All'inizio, l'Universo si espanse molto, molto velocemente.
(Immagine: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e il capo scienziato del centro scientifico COSI. Sutter è anche ospite di Ask a Spaceman e Space Radio e conduce AstroTours in tutto il mondo. Sutter ha contribuito con questo articolo alle voci Expert di Space.com: Op-Ed & Insights.
A 13,8 miliardi di anni fa, il nostro intero universo osservabile aveva le dimensioni di una pesca e aveva una temperatura di oltre un trilione di gradi.
È un'affermazione piuttosto semplice, ma molto audace da fare, e non è un'affermazione fatta alla leggera o facilmente. Anzi, anche cento anni fa, sarebbe sembrato decisamente assurdo, ma eccoci qui, dicendo che non è un grosso problema. Ma come per qualsiasi cosa nella scienza, affermazioni semplici come questa sono costruite da montagne di molteplici linee indipendenti di prove che puntano tutte verso la stessa conclusione - in questo caso, il Big Bang, il nostro modello della storia del nostro universo. [L'universo: da Big Bang a Now in 10 semplici passaggi]
Ma, come si suol dire, non crederci sulla parola. Ecco cinque prove per il Big Bang:
# 1: il cielo notturno è buio
Immagina per un momento che abbiamo vissuto in un universo perfettamente infinito, sia nel tempo che nello spazio. Le scintillanti collezioni di stelle vanno avanti per sempre in ogni direzione e l'universo è sempre stato e sempre sarà. Ciò significherebbe ovunque guardassi nel cielo - basta scegliere una direzione casuale e fissare - saresti obbligato a trovare una stella là fuori, da qualche parte, a una certa distanza. Questo è il risultato inevitabile di un universo infinito.
E se lo stesso universo è in circolazione da sempre, allora c'è stato un sacco di tempo per la luce di quella stella, che strisciava attraverso il cosmo a una velocità relativamente lenta di c, per raggiungere i tuoi occhi. Persino la presenza di qualsiasi polvere che interviene non diminuirebbe la luce accumulata da un'infinità di stelle sparse su un cosmo infinitamente grande.
Ergo, il cielo dovrebbe essere in fiamme con la luce combinata di una moltitudine di stelle. Invece, è principalmente buio. Vuoto. Vuoto. Blackness. Sai, lo spazio.
Il fisico tedesco Heinrich Olbers potrebbe non essere stato il primo a notare questo apparente paradosso, ma il suo nome è rimasto fedele all'idea: è noto come il paradosso di Olbers. La semplice risoluzione? O l'universo non ha una dimensione infinita o non è infinito nel tempo. O forse non è nessuno dei due.
# 2: i quasar esistono
Non appena i ricercatori hanno sviluppato radiotelescopi sensibili, negli anni '50 e '60, hanno notato sorgenti radio stranamente rumorose nel cielo. Attraverso un significativo insulto astronomico, gli scienziati hanno determinato che queste fonti radio quasi stellari, o "quasar", erano galassie molto distanti ma straordinariamente luminose e attive.
La cosa più importante per questa discussione è la parte "molto lontana" di quella conclusione.
Poiché la luce impiega tempo per viaggiare da un luogo a un altro, non vediamo le stelle e le galassie come sono adesso, ma com'erano migliaia, milioni o miliardi di anni fa. Ciò significa che guardare più in profondità nell'universo è anche guardare più in profondità nel passato. Vediamo molti quasar nel lontano cosmo, il che significa che questi oggetti erano molto comuni miliardi di anni fa. Ma non ci sono quasi quasar nel nostro quartiere attuale e aggiornato. E sono abbastanza comuni nell'universo lontano (cioè giovane) che dovremmo vedere molto di più nelle nostre vicinanze.
La semplice conclusione: l'universo era diverso nel suo passato rispetto ad oggi.
# 3: sta diventando più grande
Viviamo in un universo in espansione. In media, le galassie si stanno allontanando da tutte le altre galassie. Certo, alcune piccole collisioni locali avvengono dalle interazioni gravitazionali rimanenti, come il modo in cui la Via Lattea si scontrerà con Andromeda tra pochi miliardi di anni. Ma su larga scala, questa semplice relazione espansiva è vera. Questo è ciò che l'astronomo Edwin Hubble ha scoperto all'inizio del XX secolo, subito dopo aver scoperto che le "galassie" erano in realtà una cosa. [Head-On Crash della Via Lattea con Andromeda: Immagini dell'artista]
In un universo in espansione, le regole sono semplici. Ogni galassia si sta allontanando da (quasi) ogni altra galassia. La luce proveniente da galassie distanti verrà spostata verso il rosso: le lunghezze d'onda della luce che stanno rilasciando si allungheranno, e quindi diventeranno più rosse, dalla prospettiva di altre galassie. Potresti essere tentato di pensare che ciò sia dovuto al movimento delle singole galassie che accelera attorno all'universo, ma la matematica non si somma.
