Introduzione
Circa 13,8 miliardi di anni fa, l'universo come lo conosciamo è iniziato. Questo momento, noto come Big Bang, è quando lo spazio stesso iniziò rapidamente ad espandersi. Al tempo del Big Bang, l'universo osservabile (compresi i materiali per almeno 2 trilioni di galassie), si inseriva in uno spazio di meno di un centimetro di diametro. Ora, l'universo osservabile è lungo 93 miliardi di anni luce e si sta ancora espandendo.
Ci sono molte domande sul Big Bang, in particolare su ciò che è venuto prima (se non altro). Ma gli scienziati sanno alcune cose. Continua a leggere per alcune delle scoperte più sconvolgenti sull'inizio di tutto.
L'universo si sta espandendo
Fino al 1929, le origini dell'universo erano completamente avvolte nel mito e nella teoria. Ma quell'anno un intraprendente astronomo di nome Edwin Hubble scoprì qualcosa di molto importante sull'universo, qualcosa che avrebbe aperto nuovi modi di comprendere il suo passato: l'intera cosa si sta espandendo.
Hubble ha fatto la sua scoperta misurando qualcosa chiamato redshift, che è lo spostamento verso lunghezze d'onda rosse più lunghe di luce viste in galassie molto distanti. (Più lontano è l'oggetto, più pronunciato lo spostamento verso il rosso.) Hubble ha scoperto che lo spostamento verso il rosso è aumentato linearmente con la distanza in galassie lontane, indicando che l'universo non è fermo. Si sta espandendo, ovunque, tutto in una volta.
Hubble è stato in grado di calcolare il tasso di questa espansione, un dato noto come costante di Hubble, secondo la NASA. È stata questa scoperta che ha permesso agli scienziati di estrapolare indietro e teorizzare che l'universo un tempo era racchiuso in un piccolo punto. Hanno chiamato il primo momento della sua espansione il Big Bang.
Radiazione cosmica di fondo a microonde
Nel maggio del 1964, Arno Penzias e Robert Wilson, ricercatori dei Bell Telephone Laboratories, stavano lavorando alla costruzione di un nuovo ricevitore radio nel New Jersey. La loro antenna continuava a raccogliere uno strano ronzio che sembrava provenire da ogni luogo, in ogni momento. Pensavano che potessero essere i piccioni nell'attrezzatura, ma rimuovere i nidi non ha fatto nulla. Né i loro altri tentativi di ridurre le interferenze. Alla fine, si resero conto che stavano raccogliendo qualcosa di reale.
Ciò che avevano scoperto, si è scoperto, era la prima luce dell'universo: radiazione cosmica di fondo a microonde. Questa radiazione risale a circa 380.000 anni dopo il Big Bang, quando l'universo alla fine si è sufficientemente raffreddato per consentire ai fotoni (le particelle ondulate che compongono la luce) di viaggiare liberamente. La scoperta ha fornito supporto alla teoria del Big Bang e all'idea che l'universo si è espanso più velocemente della velocità della luce nel suo primo istante. (Questo perché lo sfondo cosmico è abbastanza uniforme, il che suggerisce una regolare espansione di tutto in una volta da un piccolo punto.)
Sky map
La scoperta del fondo cosmico a microonde ha aperto una finestra sulle origini dell'universo. Nel 1989, la NASA lanciò un satellite chiamato Cosmic Background Explorer (COBE), che misurava minuscole variazioni della radiazione di fondo. Il risultato è stato una "baby picture" dell'universo, secondo la NASA, che mostra alcune delle prime variazioni di densità nell'universo in espansione. Queste minuscole variazioni probabilmente hanno dato origine al modello di galassie e spazio vuoto, noto come la rete cosmica delle galassie, che vediamo oggi nell'universo.
Prova diretta dell'inflazione
Lo sfondo cosmico a microonde ha anche permesso ai ricercatori di trovare la "pistola fumante" per l'inflazione - quell'espansione massiccia, più veloce della luce che si è verificata nel Big Bang. (Sebbene la teoria della relatività speciale di Einstein sostenga che nulla passa più veloce della luce attraverso lo spazio, questa non è stata una violazione; lo spazio stesso si è espanso.) Nel 2016, i fisici hanno annunciato di aver rilevato un particolare tipo di polarizzazione, o direzionalità, in alcuni dei lo sfondo cosmico a microonde. Questa polarizzazione è nota come "modalità B." La polarizzazione della modalità B è stata la prima prova diretta in assoluto delle onde gravitazionali del Big Bang. Le onde gravitazionali si creano quando oggetti voluminosi nello spazio accelerano o rallentano (i primi mai scoperti provenivano dalla collisione di due buchi neri). Le modalità B forniscono un nuovo modo per sondare direttamente l'espansione dell'universo primordiale e forse per capire cosa l'ha guidato.
