Il Big Bang: storia di una singolarità
Alle origini delle origini: cos’è il Big Bang?
MATEMATICA – FISICA – SCIENZE DELLA TERRA – SCIENZE I GRADO
La nascita dell’universo ha più a che fare con una grande espansione che con un grande botto, come tutti invece ci ricordiamo. Simona Romaniello ci porta alla scoperta dei retroscena della nascita dell’universo, fra teorie accreditate e ipotesi.
di Simona Romaniello
Il Big Bang, in italiano il “Grande Botto”, è senza dubbio una delle teorie scientifiche più conosciute al mondo. Infatti, se oggi chiedete a qualsiasi persona, anche a un bambino, com’è nato l’universo, vi risponderà che esso ha avuto origine da una grande esplosione.
In realtà, non è andata proprio così: non c’è stato nessun “Grande Botto”, piuttosto bisognerebbe parlare di una rapidissima espansione. Ma a partire da quale situazione iniziale?
E da questa domanda parte la nostra storia che ha come protagonista una singolarità matematica.
Lemaître e l’atomo primitivo
Nel 1927 un fisico, astronomo e sacerdote belga, Georges Lemaître, partendo dalle equazioni della relatività generale di Einstein, propose la teoria secondo la quale l’universo avrebbe avuto inizio da un unico “atomo primigenio”, una sorta di “quanto cosmico” che racchiudeva in sé tutta la materia - energia del cosmo.
La regione di spazio in cui era concentrata tutta la materia sotto forma di energia, in condizioni di densità e temperatura estreme, è definita singolarità. L’espansione, generata dalla disintegrazione di questo atomo primordiale, portò alla creazione dell’universo.
La proposta di Lemaître fu molto osteggiata, in primis dallo stesso Einstein, sostenitore del modello di universo immutabile. Perfino il termine Big Bang, mai utilizzato da Lemaître, fu proposto in tono ironico dal fisico e maggiore sostenitore dell’universo stazionario, Fred Hoyle, nel 1949 durante una trasmissione radiofonica della BBC per indicare il Grande Botto da cui avrebbe avuto origine tutto.
Queste le sue parole: “Forse è paradossale. Ma non è ancora più paradossale l'idea che un bel sacco di roba, l'intero universo, sia nato in un attimo, dal niente? (...) Trovo più accettabile l'idea della creazione di un atomo di idrogeno all'anno che quella della nascita dell'universo da un punto”.
Nel 1932 il Nobel per la fisica Robert Millikan (a sinistra) organizzò un incontro a Pasadena (California), al quale presero parte Lemaître (al centro) e Einstein.
Crediti: Université Catholique de Louvain. (fr.wikipedia.org)
Altro motivo di disapprovazione da parte della comunità scientifica risiedeva nell’idea stessa di un atomo primigenio che rimandava subito alla creazione. Per molti scienziati, quindi, la scelta di Lemaître era dettata più dalla fede che non dalla scienza. Diceva Einstein: “Questa faccenda somiglia troppo alla Genesi, si vede bene che siete un prete”.
Qualche anno dopo la pubblicazione dell’articolo di Lemaître e le osservazioni di Hubble, Einstein dovette però ammettere che fu uno degli errori più grandi della sua vita: questo stato di singolarità iniziale era fisicamente possibile.
Singolarità
È necessario presentare la protagonista della nostra storia: la singolarità!
Una singolarità in fisica rappresenta un punto in cui le equazioni perdono significato, per esempio, nella citata teoria della relatività generale, in prossimità della singolarità la curvatura dello spaziotempo tende all’infinito e la densità della materia raggiunge valori così elevati da provocare un collasso gravitazionale dello spaziotempo.
L’esempio più famoso di singolarità è il buco nero, una regione in cui la gravità è talmente elevata da incurvare lo spaziotempo a tal punto che nulla dal suo interno può uscire, nemmeno la luce. Nel centro del buco nero c’è una singolarità circondata dal cosiddetto orizzonte degli eventi, una regione di non ritorno, valicato il quale non si può più tornare indietro né tantomeno comunicare con l’esterno.
Sempre secondo la relatività generale, lo stato iniziale dell'universo, il Big Bang, è una singolarità. Né la relatività generale né la meccanica quantistica, però, sono in grado di descrivere la fisica in prossimità di quel punto all’istante t = 0 del Big Bang.
La prima immagine dell'orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio al centro della galassia Messier 87, proposta nel 2019 e ottenuta dai radiotelescopi dell'Event Horizon Telescope. Crediti: EHT
Credit: www.eso.org/public/images/eso1907a/
La telecronaca dal Big Bang ad oggi
Seguiamo i momenti salienti della partita cosmica che ha portato alla formazione dell’universo che oggi osserviamo.
All'istante quasi zero, ossia al “tempo di Planck", 10–43 secondi dopo il Big Bang (ricordate che prima è impossibile dire qualcosa a causa della singolarità), l'universo appare caldissimo (T = 1032 K) e ha una dimensione di 10–33 cm.
