The sound of silence: il Big Bang, un’esplosione silenziosa
Difficoltà

“Sia la luce!”. E la luce fu

Il Big Bang. Il più grande evento mai avvenuto. La massa di miliardi e miliardi di galassie compresse, stipate in un singolo punto microscopico che improvvisamente si è espanso, generando… Beh, tutto.

Ma è andata veramente così? La nascita dell’universo è stata veramente un Grande Scoppio? Quanto è stato rumoroso? Ma è stato rumoroso?

Tutti noi sappiamo che nel vuoto il suono non si propaga. Nessuno potrà mai sentirci cantare nello spazio, ma allora perché il Big Bang ha fatto bang?

Il suono, la musica e tutto quanto: una questione di pressione

Cos’è il suono? Perché quando parliamo sulla Terra, le persone accanto a noi ci sentono e nello spazio no?

Tutto sta nel fatto che lo spazio è vuoto. O almeno, molto più vuoto dell’atmosfera della Terra. Quando parliamo, le nostre corde vocali vibrano, proprio come le corde di una chitarra, mettendo in vibrazione le molecole di aria presenti nella nostra gola, le quali vibrando mettono a loro volta in vibrazione quelle a loro vicine e così via. Questo processo fa sì che l’onda sonora si propaghi alle molecole d’aria portando il suono alla persona a cui stiamo parlando.

Dunque la propagazione del suono sta tutta nella pressione che le nostre corde vocali esercitano sulle molecole di aria e sulla pressione che queste esercitano su altre molecole. Insomma il suono è pressione.

Chiaramente, nello spazio le molecole sono troppo poche e troppo distanti, per cui la propagazione non avviene.

Durante il Big Bang, dobbiamo però considerare che in un punto piccolissimo era concentrata tutta la materia dell’universo. Quello spazio era tutt’altro che vuoto, anzi, era ben più pieno della terra che sta sotto i vostri piedi!

[di lumina_obscura da Pixabay]

Il vagito dell’universo

Come possiamo ascoltare il suono dell’universo?

Possiamo ascoltarlo – attraverso una bellissima sinestesia – osservandolo!

Osservando l’universo possiamo misurarne la temperatura. Possiamo farlo misurando una particolare radiazione chiamata radiazione cosmica di fondo a microonde o CMB (se volete conoscerla nei minimi dettagli Sebastiano ha scritto una serie di articoli in cui la sviscera per bene, vi lascio qui il link alla prima puntata). Questa è fondamentalmente una radiazione “fossile” risalente a circa 400 000 anni dopo il Big Bang che ci dice che la temperatura media dell’universo è di circa -270° C.

Nella mappa qui sotto è rappresentata la distribuzione della temperatura in cielo: le macchie rappresentano diverse temperature, ma in ogni caso le variazioni rispetto alla temperatura media di -270°C sono dell’ordine di 0.0001-0.00001 °C. Molto piccole insomma: la temperatura è quasi costante.

Mappa delle variazioni di temperatura della CMB.
[credit Lambda]

Ok, ma dalla temperatura come estraiamo il suono? Queste variazioni di temperatura sono essenzialmente dovute ad addensamenti di materia nell’universo primordiale: le particelle per attrazione gravitazionale tendono a concentrarsi in un punto. Avvicinandosi tra di loro – proprio come nel caso del suono – provocano delle variazioni di pressione e stando più vicine fanno aumentare la temperatura.

Insomma possiamo legare temperatura a pressione, e quindi al suono.

Quando parliamo di suono, però, possiamo chiederci varie cose: quanto è stato rumoroso questo suono? Potevamo sentirlo?

Per quanto riguarda il rumore, questo viene in genere calcolato in decibel. Il decibel è proprio legato alla variazione di pressione rispetto ad un valore di riferimento. In genere questo valore di riferimento è preso come la soglia di udibilità (20 microPascal). Così facendo, per esempio, il rumore di un razzo al decollo è di circa 180 decibel. Per quanto riguarda gli esseri umani, invece, nel 2009 il gruppo heavy metal Manowar raggiunse i 139 decibel.

Un razzo al decollo produce un suono con un’intensità di 180 decibel
[di WikiImages da Pixabay]

Per il nostro giovane universo di appena 400000 anni, possiamo usare i dati sulla temperatura della CMB, prendendo come riferimento la temperatura media (-270°C). Abbiamo detto che le variazioni sono dell’ordine di 0.0001-0.00001 °C. Facendo questo semplice conto, troviamo un suono a circa 110 decibel.

Abbastanza rumoroso, ma sì, ci sono rock band più rumorose del Big Bang.

Quindi possiamo sentirlo? In questo caso la grandezza che dobbiamo prendere in considerazione è la frequenza del suono. L’orecchio umano è sensibile a frequenze che vanno dai 20 ai 20000 Hertz; i cani per esempio possono udire suoni fino quasi a 50000 Hz. Questo è il motivo per cui l’essere umano non è in grado di sentire un fischietto per cani: emette ultrasuoni, ovvero suoni oltre la soglia di udibilità dell’orecchio umano.

Per avere un’idea della frequenza del suono dell’universo 400000 anni dopo il Big Bang dobbiamo immaginare che questo sia uno strumento musicale. Prendiamo un flauto per esempio. Questo emetterà dei suoni abbastanza acuti, ovvero ad alta frequenza, se aumentiamo la lunghezza della canna la frequenza si abbasserà mano a mano che la lunghezza aumenta, fino ad arrivare a frequenze estremamente basse, per esempio, con gli organi a canne.

Ecco, ora immaginiamo che il nostro flauto sia lungo migliaia di anni luce: la frequenza sarà bassissima.

Questa, nella fattispecie, è di circa 0,00000000000001 Hz. Assolutamente non udibile per l’orecchio umano.

E prima di 400000 anni? Quello che possiamo fare è ipotizzare, attraverso simulazioni, come fosse il suono prima di questa epoca. Tuttavia di una cosa siamo abbastanza certi: le oscillazioni di materia che hanno causato fluttuazioni di temperatura e pressione all’inizio erano molto piccole, praticamente assenti. Il Big Bang è stata una gigantesca espansione ordinata, almeno all’inizio. Quindi, niente movimento di materia, niente pressione e niente suono.

Insomma più che Big Bang forse dovremmo chiamarlo Big Flash. Perché sì, fu luce, solo luce.

Per finire qui sotto vi lascio l’audio ottenuto da John Cramer dell’università di Washington, simulando i primi 760000 anni e alzando le frequenza per renderlo udibile all’orecchio umano.

[(c) John G. Cramer – 2013]

Non molto musicale eh?


Davide Laudicina

Laureato in Fisica Teorica all’Università di Milano-Bicocca, orgogliosamente Nerd, nel tempo libero ho sviluppato una dipendenza da serie TV, fumetti e libri e una malsana attitudine nel perdermi durante escursioni in montagna.

Fonti e approfondimenti

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