Nessuna dimensione extra finora
Una conseguenza della scoperta dell'onda gravitazionale è stata che ha permesso agli scienziati di cercare dimensioni aggiuntive, oltre le solite tre. Secondo i teorici, le onde gravitazionali dovrebbero poter attraversare dimensioni sconosciute, se tali dimensioni esistono. Nell'ottobre 2017, gli scienziati hanno rilevato le onde gravitazionali dalla collisione di due stelle di neutroni. Hanno misurato il tempo impiegato dalle onde per viaggiare dalle stelle alla Terra e non hanno trovato prove di perdite extra-dimensionali.
I risultati, pubblicati a luglio 2018 sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, suggeriscono che se ci sono altre dimensioni là fuori, sono minuscole - influenzerebbero le aree dell'universo di dimensioni inferiori a 1,6 km. Ciò significa che la teoria delle stringhe, secondo la quale l'universo è fatto di minuscole stringhe vibranti e prevede almeno 10 dimensioni adolescenziali, potrebbe essere ancora vera.
Espansione in accelerazione ...
Una delle scoperte più strane in fisica è che l'universo non si sta solo espandendo, ma si sta espandendo a un ritmo accelerato.
La scoperta risale al 1998, quando i fisici annunciarono i risultati di numerosi progetti di lunga durata che misuravano supernova particolarmente pesanti chiamate supernove di tipo Ia. I risultati (che hanno vinto i ricercatori Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam G. Reiss un premio Nobel nel 2011), hanno rivelato una luce più debole del previsto dalla più lontana di queste supernova. Questa luce debole ha mostrato che lo spazio stesso si sta espandendo: tutto nell'universo si sta gradualmente allontanando da tutto il resto.
Gli scienziati chiamano il motore di questa espansione "energia oscura", un motore misterioso che potrebbe costituire circa il 68% dell'energia nell'universo. Questa energia oscura sembra essere cruciale per far sì che le teorie dell'inizio dell'universo si adattino alle osservazioni che vengono condotte ora, come quelle fatte dalla Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA, uno strumento che ha prodotto la mappa più precisa del cosmico lo sfondo a microonde ancora.
... Ancora più veloce del previsto
I nuovi risultati di Hubble Telescope, rilasciati nell'aprile 2019, hanno approfondito il puzzle dell'universo in espansione. Le misurazioni dal telescopio spaziale mostrano che l'espansione dell'universo è del 9% più veloce del previsto dalle precedenti osservazioni. Per le galassie, ogni 3,3 milioni di anni luce di distanza dalla Terra si traducono in ulteriori 46 miglia al secondo (74 km al secondo) più velocemente rispetto ai calcoli precedenti previsti, secondo la NASA.
Perché è importante per le origini dell'universo? Perché ai fisici deve mancare qualcosa. Secondo la NASA, potrebbero esserci state tre "esplosioni" separate di energia oscura durante il Big Bang e poco dopo. Quelle esplosioni preparano il terreno per ciò che vediamo oggi. Il primo potrebbe aver avviato l'espansione iniziale; un secondo potrebbe essere accaduto molto più velocemente, agendo come un piede pesante premuto sul pedale dell'acceleratore dell'universo, causando l'espansione dell'universo più velocemente di quanto si credesse in precedenza. Un'ultima esplosione di energia oscura può spiegare l'espansione accelerata dell'universo oggi.
Niente di tutto ciò è dimostrato - ancora. Ma gli scienziati stanno guardando. I ricercatori dell'Università del Texas presso l'Osservatorio McDonald di Austin stanno usando uno strumento recentemente aggiornato, l'Hobby-Eberly Telescope, per cercare direttamente l'energia oscura. Il progetto, Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX), sta misurando la debole luce delle galassie fino a 11 miliardi di anni luce, che consentirà ai ricercatori di vedere eventuali cambiamenti nell'accelerazione dell'universo nel tempo. Studieranno anche gli echi dei disturbi nell'universo di 400.000 anni, creato nella densa zuppa di particelle che costituivano tutto subito dopo il Big Bang. Anche questo rivelerà i misteri dell'espansione e spiegherà l'energia oscura che lo ha guidato.