La quantità di spostamento verso il rosso per una galassia specifica è correlata a quanto è lontana. Le galassie più vicine avranno una certa quantità di spostamento verso il rosso. Una galassia due volte più lontana otterrà il doppio di quel redshift. Quattro volte la distanza? Esatto, quattro volte il redshift. Per spiegarlo con solo le galassie che sfrecciano, ci deve essere una cospirazione davvero strana in cui tutti i cittadini galattici dell'universo accettano di muoversi in questo schema molto specifico.
Invece, c'è una spiegazione molto più semplice: il movimento delle galassie è dovuto allo stiramento dello spazio tra quelle galassie.
Viviamo in un universo dinamico ed in evoluzione. Era più piccolo in passato e sarà più grande in futuro.
# 4: la radiazione delle reliquie
Facciamo un gioco. Supponiamo che l'universo fosse più piccolo in passato. Ciò significa che sarebbe stato sia più denso che più caldo, giusto? Bene: tutto il contenuto del cosmo sarebbe stato raggruppato in uno spazio più piccolo e densità più elevate significano temperature più elevate.
Ad un certo punto, quando l'universo era, diciamo, un milione di volte più piccolo di adesso, tutto sarebbe stato così fracassato insieme da essere un plasma. In quello stato, gli elettroni sarebbero liberi dai loro ospiti nucleari e liberi di nuotare, tutta quella materia bagnata da radiazioni intense e ad alta energia.
Ma mentre quell'universo infantile si espandeva, si sarebbe raffreddato a un punto in cui, improvvisamente, gli elettroni si sarebbero potuti sistemare comodamente attorno ai nuclei, formando i primi atomi completi di idrogeno ed elio. In quel momento, la radiazione folle e intensa vagava senza ostacoli attraverso l'universo appena sottile e trasparente. E man mano che quell'universo si espandeva, la luce che era letteralmente diventata bianca-calda si sarebbe raffreddata, raffreddata, raffreddata a pochi gradi sopra lo zero assoluto, mettendo saldamente le lunghezze d'onda nella gamma delle microonde.
E quando puntiamo i nostri telescopi a microonde verso il cielo, cosa vediamo? Un bagno di radiazioni di fondo, che ci circonda su tutti i lati e quasi perfettamente uniforme (in una parte su 100.000!) In tutte le direzioni. Una piccola immagine dell'universo. Una cartolina di un'era morta da tempo. Luce di un tempo quasi antico quanto l'universo stesso.
# 5: è elementare
Spingi l'orologio ancora più indietro della formazione del fondo cosmico a microonde, e ad un certo punto le cose sono così intense, così folli che non esistono nemmeno protoni e neutroni. È solo una zuppa delle loro parti fondamentali, i quark e i gluoni. Ma ancora una volta, mentre l'universo si espandeva e si raffreddava dai primi minuti frenetici della sua esistenza, i nuclei più leggeri, come l'idrogeno e l'elio, si congolsero e si formarono.
Oggigiorno abbiamo una discreta padronanza della fisica nucleare e possiamo usare quella conoscenza per prevedere la quantità relativa degli elementi più leggeri nel nostro universo. La previsione: che la minestra congestionante avrebbe dovuto generare circa tre quarti di idrogeno, un quarto di elio e un'infarinatura di "altro".
La sfida va quindi agli astronomi, e cosa trovano? Un universo composto approssimativamente da tre quarti di idrogeno, un quarto di elio e una percentuale minore di "altro". Bingo.
Ci sono anche altre prove, ovviamente. Ma questo è solo il punto di partenza per la nostra moderna immagine del cosmo del Big Bang. Molteplici linee indipendenti di prove indicano tutte la stessa conclusione: il nostro universo ha circa 13,8 miliardi di anni e una volta aveva le dimensioni di una pesca e aveva una temperatura di oltre trilioni di gradi.
Scopri di più ascoltando l'episodio "Cosa succede quando le galassie si scontrano?" sul podcast Ask A Spaceman, disponibile su iTunes e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla e Patrick D. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Poni la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Seguici su @Spacedotcom, Facebook e Google+. Articolo originale su Space.com.
