Intraprendiamo oggi un breve viaggio attraverso la storia primordiale del nostro cosmo.
L’universo era un posto molto affollato durante i primi tre minuti. Il cosmo così come lo vediamo oggi si è espanso da un minuscolo granello sino alle sue attuali dimensioni.
Sono apparse le particelle elementari; i protoni e i neutroni si sono combinati, formando i primi nuclei atomici andando a riempire l’universo con i precursori degli elementi che oggi troviamo in abbondanza nel cosmo.
Grazie allo sviluppo di teorie intelligenti e alla conduzione di esperimenti con acceleratori di particelle, telescopi e satelliti, i fisici sono riusciti a riavvolgere la pellicola dell’universo di miliardi di anni fa e ad intravedere i dettagli dei primissimi momenti della storia della nostra casa cosmica.
Siete pronti per iniziare il nostro viaggio? Ok, allacciate le cinture e andiamo!
L’epoca di Planck:
Tempo: < 10-44 sec.
Benvenuti all’epoca di Planck, che prende il nome dalla scala più piccola di misurazioni ad oggi possibili nella fisica delle particelle. Questa è attualmente lo strumento che gli scienziati possono utilizzare per avvicinarsi il più possibile all’inizio del tempo.
I fisici teorici non sanno molto sui primissimi momenti dell’universo. Dopo che la teoria del Big Bang ha guadagnato popolarità, gli scienziati hanno pensato che nei primi momenti il cosmo fosse al suo massimo calore e densità e che tutte e quattro le forze fondamentali (elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale) fossero combinate in un’unica forza unificata.
Ma l’attuale quadro teorico principale per l’inizio del nostro universo non richiede necessariamente queste condizioni.
L’universo si espande:
Tempo: da 10-43 sec. a circa 10-36 sec.
In questa fase, gli scienziati ritengono che l’universo abbia subito un’espansione esponenziale superveloce, in un processo noto come inflazione.
I fisici proposero per la prima volta la teoria dell’inflazione negli anni ’80 per ovviare alle carenze della teoria del Big Bang che, nonostante la sua popolarità, non riusciva a spiegare perché l’universo fosse così piatto e uniforme e perché le sue diverse parti avessero iniziato a espandersi simultaneamente.
Durante l’inflazione, le fluttuazioni quantistiche potrebbero essersi allungate per produrre uno schema che in seguito ha determinato le posizioni delle galassie. Potrebbe essere stato solo dopo questo periodo di inflazione che l’universo è diventato una palla di fuoco calda e densa come descritto nella teoria del Big Bang.
Le particelle elementari nascono:
Tempo: ~10-36 sec.
Quando l’universo era ancora molto caldo, il cosmo era come un gigantesco acceleratore, molto più potente del Large Hadron Collider, che funzionava a energie estremamente elevate. In esso nacquero le particelle elementari che conosciamo oggi.
Gli scienziati pensano che siano arrivate per prime le particelle esotiche, seguite da quelle più familiari, come elettroni, neutrini e quark. Non è da escludere che anche le particelle di materia oscura siano apparse durante questa fase del processo evolutivo.
I quark si combinarono presto, formando i familiari protoni e neutroni, che sono collettivamente noti come barioni. I neutrini furono in grado di sfuggire a questo plasma di particelle cariche e iniziarono a viaggiare liberamente nello spazio, mentre i fotoni continuarono a essere intrappolati dal plasma.
Emergono i primi nuclei:
Tempo: da ~1 sec. a 3 min.
Gli scienziati ritengono che quando l’universo si raffreddò abbastanza da far cessare le violente collisioni, protoni e neutroni si aggregarono nei nuclei degli elementi leggeri (idrogeno, elio e litio), in un processo noto come nucleosintesi del Big Bang.
I protoni sono più stabili dei neutroni, a causa della loro massa inferiore. Infatti, un neutrone libero decade con un’emivita di 15 minuti, mentre i protoni potrebbero non decadere affatto, per quanto ne sappiamo.
