Quando si tratta delle nostre origini cosmiche, nel corso della storia sono state avanzate diverse teorie. Letteralmente ogni cultura che sia mai esistita ha avuto la sua tradizione mitologica, che naturalmente includeva una storia della creazione. Con la nascita della tradizione scientifica, gli scienziati hanno iniziato a comprendere l'Universo in termini di leggi fisiche che potevano essere testate e dimostrate.
Con l'alba dell'era spaziale, gli scienziati hanno iniziato a testare teorie cosmologiche in termini di fenomeni osservabili. Da tutto ciò, sono emerse alcune teorie della seconda metà del 20 ° secolo che hanno tentato di spiegare come sono nate tutte le materie e le leggi fisiche che la governano. Di questi, la teoria del Big Bang rimane la più ampiamente accettata mentre l'ipotesi dello stato stazionario è stata storicamente il suo più grande sfidante.
Il modello allo stato stazionario afferma che la densità della materia nell'universo in espansione rimane invariata nel tempo a causa della creazione continua della materia. In altre parole, l'Universo osservabile rimane essenzialmente lo stesso indipendentemente dal tempo o dal luogo. Ciò lo pone in netto contrasto con la teoria secondo cui la maggior parte della materia è stata creata in un singolo evento (il Big Bang) e da allora si sta espandendo.
Origini
Mentre la nozione di universo stabile e immutabile è stata abbracciata nel corso della storia, non è stato fino all'inizio del periodo moderno che gli scienziati hanno iniziato a interpretarlo in termini astrofisici. Il primo chiaro esempio di questo argomento nel contesto dell'astronomia e della cosmologia fu in Isaac Newton Principi matematici della filosofia naturale (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) pubblicato nel 1687.
Nell'opera magnum di Newton, concettualizzò l'Universo oltre il Sistema Solare come uno spazio vuoto che si estendeva uniformemente in tutte le direzioni a distanze incommensurabili. Spiegò ulteriormente attraverso prove matematiche e osservazioni che tutti i movimenti e le dinamiche di questo sistema erano spiegati attraverso il singolo principio della gravitazione universale.
Tuttavia, ciò che sarebbe diventato noto come l'ipotesi dello stato stazionario non è emerso fino all'inizio del XX secolo. Questo modello cosmologico è stato ispirato da una serie di scoperte, nonché da scoperte nel campo della fisica teorica. Questi includevano la teoria della relatività generale di Albert Einstein e le osservazioni di Edwin Hubble secondo cui l'Universo è in uno stato di espansione.
Einstein formalizzò questa teoria nel 1915 dopo aver deciso di estendere la sua teoria della relatività speciale per incorporare la gravità. In definitiva, questa teoria afferma che la forza gravitazionale della materia e dell'energia altera direttamente la curvatura dello spaziotempo attorno ad essa. O come riassumeva il famoso fisico teorico John Wheeler, “lo spazio-tempo dice alla materia come muoversi; la materia dice allo spazio-tempo come curvare. "
Nel 1917, i calcoli teorici basati sulle equazioni di campo di Einstein mostrarono che l'Universo doveva essere in uno stato di espansione o contrazione. Nel 1929, le osservazioni fatte da George Lemaitre (che proponeva la teoria del Big Bang) e Edwin Hubble (usando il telescopio Hooker da 100 pollici all'Osservatorio del Monte Wilson) dimostrarono che questo era il caso.
Sulla base di queste rivelazioni, negli anni '30 iniziò un dibattito sulle possibili origini e sulla vera natura dell'Universo. Da un lato, c'erano coloro che affermavano che l'Universo era finito in età e si è evoluto nel tempo attraverso il raffreddamento, l'espansione e la formazione di strutture a causa del collasso gravitazionale. Questa teoria è stata satiricamente chiamata "Big Bang" da Fred Hoyle e il nome è rimasto bloccato.
