Alzando gli occhi al cielo al calare del Sole, si può osservare l’infinità dell’universo che si estende in tutte le direzioni. Se l’inquinamento luminoso è ridotto al minimo, continuando a tenere lo sguardo in su, si possono iniziare a riconoscere come piccoli puntini luminosi Venere ed altre stelle, poi Marte, Giove e Saturno. Ma oltre questi giganti gassosi vi sono molti altri corpi celesti: Urano e Nettuno con le loro lune, la nuvola di Oort che segna la fine del nostro Sistema Solare, infiniti sistemi planetari nella nostra galassie ed infinite galassie al di fuori di essa. Almeno una volta ognuno di noi si sarà chiesto come si è formato tutto questo, da dove deriva questa armonia cosmica, cosa c’era prima di ciò che vediamo oggi. Mentre per vari filosofi dell’antichità il cosmo era “esterno al tempo”, quindi ingenerato e imperituro, tramite il perfezionamento delle tecnologie e l’avanzamento della scienza, si sono elaborate varie teorie sulla nascita dell’universo, la più accreditata è quella del Big Bang. Ovviamente non vi sono prove sufficienti per dimostrarne rigorosamente la veridicità, ma grazie al progresso scientifico, magari in futuro potrebbe essere dimostrata.
Secondo questa teoria, da un punto di dimensioni nulle e densità infinita l’universo ha cominciato ad espandersi fino ad arrivare a come lo vediamo oggi, ancora in espansione. Si suppone, inoltre, che il Big Bang abbia dato origine al tempo stesso, ma l’incerta definizione di questo non ci permette di stabilirlo con sicurezza. Il primo picosecondo (10-12 s) che segue l’inizio dell’espansione definisce l’epoca di Planck, nella quale è probabile che le leggi della fisica moderna non funzionassero. Durante questa fase, particelle di materia e antimateria si generano e si annichiliscono di continuo. Eppure qualche particella sfugge a questo processo, inizialmente i neutrini, particelle elementari di carica nulla e massa infinitesima, e gli elettroni; successivamente, si formano i quark, particelle elementari di carica e massa variabile che costituiscono la base dei protoni e dei neutroni. Si inizia così a formare la materia base del cosmo. Per pochi secondi l’universo è ancora abbastanza caldo da permettere la fusione nucleare, e quindi la formazione di nuclei di idrogeno ed elio, carichi positivamente. Circa 10 secondi dopo il Big Bang, la temperatura cosmica inizia a diminuire, dando inizio all’epoca dei fotoni che durerà per 370.000 anni. Più o meno 20.000 anni dopo, gli elettroni si combineranno con i nuclei degli elementi più leggeri e dopo altri 30.000 anni sarà la materia a prevalere sulle radiazioni. Infine, in un periodo di 50.000 anni inizieranno a formarsi i primi atomi neutri di idrogeno, elio e litio. Questi atomi cedono energia sotto forma di fotoni, dando origine alla “radiazione cosmica di fondo”, che rimane percepibile ad oggi, permettendoci di datare e fare ipotesi sui primi 500.000 anni della vita dell’universo.
Come menzionato in precedenza, il Big Bang ha generato materia e antimateria; ma cosa si intende per antimateria? Si definisce l’antimateria come un tipo di materia composta da “antiparticelle”, ovvero particelle elementari uguali in massa al loro corrispondente, ma aventi carica opposta; viene rilasciata continuamente in processi come le collisioni di raggi cosmici o in alcuni tipi di decadimento radioattivo. Il positrone è l’antiparticella dell’elettrone, nel senso che entrambe hanno la stessa massa ma l’elettrone ha carica negativa, il positrone ha carica positiva. Una collisione fra una particella e la sua antiparticella porta alla distruzione di entrambe con il rilascio di energia e neutrini. Sono stati prodotti artificialmente antinuclei, ovvero nuclei di atomi composti da antiparticelle, di idrogeno e di elio, ma data la difficoltà di produzione non si sono ancora create quantità macroscopiche di antimateria. Uno dei problemi ancora irrisolti della fisica è “l’asimmetria barionica” conosciuta come “asimmetria materia-antimateria”: poiché teoricamente il Big Bang ha prodotto una eguale quantità di materia e antimateria, dov’è finita la rimanente antimateria? Possibili risposte sono che o le leggi della fisica agivano diversamente in quell’epoca, o che ci sono zone lontane dell’universo in cui domina l’antimateria mancante, o che il Big Bang ha generato un altro universo “specchiato”, dove il tempo scorre in maniera opposta; una risposta definitiva ancora non si è trovata.
