Big Bang
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In astrofisica, il termine Big Bang è usato:
- per indicare l'intervallo di tempo situato a circa 13,7 miliardi di anni fa, quando i fotoni osservati nella radiazione cosmica di fondo acquistarono il loro spettro di corpo nero
- per indicare, nel senso più generale, un ipotetico punto, chiamato singolarità, nel quale iniziò l'espansione dell'Universo osservata oggi, formalizzata dalla Legge di Hubble.
In cosmologia, la Teoria del Big Bang è la teoria scientifica predominante sui primi istanti dell'Universo e alla sua forma. I fondamentali di questa teoria affermano che l'osservazione di galassie, che appaiono allontanarsi l'una dall'altra, può essere combinata con la teoria della relatività generale, per estrapolare le condizioni dell'Universo primordiale. Questo porta alla conclusione che, andando indietro nel tempo, l'Universo diventa sempre più caldo e denso.
Questa visione porta alla conseguenza che l'Universo attuale è molto diverso da com'era nel passato e come sarà nel futuro. La teoria del Big Bang predice che, in un'era primordiale, la materia dell'Universo era abbastanza calda e densa da impedire alla luce di propagarsi liberamente nello spazio.
Nei primi anni '40 venne predetto che questo periodo dell'Universo sarebbe stato osservabile sotto forma di radiazione cosmica di fondo, e la scoperta di tale radiazione negli anni '60 portò la maggioranza degli scienziati a favorire questa teoria rispetto alla sua rivale principale, la teoria dello stato stazionario.
Secondo le teorie fisiche correnti, l'estrapolazione dell'espansione di Hubble conduce ad una singolarità gravitazionale, in corrispondenza della quale tutte le distanze si annullano e temperatura e pressione tendono all'infinito. Cosa questo significhi è poco chiaro, e la maggior parte dei fisici pensano che tali risultati derivino dalla nostra limitata comprensione delle leggi della fisica, in particolare la mancanza di una teoria della gravitazione quantistica.
Alcuni cosmologi mettono in discussione certi assunti della teoria del Big Bang e hanno sviluppato varie cosmologie non-standard.
In realtà, vi sono numerose teorie riguardo al Big Bang. Alcune cercano di spiegare la causa del Big Bang stesso, e come tali sono state criticate per essere moderni miti della creazione. Alcune persone pensano che la teoria del Big Bang dia credito alle nozioni tradizionali della creazione, come per esempio esposte nella Genesi, mentre altre pensano che tutte le teorie del Big Bang siano incompatibili con tali nozioni. La relazione tra religione e Big Bang è discussa più sotto.
Indice |
[modifica] Introduzione
Basandosi su misure dell'espansione dell'Universo, su misure delle Supernovae di tipo Ia, su misure delle disomonegeità della radiazione cosmica di fondo e della funzione di correlazione delle galassie, si pensa che il Big Bang sia avvenuto 13,7 ± 0,2 miliardi di anni fa. La sintonia di queste tre misurazioni, prese in ambiti differenti è considerata una forte evidenza in favore della teoria.
L'Universo primordiale era estremamente caldo, mentre la distribuzione dell'energia elevata e quasi uniforme. Mentre le distanze nell'Universo crescevano rapidamente, la temperatura scendeva, portando alla creazione delle forze fondamentali, delle particelle elementari, e probabilmente di atomi di idrogeno ed elio in un processo chiamato nucleosintesi primordiale.
Con il passare del tempo, le regioni leggermente più dense della materia (distribuita, quasi, ma non del tutto, uniformemente) si addensarono sotto l'effetto della gravità in gruppi, formando nubi di gas, stelle, galassie e altre strutture astronomiche. I dettagli di come la formazione ed evoluzione delle galassie avvenne, dipendono dal tipo di materia dominante nell'Universo, e i tre modelli in competizione sono conosciuti come materia oscura calda, materia oscura fredda e materia barionica. Questi tre modelli sono stati verificati simulandoli al computer, ed effettuando osservazioni della funzione di correlazione galattica.
Al momento non si sa se la singolarità primordiale, sia stata una realtà fisica, o sia un artificio matematico derivato da un'estrapolazione della relatività generale al di fuori del suo campo di applicazione. La soluzione a questo problema dipende da una teoria conosciuta come gravità quantistica, che al momento non è ancora conosciuta. Nonostante questi problemi, molti lavori teorici hanno provato ad investigare cosa accadde "prima" del Big Bang, anche se questa parola va usata in senso lato, in quanto, secondo la visione classica, il tempo nacque con il Big Bang. Alcuni di questi sforzi riguardano l'Universo ekpyrotic, ed hanno investigato anche il principio antropico.