Quindi, mentre le particelle si combinavano, molti protoni restavano spaiati.
Come conseguenza, l’idrogeno, formato dai protoni che non hanno mai trovato un partner, costituisce circa il 74% della massa della materia “normale” nel nostro cosmo.
Il secondo elemento più abbondante è l’elio, che costituisce circa il 24%, seguito da tracce di deuterio, litio ed elio-3 (elio con un nucleo di tre barioni).
Gli scienziati sono stati in grado di misurare con precisione la densità dei barioni nel nostro universo. La maggior parte di queste misurazioni sono in linea con le stime dei teorici su quali dovrebbero essere le quantità, ma c’è un problema persistente: i calcoli del litio sono sbagliati di un fattore tre.
Potrebbe essere che le misurazioni siano sbagliate, ma potrebbe anche essere che qualcosa di cui non siamo ancora a conoscenza sia accaduto durante questo periodo di tempo per modificare l’abbondanza di litio.
La radiazione cosmica di fondo è visibile:
Tempo: 380.000 anni.
Centinaia di migliaia di anni dopo l’inflazione, la zuppa di particelle si era raffreddata abbastanza da permettere agli elettroni di legarsi ai nuclei per formare atomi elettricamente neutri. Attraverso questo processo, noto anche come ricombinazione, i fotoni divennero liberi di attraversare l’universo, creando il fondo cosmico a microonde.
Oggi, la radiazione di fondo cosmico a microonde (CMB,CMBR) è uno degli strumenti più preziosi per i cosmologi, che ne esplorano le profondità alla ricerca di risposte a molti dei segreti più nascosti dell’universo, tra cui la natura dell’inflazione e la causa dell’asimmetria materia-antimateria.
Poco dopo che la CMB divenne rilevabile, particelle di idrogeno neutro si formarono in un gas che riempì l’universo. Senza alcun oggetto che emettesse fotoni ad alta energia, il cosmo sprofondò nell’età oscura per milioni di anni.
Le prime stelle brillano:
Tempo: ~100 milioni di anni.
L’epoca oscura terminò con la formazione delle prime stelle e con il verificarsi della reionizzazione, un processo attraverso il quale fotoni altamente energetici strapparono elettroni agli atomi di idrogeno neutri.
Gli scienziati pensano che la stragrande maggioranza dei fotoni ionizzanti sia emersa dalle stelle più antiche. Ma anche altri processi, come le collisioni tra particelle di materia oscura, potrebbero aver giocato un ruolo determinante.
In questo periodo, la materia iniziò a formare le prime galassie. La nostra galassia, la Via Lattea, contiene stelle nate quando l’universo aveva solo diverse centinaia di milioni di anni.
Il nostro sole è nato:
Tempo: 9.2 miliardi di anni.
Il sole è una delle poche centinaia di miliardi di stelle nella Via Lattea. Gli scienziati pensano che si sia formato da una gigantesca nube di gas composta principalmente da idrogeno ed elio.
Oggi:
Tempo: 13.8 miliardi di anni.
Oggi, il nostro cosmo si trova ad una temperatura fredda di 2.7 Kelvin (meno 270.42 gradi Celsius). L’universo si sta espandendo ad un ritmo crescente, in un modo simile (ma di molti ordini di grandezza più lento) all’inflazione.
I fisici ritengono che sia molto probabilmente l’energia oscura, una misteriosa forza repulsiva che attualmente rappresenta circa il 70% dell’energia del nostro universo, a determinare questa espansione accelerata.
Rientriamo alla base:
Tempo: adesso.
Siamo finalmente ritornati alla nostra amata e bistrattata Terra! E al termine di questo nostro viaggio nel tempo, possiamo dire che, il nostro universo è una sinfonia di caos e ordine, di meraviglia e mistero, un luogo dove ogni cosa esiste per un istante eterno, sospesa nel vasto abbraccio dell’infinito.
Nel prossimo articolo, affronteremo il tema dell’inflazione cosmica. Stay tuned!
Inseguendo le stelle 