Universo

3.2

Teoria dello stato stazionario

Nel 1948 gli astronomi britannici Herman Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle formularono un modello di universo completamente differente, oggi noto come teoria dello stato stazionario. Trovando poco soddisfacente dal punto di vista filosofico l’idea di un inizio improvviso dell’universo, i tre scienziati proposero un’estensione del principio cosmologico sul quale si basano alcune delle precedenti teorie, tra cui quella di Fridman. Nella sua forma originaria, più ristretta, questo principio stabiliva che, in un dato istante, l’universo è mediamente identico in qualunque luogo; con il “principio cosmologico perfetto”, Bondi, Gold e Hoyle aggiunsero un secondo postulato, per cui l’universo risulta sempre identico a se stesso, in qualunque momento.

I tre scienziati non negarono l’espansione dell’universo, ma proposero l’idea che la diminuzione di densità provocata dall’espansione venga bilanciata esattamente da una continua produzione di nuova materia. Questa teoria, rivelatasi incompatibile con la scoperta della radiazione cosmica di fondo avvenuta nel 1965, trova oggi un ridotto numero di sostenitori. La teoria dell’universo stazionario è in contrasto anche con la scoperta secondo cui i quasar, oggetti extragalattici molto piccoli ma estremamente luminosi, erano in passato molto più numerosi di quanto siano oggi.

3.3

Teoria del Big Bang

Nel 1948 il fisico di origine russa George Gamow combinò la teoria di Lemaître dell’atomo primordiale con le idee di Fridman, proponendo un nuovo modello di universo, originatosi da una grande esplosione iniziale detta Big Bang cosmico. Secondo le versioni più moderne della teoria del Big Bang (anche nota come Modello standard cosmologico), la materia si sarebbe trovata inizialmente in condizioni di temperatura e densità tali da essere completamente scomposta in quark, le più “piccole” particelle elementari note fino a oggi.

A seguito dell’espansione dell’universo, la massa iniziale di energia e materia si sarebbe raffreddata e rarefatta; qualche frazione infinitesima di secondo dopo l’esplosione iniziale, i quark si sarebbero uniti a gruppi di tre a formare i protoni, i neutroni e gli altri adroni. Dopo circa tre minuti, i protoni e i neutroni si sarebbero a loro volta uniti per dare origine ai nuclei degli elementi più leggeri (idrogeno, elio e una minima quantità di litio).

Tutti gli altri elementi chimici non si sarebbero formati che alcuni miliardi di anni dopo, grazie alle reazioni nucleari che avvengono nei nuclei stellari e durante le esplosioni di supernove (vedi Nucleosintesi). A 300.000 anni dal Big Bang, nuclei ed elettroni si sarebbero infine uniti a formare gli atomi, mentre le stelle e le galassie sarebbero nate entro il primo miliardo di anni di vita dell’universo.

Mentre l’universo si espandeva, la radiazione residua del Big Bang si raffreddava; oggi la sua temperatura è di circa 3 K (-270 °C). Questa radiazione cosmica di fondo, rivelata dai radioastronomi nel 1965, costituisce una conferma molto convincente della teoria del Big Bang. La sua osservazione e il suo studio sistematico sono iniziati nel 1989, a opera del satellite americano Cosmic Background Explorer (COBE), che ne ha messo in evidenza piccole disomogeneità, di importanza fondamentale per le attuali teorie sull’evoluzione dell’universo.

Per migliorare le informazioni riportate da COBE, che ha concluso la sua orbita intorno alla Terra nel 1994, l’Agenzia spaziale europea (ESA) sta costruendo un nuovo esperimento, battezzato missione Planck, che osserverà la radiazione cosmica di fondo con una risoluzione da dieci a cento volte superiore a quella del satellite americano. Ciò significa che gli strumenti portati dal nuovo satellite potranno distinguere fra temperature delle diverse aree del cielo differenti solo per pochi decimi di grado, mentre COBE riusciva ad apprezzare solo differenze di almeno una decina di gradi.