Nel frattempo, la maggior parte degli astronomi all'epoca sosteneva la teoria secondo cui mentre l'Universo osservabile si sta espandendo, tuttavia non cambia in termini di densità della materia. In breve, i sostenitori di questa teoria hanno sostenuto che l'Universo non ha inizio, fine, e che la materia viene continuamente creata nel tempo, ad un ritmo di un atomo di idrogeno per metro cubo per 100 miliardi di anni.
Questa teoria ha anche esteso il principio cosmologico di Einstein, alias. Costante cosmologica (CC), proposta da Einstein nel 1931. Secondo Einstein, questa forza era responsabile di "trattenere la gravità" e garantire che l'Universo rimanesse stabile, omogeneo e isotropo in termini di struttura su larga scala.
Modificando questo principio ed estendendolo, i membri della scuola di pensiero dello Stato Stazionario sostenevano che era la creazione continua della materia a garantire che la struttura dell'Universo rimanesse la stessa nel tempo. Questo è altrimenti noto come il perfetto principio cosmologico, che sblocca l'ipotesi dello stato stazionario.
La teoria dello stato stazionario divenne ampiamente nota nel 1948 con la pubblicazione di due articoli: "Un nuovo modello per un universo in espansione" dell'astronomo inglese Fred Hoyle e "La teoria dello stato stazionario e l'universo in espansione" dell'astrofisico britannico-austriaco e team cosmologo di Hermann Bondi e Thomas Gold.
Argomenti chiave e previsioni
Gli argomenti a favore dell'ipotesi dello stato stazionario includono l'apparente problema di scala temporale sollevato dal tasso osservato di espansione cosmica (alias la costante di Hubble o la legge di Hubble-Lemaitre). Sulla base delle osservazioni di Hubble sulle galassie vicine, calcolò che l'Universo si stava espandendo a una velocità che aumentava sistematicamente con la distanza.
Ciò ha dato origine all'idea che l'Universo iniziò ad espandersi da un volume di spazio molto più piccolo. In assenza di accelerazione / decelerazione - 500 km / s per Megaparsec (310 mps per Mpc) - la Costante di Hubble significava che tutta la materia si espandeva da circa 2 miliardi di anni, che sarebbe anche l'età superiore dell'Universo.
Questa scoperta è stata contraddetta dalla datazione radioattiva, in cui gli scienziati hanno misurato il tasso di decadimento per i depositi di uranio-238 e plutonio-205 in campioni di roccia. Usando questo metodo, i più antichi campioni di roccia (che erano di origine lunare), erano stimati a 4.6 miliardi di anni. Un'altra incongruenza emerse a seguito della teoria dell'evoluzione stellare.
In breve, la velocità con cui l'idrogeno viene fuso all'interno delle stelle (per creare elio) produce una stima dell'età superiore di 10 miliardi di anni per i cluster globulari - le stelle più antiche della galassia. Inoltre, in questo modello non si sarebbe verificata alcuna evoluzione a grandi distanze - il che significherebbe che le fonti radio - alias. quasar o Active Galactic Nuclei (AGNs) - sarebbero uniformi in tutto l'Universo.
Significherebbe anche che la costante di Hubble (calcolata all'inizio del XX secolo) rimarrebbe costante. Il modello allo stato stazionario prevedeva anche che la creazione costante di antimateria e neutroni avrebbe comportato annichilazioni regolari e decadimento dei neutroni, portando così all'esistenza di uno sfondo di raggi gamma e gas caldo che emetteva raggi X in tutto l'Universo.
Big Bang per la vittoria
Tuttavia, le osservazioni in corso durante gli anni '50 e '60 portarono costantemente ad un accumulo di prove contro l'ipotesi dello stato stazionario. Questi includevano la scoperta di sorgenti radio luminose (alias quasar e radio galassie) che furono scoperte in galassie lontane ma non quelle più vicine a noi - indicando che molte galassie sono diventate "radio-silenziose" nel tempo.
Nel 1961, le indagini sulle fonti radio consentivano di effettuare analisi statistiche, escludendo la possibilità che le galassie radiofoniche luminose fossero distribuite uniformemente. Un altro argomento importante contro l'ipotesi dello stato stazionario fu la scoperta del Cosmic Microwave Background (CMB) nel 1964, che il modello del Big Bang predisse.
