Per migliaia di anni, gli umani hanno guardato le stelle e si sono chiesti come fosse l'universo. Ma non è stato fino agli anni della prima guerra mondiale che i ricercatori hanno sviluppato i primi strumenti osservativi e strumenti teorici per trasformare quelle grandi domande in un preciso campo di studio: la cosmologia.
"Penso alla cosmologia come una delle più antiche materie di interesse umano ma come una delle più recenti scienze", ha affermato Paul Steinhardt, un cosmologo dell'Università di Princeton che studia se il tempo ha un inizio.
La cosmologia, in poche parole, studia il cosmo come un'entità, piuttosto che analizzare separatamente le stelle, i buchi neri e le galassie che lo riempiono. Questo campo pone grandi domande: da dove viene l'universo? Perché ha stelle, galassie e ammassi di galassie? Cosa succederà dopo? "La cosmologia sta tentando di fare un quadro molto ampio della natura dell'universo", ha affermato Glennys Farrar, un fisico delle particelle presso la New York University.
Poiché questa disciplina è alle prese con molti fenomeni, dalle particelle nel vuoto al tessuto dello spazio e del tempo, la cosmologia attinge fortemente da molti campi, tra cui l'astronomia, l'astrofisica e, sempre più, la fisica delle particelle.
"La cosmologia ha parti che sono completamente in fisica, parti che sono completamente in astrofisica e parti che vanno avanti e indietro", ha detto Steinhardt. "Fa parte dell'eccitazione."
Una storia della storia dell'universo
La natura interdisciplinare del campo aiuta a spiegare il suo inizio relativamente tardi. La nostra immagine moderna dell'universo iniziò a fondersi solo negli anni '20, poco dopo che Albert Einstein sviluppò la teoria della relatività generale, un quadro matematico che descrive la gravità come conseguenza della flessione dello spazio e del tempo.
"Prima di comprendere la natura della gravità, non si può davvero fare una teoria del perché le cose sono come sono", ha detto Steinhardt. Altre forze hanno effetti maggiori sulle particelle, ma la gravità è l'attore principale nell'arena di pianeti, stelle e galassie. La descrizione della gravità di Isaac Newton spesso funziona anche in quel regno, ma tratta lo spazio (e il tempo) come uno sfondo rigido e immutabile su cui misurare gli eventi. Il lavoro di Einstein ha dimostrato che lo spazio stesso potrebbe espandersi e contrarsi, spostando l'universo dal palcoscenico all'attore e portandolo nella mischia come oggetto dinamico da studiare.
A metà degli anni 1920, l'astronomo Edwin Hubble fece osservazioni dal telescopio Hooker da 100 pollici (254 centimetri) di recente costruzione presso l'Osservatorio Mount Wilson in California. Stava tentando di risolvere un dibattito sulla posizione di alcune nuvole nello spazio che gli astronomi potevano vedere. Hubble dimostrò che queste "nebulose" non erano piccole nuvole locali, ma erano piuttosto grandi e distanti ammassi stellari simili alla nostra Via Lattea - "universi insulari" nel linguaggio dell'epoca. Oggi, li chiamiamo galassie e sappiamo che contano in migliaia di miliardi.
I maggiori sconvolgimenti in prospettiva cosmica dovevano ancora arrivare. Il lavoro di Hubble alla fine degli anni 1920 ha suggerito che le galassie in ogni direzione si stanno allontanando da noi, innescando decenni di ulteriori dibattiti. Eventuali misurazioni del fondo cosmico a microonde (CMB) - la luce lasciata dai primi anni dell'universo e da quando si è estesa alle microonde - negli anni '60 ha dimostrato che la realtà corrispondeva a una delle possibilità suggerite dalla relatività generale: a partire da piccolo e caldo, l'universo ha da allora sta diventando sempre più grande e più freddo. Il concetto divenne noto come la teoria del Big Bang, e scosse i cosmologi perché implicava che anche l'universo potesse avere un inizio e una fine.
Ma almeno quegli astronomi potevano vedere il movimento delle galassie nei loro telescopi. Uno dei cambiamenti più sismici della cosmologia, ha detto Farrar, è l'idea che la stragrande maggioranza delle cose là fuori è fatta di qualcos'altro, qualcosa di completamente invisibile. Il materiale che possiamo vedere ammonta a poco più di un errore di arrotondamento cosmico - solo circa il 5% di tutto nell'universo.
Il primo abitante dell'altro 95% dell'universo, quello che è diventato il cosiddetto "settore oscuro", ha sollevato la testa negli anni '70. Allora, l'astronoma Vera Rubin si rese conto che le galassie giravano così velocemente da doversi allontanare. Più che materia difficile da vedere, disse Farrar, le cose che tengono insieme le galassie dovevano essere qualcosa di totalmente sconosciuto ai fisici, qualcosa che - tranne per la sua attrazione gravitazionale - ignora completamente la materia e la luce ordinarie. La mappatura successiva ha rivelato che le galassie che vediamo sono semplicemente nuclei al centro delle colossali sfere della "materia oscura". I filamenti di materia visibile che si estendono attraverso l'universo pendono su una cornice scura che supera le particelle visibili da cinque a uno.