In dati così precisi, gli astrofisici si aspettano di trovare risposta a molti quesiti ancora irrisolti sul modello standard cosmologico: il valore della costante di Hubble, la quantità di materia barionica (la materia usuale) presente nell’universo, la quantità e la natura della materia oscura, e forse anche di riuscire a decidere definitivamente se l’universo è in perpetua espansione, o se è destinato un giorno a collassare su se stesso. La missione Planck dovrebbe essere lanciata nel 2007 dalla base spaziale europea in Nuova Guinea.

4

L’evoluzione dell’universo

A tutt’oggi non si è ancora stabilito con certezza se l’universo sia aperto, in altre parole se sia destinato a espandersi indefinitamente, o se a un certo punto comincerà a contrarsi. Risolvere questo problema significa determinare se la densità media della materia sia maggiore o minore del valore critico previsto dal modello di Fridman. La massa di una singola galassia può essere calcolata osservando il moto delle stelle che la costituiscono. Se si stima la massa dell’universo semplicemente moltiplicando la massa di una galassia media per il numero delle galassie visibili, si trova un valore di densità che equivale solo al 5-10% del valore critico. Si può determinare la massa di un ammasso di galassie in modo analogo, misurando il moto delle galassie che vi appartengono e moltiplicando il risultato per il numero di ammassi. Con questo procedimento si ottiene una densità media maggiore, più vicina al valore critico.

La discrepanza tra i metodi descritti fece supporre l’esistenza di una grande quantità di materia invisibile, la cosiddetta materia oscura, che, secondo recenti studi, sarebbe presente anche all’interno delle galassie. L’esistenza della materia oscura è ormai accettata dalla quasi totalità degli scienziati, nonostante non sia stato ancora possibile costruire uno strumento in grado di rilevarla direttamente. Sulla natura della materia oscura sono state formulate molte ipotesi, nessuna delle quali si è rivelata pienamente soddisfacente; essa costituisce un problema ancora aperto al quale si dedicano insieme fisici delle particelle, che forniscono le ipotesi su quali possano essere i suoi costituenti, e cosmologi, che verificano se le proprietà delle particelle suggerite sono compatibili con le osservazioni.

Attualmente i cosmologi sono impegnati nella comprensione dei fenomeni che seguirono al Big Bang. Una delle teorie che si propone di interpretarli è la teoria dell’inflazione, proposta nei primi anni Ottanta, che introduce nella formulazione originale di Gamow alcuni concetti appartenenti alla fisica delle particelle elementari. Parallelamente, sono state sviluppate anche alcune ardite teorie speculative secondo cui, ad esempio, potrebbe essere stato prodotto non uno, ma un numero infinito di universi. Per la maggior parte, i cosmologi sono oggi concentrati su problemi aperti di notevole portata, quali la determinazione precisa della costante di Hubble, lo studio della formazione delle galassie, la natura della materia oscura e il suo ruolo nello sviluppo dell’universo primordiale. Alcuni scienziati, tra cui il premio Nobel per la fisica Hannes Alfvén, perseguono l’idea che non solo la gravità, ma anche fenomeni legati al plasma e ai campi magnetici galattici costituiscano la chiave per la comprensione della struttura e dell’evoluzione dell’universo.

5

L’evidenza della costante cosmologica

In realtà, il quadro cosmologico fin qui descritto è stato scompaginato nel 1998 dai risultati dell’esperimento statunitense Boomerang, da cui emerge l’evidenza di una costante cosmologica non nulla. In sostanza, il termine introdotto a suo tempo da Einstein nelle sue equazioni per rappresentare in linguaggio matematico un modello di universo stazionario sembra aver trovato la sua prima conferma sperimentale nell’esistenza di supernove “troppo luminose”. In estrema sintesi, per giustificare l’esistenza di tali supernove, sarebbe necessario ammettere un qualche effetto di “antigravità”, vale a dire di un’entità fisica capace di opporsi all’attrazione gravitazionale e rappresentabile matematicamente con la costante cosmologica. Oltre agli elementi emersi dagli studi delle supernove, altre conferme sono venute successivamente dall’analisi delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo. Oggi un filone importante della ricerca nel campo della cosmologia consiste nella ricerca di una definizione precisa dell’entità fisica che sta dietro alla costante cosmologica.

Vedi anche Origine dell’universo.