Nasce. Cresce. Muore.
Nessuna persona o cosa è esente dal seguire questi tre verbi; ed il nostro Universo non è da meno, sebbene all’inizio del secolo scorso gran parte dei fisici pensassero che questo fosse statico, quindi fosse sempre esistito e avrebbe continuato ad esistere per sempre.
Lo stesso Einstein nel 1917 introdusse un termine nelle sue equazioni che potesse garantire la staticità dell’Universo, la ben nota costante cosmologica (il famoso errore di Einstein).
Pochi anni più tardi, nel 1929, un astrofisico americano, Edwin Hubble, scoprì che le galassie si stavano allontanando dalla Terra. L’Universo non era quindi così “noioso” come si pensava, con le galassie fisse in determinati punti, ma era in continua evoluzione.
Tuttavia questa è solamente la parte finale (per ora) del film sulla vita del nostro Universo.
Riavvolgendo il DVD vedremmo le varie galassie e ammassi di galassie avvicinarsi sempre di più. Siamo arrivati ai primi istanti del nostro DVD, quando l’Universo è quindi appena nato, ma… il DVD si interrompe quando l’Universo ha appena 380 000 anni (che, in termini umani, potremmo paragonare a poco meno di 20 ore di vita).
La prima scena che vediamo è la CMB: la radiazione cosmica di fondo.
E quindi, che facciamo?
Beh, probabilmente sarà capitato anche a voi di vedere un film, quando questo è già iniziato. Immagino anche che vi sarete arrovellati con domande come: Ma cosa è successo prima?”, “E perché questo fa questa determinata cosa?”.
E allora si parte a cercare di ricostruire la parte iniziale del film basandoci su quello che si vede.
Ed è proprio quello che hanno fatto fisici e astronomi, e che tuttora continuano a fare.
Negli anni ’20 del secolo scorso, gli scienziati iniziano a formulare la teoria del Big Bang. Secondo tale teoria, lo stato iniziale dell’Universo è uno stato estremamente denso e caldo, con l’energia concentrata in una regione piccolissima (matematicamente una singolarità) che riempie uniformemente lo spazio.
Ora, molto spesso, ci si immagina il Big Bang come un’enorme esplosione dalla quale fuoriesce tutto il nostro Universo in uno spazio preesistente. Tuttavia, questa immagine non è corretta. Infatti, se così fosse, osservando l’Universo dovremmo notare una differenza tra le zone più vicine al punto di “esplosione” e le zone più lontane. Ma questo non si osserva; anzi, si osserva una sostanziale uniformità.
Immaginate quindi il Big Bang come se foste un puntino sulla superficie di un palloncino sgonfio, pieno di altri puntini. Lo gonfiate e i puntini sulla superficie si allontanano (più o meno) uniformemente. Quando il palloncino sarà gonfio, noterete una sostanziale distribuzione omogenea di puntini intorno a voi.
Per alcuni anni la sola teoria del Big Bang sembrava funzionare alla grande: spiegava la formazione dei primi elementi chimici leggeri e la formazione di stelle e galassie.
Tuttavia, ben presto sorsero delle inconsistenze, che portarono all’aggiunta di una scena nel DVD della storia del nostro Universo, appena dopo il Big Bang. Questa scena è stata chiamata inflazione, e descrive come e perché l’Universo, improvvisamente, si espande. Tra l’altro, con l’aggiunta di tale scena, si recupera un personaggio che sembrava morto: la costante cosmologica (eh sì, anche l’errore di Einstein alla fine non era poi un errore).
Quindi, siamo seduti sul divano a vedere il nostro film, ci siamo parzialmente ricostruiti quello che potrebbe essere successo all’inizio, ma ci accorgiamo che qualcosa ancora non torna. Salta fuori, tra gli altri, il problema dell’orizzonte.
Perché, su grandi scale, vediamo l’Universo isotropo, che presenta più o meno le stesse caratteristiche in qualsiasi direzione lo osserviamo? Perché regioni che a un certo istante di tempo t non potevano comunicare (in termini tecnici, erano causalmente disconnesse) hanno le stesse caratteristiche, vedi isotropia in temperatura della CMB?
Una risposta semplicistica potrebbe essere: “Perché l’Universo è nato così”. Ma questo vorrebbe dire avere avuto un’incredibile dose di fortuna, e ai fisici spiegare le cose con la fortuna (o interventi divini) non è mai piaciuto.
Quindi deve esserci stato un meccanismo che abbia permesso alle varie zone dell’Universo di comunicare, in modo da potersi scambiare informazione, che viaggia a una velocità finita (la velocità della luce) e omogeneizzarsi.
Potete visualizzare questa cosa con il seguente esempio: prendete un cocktail e metteteci dei cubetti di ghiaccio (ah, se siete interessati alla fisica del cocktail, qui c’è l’articolo). Se volete bere una bevanda fresca, dovrete aspettare un po’, in modo che la temperatura del sistema-cocktail si equilibri.
Esistono poi altri problemi e inconsistenze, tra cui il problema della piattezza e dei relitti cosmici.
A tutti questi problemi si può rispondere con l’introduzione dell’inflazione che, ad oggi, appare lo scenario più probabile.
Quindi, che cos’è questa inflazione cosmologica?
È un periodo in cui l’Universo cresce in maniera esponenziale, molto velocemente, passando da scale subatomiche a scale del Sistema Solare e più grandi in una frazione di secondo.
E che cosa permette questa rapida espansione?
Qui torna in scena l’errore di Einstein, la costante cosmologica.
Infatti, a un certo punto nell’Universo primordiale domina proprio questa componente, la quale agisce come una sorta di gravità repulsiva che, al contrario della classica gravità, che tende ad attrarre due corpi, li allontana
Durante questa rapida espansione, l’Universo si raffredda in modo esponenziale.
L’inflazione termina quando il campo che la guidava inizia a decadere, rilasciando così energia sotto forma di radiazione, che riscalda nuovamente l’Universo.
Sebbene al momento lo scenario dell’inflazione sia il miglior candidato a spiegare le prime fasi di vita dell’Universo, una sua conferma totale non è ancora arrivata.
Una prova forte di questo modello potrebbe arrivare dallo studio della radiazione cosmica di fondo, in particolare dall’analisi dei modi B (particolari modi di polarizzazione di tale radiazione dovuti all’influenza delle onde gravitazionali primordiali predette dall’inflazione). Se tale conferma arrivasse, probabilmente vedremmo Guth e Linde (due padri della teoria dell’inflazione) insigniti del premio Nobel.
… Vedete che casino perdersi l’inizio del film?
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Andrea Marangoni Laureato in Fisica, sto terminando la laurea magistrale in Fisica ad indirizzo teorico presso l’Università degli Studi di Padova. Appassionato di scienza fin da bambino, tifoso della Juventus, nel tempo libero mi piace dedicarmi all’attività fisica.“I’m just a mad man in a box”.
Fonti:
https://www.youtube.com/watch?v=ANCN7vr9FVk: lezione introduttiva di un corso sull’inflazione al MIT tenuto da Alan Guth.
https://www.youtube.com/watch?v=0uj0HZ3HLFw: spiegazione a livello molto generale dell’inflazione
https://arxiv.org/pdf/astro-ph/9612093.pdf: articolo tecnico che riassume il modello inflazionario