Circa 370.000 anni dal Big Bang, inizia l’era tenebrosa. L’universo si è raffreddato notevolmente, la sua temperatura misura su per giù 60K, e questo permette alla luce di raggiungere distanze considerevoli senza ostacoli. In questo periodo non sono ancora presenti corpi luminosi, come le stelle, che si formeranno soltanto centinaia di milioni di anni più tardi. La radiazione di fondo è l’unica fonte di fotoni. La prima generazione di stelle risale a circa 150 milioni di anni dalla nascita del cosmo, ed era l’unica fonte luminosa esistente. Per la formazione di intere galassie ci vorrà molto più tempo, quasi 700 milioni di anni. Poiché nell’universo ci sono concentrazioni di materia oscura maggiori rispetto alla materia ordinaria, questa si concentra nelle zone in cui la materia oscura è più densa grazie alla forza di gravità, permettendo la formazione di gas e, di conseguenza, delle stelle. La galassia più antica scoperta ad oggi è GN-z11, tramite il telescopio Hubble, e ha circa 400 milioni di anni. Caratteristica di quest’epoca è anche la re ionizzazione: le nuove stelle generate dalla condensazione di gas emettono radiazioni che scindono gli atomi di idrogeno neutri in elettroni e protoni.
Ma da dove viene la materia oscura? La necessità dell’esistenza della materia oscura, e dell’energia oscura, deriva dalle contraddizioni fra i dati teorici sul moto delle galassie e la realtà effettiva: con i modelli che abbiamo generato dai dati elaborati, le galassie non dovrebbero affatto esistere. Data la loro grande velocità di rotazione, la gravità generata dalla loro materia ordinaria, cioè osservabile, non sarebbe sufficiente per tenerle insieme. Deve quindi esistere un altro tipo di materia o energia che permette di bilanciare questa rotazione ed è stata chiamata oscura perché, non interagendo con la forza elettromagnetica, non riflette, assorbe o emette luce. Per quest’ultimo motivo, individuarla con gli strumenti di cui disponiamo è terribilmente difficile. Ma da cosa è composta esattamente? Nonostante costituisca il 27% dell’universo, non si è certi di cosa sia. Fra le varie ipotesi, si pensa che potrebbe contenere particelle “super simmetriche”, particelle di materia che presentano determinate proprietà quantiche. Se il 30% dell’universo è composto da materia, antimateria e materia oscura, il restante 70% è formato da energia oscura. Questa energia è distribuita uniformemente nello spazio e nel tempo, provocando una forza repulsiva in tutto l’universo che provoca l’accelerazione della sua espansione, misurata tramite la legge di Hubble.
Quando inizia a dominare l’energia oscura, il sistema solare comincia a formarsi: sono passati circa 9 miliardi di anni dal Big Bang. Fra le varie teorie sulla sua formazione, la più accettata globalmente è la teoria della nebulosa. A causa della morte delle stelle di vecchia generazione, alcuni elementi pesanti vengono iniettati nel mezzo interstellare, ovvero il materiale rarefatto che si trova tra le stelle di una galassia, della zona di formazione. Fra le possibili supernove che si sono scaturite a causa della morte delle stelle, una più potente, detta “primordiale”, ha innescato la formazione del Sole. Attorno agli elementi pesanti liberati dall’esplosione, si accumulano polveri stellari e gas che compongono la nebulosa pre-solare. Diventata troppo pesante per sostenersi, collassa e tramite la quantità di energia liberata il Sole diventa una protostella. Attorno a questo, vengono attirati per la forza di gravità quantità notevoli di frammenti rocciosi e gas, che compongono il disco proto planetario. Dai materiali presenti nel disco, in circa 10 milioni anni si formano i giganti gassosi e circa 100 milioni di anni dopo si formano i pianeti terrestri. Il Sole continuerà il suo ciclo stellare e i pianeti continueranno la loro formazione. In particolare, la Terra, per la mancanza di atmosfera, è continuamente colpita da asteroidi provenienti dall’esterno del sistema solare, ma grazie a questi l’acqua arriva sulla sua superficie. Dopo la formazione della Luna e il raffreddamento della crosta terrestre, inizia la vita: da un microscopico organismo unicellulare, tramite processi evolutivi durati milioni o miliardi di anni, arriviamo a oggi: 6,5 milioni di specie uniche trovate sulla terra e 2,2 milioni nelle profondità dell’oceano. Siamo l’unica specie dotata di razionalità sulla Terra: lo siamo anche nell’universo? Vi sono molte teorie sull’esistenza di vita intelligente extraterrestre e data la sua estensione è molto probabile che in qualche sistema planetario possano nascere entità dotate di intelletto, ma ad oggi non vi sono prove concrete per confermare questa ipotesi.
