. Sarebbe la fine o potrebbe innescarsi un nuovo Big Bang?