La teoria del Big Bang rappresenta i migliori tentativi dei cosmologi di ricostruire la storia dell'universo di 14 miliardi di anni basata sul frammento dell'esistenza visibile oggi.
Diverse persone usano il termine "Big Bang" in diversi modi. Più in generale, illustra l'arco dell'universo osservabile mentre si assottiglia e si raffredda da uno stato inizialmente denso e caldo. Questa descrizione si riduce all'idea che il cosmo si sta espandendo, un principio ampio analogo alla sopravvivenza del più adatto in biologia che pochi considererebbero discutibile.
Più specificamente, il Big Bang può anche riferirsi alla nascita dell'universo osservabile stesso - il momento in cui qualcosa è cambiato, dando il via agli eventi che hanno portato oggi. I cosmologi hanno discusso per decenni sui dettagli di quella frazione di secondo e la discussione continua oggi.
La classica teoria del Big Bang
Per gran parte della storia umana, gli osservatori del cielo lo presumevano eterno e immutabile. Edwin Hubble diede a questa storia un colpo sperimentale negli anni '20, quando le sue osservazioni mostrarono che esistevano galassie al di fuori della Via Lattea e che la loro luce appariva allungata - un segno che si stavano allontanando dalla Terra.
George Lemaître, un fisico belga contemporaneo, interpretò i dati di Hubble e di altri come prove di un universo in espansione, una possibilità permessa dalle equazioni di campo di relatività generale recentemente pubblicate da Einstein. Pensando al contrario, Lemaître dedusse che le galassie separatrici di oggi dovevano essere iniziate insieme in quello che chiamava "atomo primordiale".
Il primo uso pubblico del termine moderno per l'idea di Lemaître venne in realtà da un critico - l'astronomo inglese Fred Hoyle. Il 28 marzo 1949, Hoyle coniò la frase durante una difesa della sua teoria preferita di un universo eterno che creò la materia per annullare la diluizione dell'espansione. Hoyle ha affermato che l'idea che "tutta la materia dell'universo sia stata creata in un unico big bang in un momento particolare nel passato remoto" era irrazionale. Nelle interviste successive, Hoyle ha negato di aver inventato intenzionalmente un nome diffamatorio, ma il moniker è rimasto bloccato, con grande frustrazione di alcuni.
"Il Big Bang è davvero un brutto termine", ha detto Paul Steinhardt, un cosmologo a Princeton. "The Big Stretch catturerebbe l'idea giusta." L'immagine mentale di un'esplosione provoca ogni tipo di confusione, secondo Steinhardt. Implica un punto centrale, una frontiera in espansione e una scena in cui i frammenti di luce volano più velocemente dei pezzi più pesanti. Ma un universo in espansione non assomiglia affatto a quello, ha detto. Non c'è centro, nessun bordo e le galassie grandi e piccole si spostano tutte allo stesso modo (anche se le galassie più distanti si allontanano più velocemente sotto l'influenza cosmologicamente recente dell'energia oscura).
Indipendentemente dal suo nome, la teoria del Big Bang ha trovato ampia accettazione per la sua ineguagliabile capacità di spiegare ciò che vediamo. L'equilibrio della luce con particelle come protoni e neutroni durante i primi 3 minuti, ad esempio, ha permesso la formazione di elementi precoci a una velocità che prevede le attuali quantità di elio e altri atomi di luce.
"C'era una piccola finestra nel tempo in cui era possibile formare i nuclei", ha detto Glennys Farrar, cosmologo della New York University. "Successivamente, l'universo ha continuato ad espandersi e non sono riusciti a trovarsi, e prima faceva troppo caldo."
Un plasma nuvoloso riempì l'universo per i successivi 378.000 anni, fino a quando un ulteriore raffreddamento lasciò che elettroni e protoni formassero atomi di idrogeno neutri e la nebbia si schiarì. La luce emessa durante questo processo, che da allora si è estesa alle microonde, è il primo oggetto noto che i ricercatori possano studiare direttamente. Conosciuta come radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), molti ricercatori la considerano la prova più forte per il Big Bang.