Ed ora? Cosa accadrà in futuro? Vi sono molte teorie riguardo la fine dell’universo. Un fattore che influisce molto sul possibile esito finale del cosmo è la sua forma, ritenuta “piatta”, che dipende dal parametro di curvatura. Se negativo, il cosmo ha forma iperbolica, se positivo, ha forma sferica, se nullo, è piatto. Per spiegare la curvatura dello spazio ricorriamo alle geometrie non-Euclidee. Le principali geometrie non-euclidee sono la geometria sferica, la cui peculiarità è che la somma degli angoli interni di un triangolo è maggiore di 180°, e la geometria iperbolica, nella quale la somma degli angoli interni di un triangolo è minore di 180°. Per capire meglio come funziona la geometria sferica, supponendo che la Terra sia una sfera perfetta, immaginiamo di partire da un punto a caso dell’equatore e arrivare esattamente al polo nord. La nostra traiettoria forma così un angolo di 90° con l’equatore. Girando di 90°, a destra o a sinistra, e continuando ad andare avanti arriveremo nuovamente all’equatore, e ancora una volta l’angolo tra questo e la nostra traiettoria sarà di 90°. Il nostro punto di partenza e di arrivo sono congiunti da un segmento facente parte dell’equatore.
La forma dell’universo è determinata, fisicamente, dal parametro Ω, ovvero il rapporto tra la sua densità osservabile (circa 0,25 atomi di idrogeno/m3) e la densità critica nella struttura dell’universo di Friedmann (5 atomi di idrogeno/m3), un ipotetico universo statico e piatto. L’universo è piatto con Ω = 1, sferico con Ω > 1 e iperbolico con Ω < 1. Se Ω > 1, si dice chiuso: non ci sono linee parallele quindi ogni linea si incontrerà ad un certo punto dello spazio, come i meridiani del globo terrestre. Per questo, a causa della gravità l’espansione dell’universo si arresterà e cambierà verso, riportando tutta la materia in un solo punto, provocando il Big Crunch. Inoltre, secondo la teoria del Big Bounce, da questo punto scaturirà un secondo Big Bang dando origine a un nuovo universo; questa teoria permette l’esistenza di infiniti universi precedenti al nostro e, possibilmente, infiniti universi successivi. Se invece Ω < 1, si parla di universo aperto e in continua espansione. La sua fine più probabile è il “Big Rip”, nel quale l’accelerazione dell’espansione sovrasta persino le forze elettromagnetiche e gravitazionali, distruggendo le galassie e ogni corpo celeste. Nel caso di un universo piatto, verosimilmente il nostro, l’espansione procede all’infinito, rallentando sempre di più senza mai raggiungere lo 0. Fra le varie teorie che ne delineano la fine, troviamo il “Big Freeze”, scenario nel quale ogni stella prima o poi morirà, consumando tutto il carburante, lasciando spazio ai buchi neri, che a loro volta scompariranno a causa della radiazione di Hawking e la morte termica, scenario nel quale si raggiungerà lo stato di massima entropia e disordine, e verrà pervaso da un’unica sostanza distribuita omogeneamente in ogni suo punto.
Noi come esseri umani possiamo solo farci idee, ipotesi, sviluppare teorie su quella che possa essere stata l’origine del nostro universo, di tutto ciò che conosciamo, del Sole, dei pianeti del nostro sistema, di tutto ciò che ci affascina che è qui forse solo per un’incredibile coincidenza. E ugualmente, non sappiamo se tutto questo avrà mai una fine. Forse un giorno troveremo delle risposte, l’uomo scoprirà i segreti del cosmo e il destino che lo attende, ma probabilmente non sarà lì per assistervi.
Lorenzo Montano e Giuseppe Gurgone
Galinews 