Combinato con l'assenza di uno sfondo di raggi gamma e pervasive nuvole di gas che emettono raggi X, il modello Big Bang divenne ampiamente accettato negli anni '60. Negli anni '90, osservazioni con il Telescopio spaziale Hubble e altri osservatori hanno anche scoperto che l'espansione cosmica non è stata coerente nel tempo. Negli ultimi tre miliardi di anni, infatti, ha accelerato.
Ciò ha portato a numerosi perfezionamenti della costante di Hubble. Sulla base dei dati raccolti dalla Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), il tasso di espansione cosmica è attualmente stimato tra 70 e 73,8 km / s per Mpc (da 43,5 a 46 mps per Mpc) con un margine di errore del 3%. Questi valori sono molto più coerenti con le osservazioni che collocano l'età dell'Universo a circa 13,8 miliardi di anni.
Varianti moderne
A partire dal 1993, Fred Hoyle e gli astrofisici Geoffrey Burbidge e Jayant V. Narlikar hanno iniziato a pubblicare una serie di studi in cui hanno proposto una nuova versione dell'ipotesi dello stato stazionario. Conosciuta come l'ipotesi Quasi-Steady-State (QSS), questa variazione ha tentato di spiegare fenomeni cosmologici che la vecchia teoria non spiegava.
Questo modello suggerisce che l'Universo sia il risultato di sacche di creazione (alias mini-bang) che si verificano nel corso di molti miliardi di anni. Questo modello è stato modificato in risposta ai dati che mostravano come sta accelerando il tasso di espansione dell'Universo. Nonostante queste modifiche, la comunità astronomica considera ancora il Big Bang come il miglior modello per spiegare tutti i fenomeni osservabili.
Oggi, questo modello è noto come modello Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), che incorpora le teorie attuali su Dark Matter e Dark Energy con la teoria del Big Bang. Nonostante ciò, l'ipotesi dello stato stazionario (e sue varianti) è ancora sostenuta da alcuni astrofisici e cosmologi. E non è l'unica alternativa alla cosmologia del Big Bang ...
Abbiamo scritto molti articoli sulla cosmologia qui su Space Magazine. Ecco cos'è l'Universo, la teoria del Big Bang: evoluzione del nostro universo, cos'è la teoria dell'universo oscillante ?, Che cos'è The Big Rip ?, Che cos'è la teoria del multiverso? Che cos'è la teoria delle superstringhe? Che cos'è lo sfondo cosmico a microonde? , The Big Crunch: The End of Our Universe ?, What is the Big Freeze ?, and Cosmology 101: The End.
Astronomia Cast anche alcuni episodi interessanti sull'argomento. Ecco l'episodio 5: The Big Bang e Cosmic Microwave Background, Episodio 6: More Evidence for the Big Bang, Episodio 79: How Big is the Universe ?, Episodio 187: History of Astronomy, Part 5: the 20th Century, and Episode 499: Qual è la proposta di legge Hubble-Lemaitre ?.
fonti:
- Wikipedia - Principio cosmologico
- Wikipedia - Ipotesi di stato stazionario
- Ideas of Cosmology - Big Bang o Steady State?
- Enciclopedia Britannica - Teoria dello stato stazionario
- Astronomia e astrofisica dell'UBC - Questioni fondamentali in cosmologia
- "Un nuovo modello per l'universo in espansione", Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, n. 372 (1948)
- "Quasi-Steady-State e relativi modelli cosmologici: una revisione storica", Kragh. H. (2012)
- "La teoria dello stato stazionario dell'universo in espansione", MNRAS, vol. 108, pag. 252 (1948)
- "La teoria dello stato stazionario di Einstein: un modello abbandonato del cosmo", The European Physical Journal H, vol. 39, pag. 353-367 (2014)
- “Un modello cosmologico di stato quasi stabile con creazione della materia”, Hoyle, F .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)