Un aggiornamento esplosivo
Ma mentre i cosmologi si spingevano più indietro nei primi momenti dell'universo, la storia si svelò. Le equazioni della relatività generale hanno suggerito un granello iniziale di calore e densità illimitati - una singolarità. Oltre a non avere molto senso fisico, un'origine singolare non corrispondeva al CMB liscio e piatto. Le fluttuazioni della formidabile temperatura e densità dello speck avrebbero prodotto strisce di cielo con proprietà diverse, ma la temperatura del CMB varia di appena una frazione di grado. Anche la curvatura dello spazio-tempo sembra piuttosto piatta, il che implica un equilibrio inizialmente quasi perfetto di materia e curvatura che la maggior parte dei cosmologi trova improbabile.
Alan Guth ha proposto una nuova immagine della prima frazione di secondo negli anni '80, suggerendo che l'universo ha trascorso i suoi primi momenti crescendo esponenzialmente più velocemente di quanto non faccia oggi. Ad un certo punto questo processo si è fermato e l'azionamento dei freni ha prodotto un denso e caldo (ma non infinitamente) pasticcio di particelle che prende il posto della singolarità. "Nella mia mente penso a quello come al Big Bang, quando l'universo si è surriscaldato", ha detto Farrar.
La teoria dell'inflazione, come viene chiamata, ora ha una pletora di modelli concorrenti. Sebbene nessuno sapesse molto su ciò che ha fatto espandere così rapidamente l'universo, la teoria è diventata popolare per la sua capacità di spiegare l'apparentemente improbabile CMB: l'inflazione ha conservato fluttuazioni minori (che si sono sviluppate negli ammassi di galassie di oggi), mentre appiattisce quelli principali. "È una storia molto dolce", ha detto Steinhardt, che ha contribuito a sviluppare la teoria. "È quello che diciamo ai nostri figli."
Oltre l'inflazione
Ricerche recenti hanno introdotto due rughe nella narrazione cosmica della teoria dell'inflazione. Il lavoro di Steinhardt e altri suggerisce che l'inflazione si sarebbe fermata in alcune regioni (come il nostro universo osservabile) ma continuò in altre, producendo una serie di territori separati con "ogni insieme immaginabile di proprietà cosmologiche", come afferma Steinhardt. Molti fisici ritengono sgradevole questa immagine "multiverso", perché rende un numero infinito di previsioni non verificabili.
Sul fronte sperimentale, i cosmologi si aspettano che l'inflazione abbia prodotto onde gravitazionali nella galassia che si propagano nella galassia proprio come ha prodotto lievi variazioni di temperatura e densità. Gli esperimenti attuali dovrebbero essere abbastanza sensibili da trovarli, ma le increspature spazio-temporali primordiali non sono comparse (nonostante un falso allarme nel 2014).
Molti ricercatori attendono misurazioni CMB più precise che potrebbero uccidere o convalidare i numerosi modelli di inflazione ancora esistenti. Altri fisici, tuttavia, non vedono affatto la scorrevolezza del cosmo come un problema: è iniziato in modo uniforme e non ha bisogno di spiegazioni.
Mentre gli sperimentatori cercano nuovi livelli di precisione, alcuni teorici si sono allontanati dall'inflazione per cercare altri modi per schiacciare l'universo piatto. Steinhardt, ad esempio, sta lavorando a un modello di "grande rimbalzo", che riporta ancora indietro l'orologio di partenza, a un precedente periodo di contrazione che ha lisciato lo spazio-tempo e preparato il terreno per un'espansione esplosiva. Spera che prima di troppo tempo, nuove firme, oltre a problemi come la mancanza di onde gravitazionali primordiali, preparino i cosmologi con una nuova storia della creazione da raccontare. "Ci sono altre caratteristiche osservabili da cercare?" Steinhardt disse: "Chiedimi di nuovo tra qualche anno e spero di avere una risposta".
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