Dopo 10–6 secondi dal Big Bang, in un’escalation di eventi concatenati, si formano prima i quark, da cui nascono poi neutroni e protoni, con le relative antiparticelle.
Le fasi principali del Big Bang.
Credit: NASA / WMAP Science Team
Protoni e antiprotoni si annichilano, cioè si fondono trasformandosi in luce, secondo la formula di Einstein E = mc2, seguiti poi dagli elettroni e antielettroni. Queste annichilazioni producono enormi quantità di energia sotto forma di radiazione, che dominano l’universo. Si parla infatti di Era radiativa.
A un minuto dal Big Bang la temperatura è scesa sotto i 10 miliardi di gradi kelvin. Avvengono le prime reazioni di fusione nucleare tra protoni e neutroni, che portano alla formazione dei primi nuclei atomici: deuterio, elio e litio.
Qualche migliaio di anni dal Big Bang è la materia a dominare sulla radiazione, ma la temperatura è ancora così alta che esse sono accoppiate, cioè si trasformano l'una nell'altra.
A 380 mila anni dal Big Bang avviene il colpo di scena: la temperatura scende ancora e materia e radiazione si disaccoppiano. Da questo momento l’universo diventa trasparente alla luce. Intanto, gli elettroni si uniscono ai nuclei per formare gli atomi.
Dopo qualche centinaio di milioni di anni, la temperatura è sotto i 4000 K. Gli elettroni si combinarono con i nuclei e la materia, in gran parte elettricamente neutra, può cominciare ad aggregarsi per formare le prime protogalassie.
Dopo circa 3 miliardi di anni dal Big Bang, l’universo assume un aspetto simile a quello di oggi: le galassie si uniscono in ammassi e successivamente si formano le prime stelle. A causa della continua espansione, l’universo si è raffreddato: la radiazione è molto meno energetica e appare spostata a lunghezze d'onda maggiori.
Prove a sostegno della teoria del Big Bang
La recessione delle galassie
La teoria del Grande Botto si impose grazie alle osservazioni di un astronomo americano, Edwin Hubble, che nel tempo libero era anche pugile, quindi in fatto di botte la sapeva lunga!
Nel 1929, Hubble pubblicò l’articolo in cui erano riportate le osservazioni effettuate col nuovo telescopio da 100 pollici di Mount Wilson. I dati contenuti nell’articolo mostravano che le galassie si stavano allontanando (recessione delle galassie), confermando così l’espansione dell’universo.
La formula v = H D, conosciuta oggi come legge di Hubble - Lemaître, mostra che la velocità di allontanamento delle galassie è direttamente proporzionale alla loro distanza, dove H è detta costante di Hubble.
La recessione delle galassie fu interpretata come una prova che l’universo fosse in espansione a partire da un momento definito nel passato.
Abbondanza di idrogeno ed elio
Tra i maggiori successi del modello del Big Bang c’è la quasi perfetta previsione delle abbondanze chimiche. Il “quasi” è legato all’abbondanza di litio, che comunque rappresenta una piccola percentuale della materia presente.
L’abbondanza di elementi leggeri come il deuterio, un isotopo dell’idrogeno, e l’elio è in perfetta corrispondenza con quanto previsto nel processo di nucleosintesi primordiale del Big Bang.
Radiazione cosmica di fondo
Ciò che ha permesso al modello del Big Bang di passare definitivamente da ipotesi a teoria accreditata è stata certamente la scoperta della radiazione cosmica di fondo, in inglese Cosmic Microwave Background Radiation (CMBR).
La CMBR rappresenta una sorta di eco, ossia la radiazione prodotta dopo il Big Bang.
È caratterizzata da bassa frequenza, lunghezza d'onda di circa 0,2 cm e temperatura tipica di circa 3 K ( ossia –270 °C). Nel 1990, il satellite COBE (COsmic Background Explorer) della NASA fornì la conferma che la CMBR osservata ha esattamente lo stesso profilo di intensità previsto dalla teoria del Big Bang.
Immagine della CMB ripresa dal satellite europero Planck.
Crediti: ESA and the Planck Collaboration
Cosa c’era prima del Bang?
Rispondere a questa domanda, utilizzando la teoria del Big Bang, è impossibile. Non si può definire un prima, perché un prima non esisteva, il tempo è cominciato con il Big Bang.
Tuttavia sono state proposte diverse teorie alternative al Big Bang, come per esempio il modello di universo stazionario di Fred Hoyle, ma nessuna di queste possiede la stessa solidità data dalle prove osservative.
Forse, in futuro, una teoria unificata della Gravità e della Meccanica Quantistica, definita Gravità Quantistica, permetterà di descrivere ciò che accade in prossimità di una singolarità, come nel caso del collasso di una stella massiccia in un buco nero, ma anche della nascita del cosmo.
Del resto, come sosteneva Richard Feynman, uno dei più importanti fisici della seconda metà del Novecento “... quando nessuno dei nuovi modelli sembra funzionare, cioè quando la situazione è un enorme pasticcio… ecco, una svolta è proprio dietro l'angolo!”.
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