Il telescopio spaziale Hubble ha poi scoperto i segni di un'inaspettata varietà di energia - che secondo i cosmologi rappresenta il rimanente 70% dell'universo dopo aver tenuto conto della materia oscura (25%) e della materia visibile (5%) - negli anni '90, quando l'orologio espande l'universo accelerando come un treno in fuga. L '"energia oscura", forse un tipo di energia inerente allo spazio stesso, sta allontanando l'universo più velocemente di quanto la gravità possa riunire il cosmo. In trilioni di anni, tutti gli astronomi rimasti nella Via Lattea si troveranno in un vero universo insulare, avvolto dall'oscurità.
"Siamo a un punto di passaggio nella storia dell'universo, da dove è dominato dalla materia a dove è dominato da una nuova forma di energia", ha detto Steinhardt. "La materia oscura ha determinato il nostro passato. L'energia oscura determinerà il nostro futuro."
Cosmologia moderna e futura
La cosmologia attuale racchiude queste scoperte fondamentali nel suo risultato coronato, il modello Lambda-CDM. Talvolta chiamato modello standard di cosmologia, questo fascio di equazioni descrive l'universo dal suo secondo secondo in poi. Il modello assume una certa quantità di energia oscura (lambda, per la sua rappresentazione nella relatività generale) e materia oscura fredda (CDM) e fa ipotesi simili sulla quantità di materia visibile, sulla forma dell'universo e su altre caratteristiche, tutte determinate da esperimenti e osservazioni.
Riproduci quel film dell'universo dei bambini in avanti di 13,8 miliardi di anni e i cosmologi ottengono un'istantanea che "statisticamente ha tutto ciò che possiamo misurare fino a un certo punto", ha detto Steinhardt. Questo modello rappresenta l'obiettivo da battere mentre i cosmologi spingono le loro descrizioni dell'universo più in profondità nel passato e nel futuro.
Come ha avuto successo Lambda-CDM, ha ancora molti nodi da risolvere. I cosmologi ottengono risultati contrastanti quando provano a studiare l'attuale espansione dell'universo, a seconda che lo misurino direttamente nelle galassie vicine o lo deducano dal CMB. Questo modello non dice nulla sulla composizione della materia oscura o dell'energia.
Poi c'è quel fastidioso primo secondo dell'esistenza, quando l'universo presumibilmente è passato dallo speck infinitesimale alla bolla relativisticamente ben educata. L '"inflazione" è una teoria popolare che tenta di gestire questo periodo, spiegando come un breve momento di espansione ancora più rapida abbia fatto esplodere minuscole variazioni primordiali nell'irregolarità su larga scala delle galassie di oggi, così come come gli input Lambda-CDM abbiano ottenuto i loro valori .
Nessuno sa come l'inflazione abbia funzionato in dettaglio, tuttavia, o perché si sia fermata dove presumibilmente ha fatto. Steinhardt ha affermato che l'inflazione avrebbe dovuto continuare in molte regioni dello spazio, il che implica che il nostro universo è solo una fetta di un "multiverso" contenente ogni possibile realtà fisica - un'idea non verificabile che molti sperimentatori trovano inquietante.
Per progredire su domande come queste, i cosmologi guardano alle misurazioni di precisione da telescopi spaziali come il telescopio spaziale Hubble e l'imminente telescopio spaziale James Webb, nonché esperimenti nel campo emergente dell'astronomia delle onde gravitazionali, come la National Science Foundation Osservatorio di onde gravitazionali con interferone laser. I cosmologi si uniscono anche ai fisici delle particelle e agli astrofisici in una corsa interdisciplinare per rilevare particelle di materia oscura.
Proprio come la cosmologia non può iniziare fino a quando non sono maturati altri rami della fisica, non sarà in grado di finire rivelando la storia dell'universo fino a quando altre aree non saranno più complete. "Per chiarire la storia, devi elaborare essenzialmente tutti le leggi della fisica a tutte le scale di energia e in tutte le condizioni ", ha detto Steinhardt. "E un cambiamento in uno di questi potrebbe cambiare radicalmente la storia cosmologica."
Farrar ha detto che non sa se ciò accadrà, ma si meraviglia che le persone abbiano compreso le complessità dell'universo tanto quanto hanno fatto. "È sorprendente che il cervello umano si sia evoluto al punto che a quanto pare è possibile rispondere a queste domande", ha detto. "Alcuni almeno."
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