Nella relatività generale, si parla in genere di spaziotempo e non è possibile separare chiaramente lo spazio dal tempo. Nella teoria del Big Bang, questa difficoltà non è presente: si assume che il postulato di Weyl sia corretto, e che il tempo possa essere misurato in maniera non ambigua come il "tempo dal Big Bang".
Nell'ambito della teoria, lo stesso Big Bang non viene considerato un'esplosione di materia che si muove verso l'esterno per riempire un Universo vuoto preesistente. Fu invece la nascita e la rapida crescita dell'Universo stesso, spaziotempo compreso. A causa di questo postulato, la distanza tra galassie molto distanti aumenta più velocemente della velocità della luce. Questo non vìola le regole della relatività speciale, la quale è valida solo come teoria locale. Essa stabilisce, tra le altre cose, che la materia e l'informazione non possono muoversi nello spazio più velocemente della luce, ed è empiricamente non valida per concetti spaziotemporali globali (perché ignora la forza di gravità).
[modifica] Errori comuni nell'interpretazione della teoria
Molto spesso si fanno affermazioni riguardo al Big Bang e all'espansione dell'Universo che in realtà sono false: vediamone alcuni esempi:
- L'universo al Big Bang non è esploso nello spazio, ma il Big Bang ha creato lo spazio. Tuttavia nei modelli cosmologici derivati dalla teoria delle stringhe è possibile indagare alcuni aspetti degli eventi "antecedenti" al Big Bang.
- espandere
- La velocità relativa di due oggetti cosmici distanti può superare la velocità della luce
- espandere
- La luce delle galassie remote è rossa perché lo spazio si dilata, e non per effetto Doppler
- espandere
- La distanza tra la mia testa e i miei piedi non si dilata, così come distanza corrispondente a scale più piccole delle dimensioni degli ammassi di galassie (circa 10 Mpc) perché l'epansione di cui stiamo parlando deriva dalle equazioni di Einstein della Relatività Generale qualora si assumano omogeneità ed isotropia della materia (dell'energia), e tale ipotesi è soddisfatta, per l'Universo, solo su larga scala (appunto sulla scala degli ammassi di galassie).
[modifica] Storia della teoria
Nel 1927, il fisico teorico e prete Georges Lemaître fu il primo a proporre la teoria secondo cui l'Universo avrebbe avuto inizio con l'esplosione di un "atomo primevo". In precedenza, nel 1918, l'astronomo di Strasburgo Wirtz aveva misurato un sistematico spostamento verso il rosso di certe "nebulose", e lo chiamò correzione-K, ma non sapeva delle implicazioni cosmologiche, né che le supposte nebulose erano in realtà galassie al di fuori della nostra Via Lattea.
La teoria della relatività generale di Albert Einstein, sviluppata in questi anni, ebbe come risultato che l'Universo non poteva rimanere statico, un risultato che Einstein stesso considerò sbagliato, e che cercò di correggere aggiungendo una costante cosmologica che comunque non risolveva il problema. Applicare la relatività generale alla cosmologia fu un lavoro svolto da Alexander Friedman, le cui equazioni descrivono l'universo di Friedman-Robertson-Walker.
Negli anni '30, Edwin Hubble trovò evidenze osservative che giustificavano la teoria di Lemaître. Usando di nuovo le misure di spostamento verso il rosso, Hubble determinò che le galassie distanti si stanno allontanando in ogni direzione a velocità (relativamente alla Terra) direttamente proporzionali alla loro distanza, un fatto conosciuto come Legge di Hubble.
La recessione delle galassie suggeriva due possibilità. Una, sviluppata e sostenuta da George Gamow, era che l'Universo iniziò in un tempo finito del passato per poi espandersi. L'altra era la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle, in cui nuova materia era creata mentre le galassie si allontanavano l'una dall'altra, in modo che l'Universo in ogni momento sarebbe apparso più o meno come in ogni altro momento. Per molti anni queste due teorie si divisero equamente il supporto degli scienziati.
Col tempo però, tutte le evidenze osservative davano sempre più credito alla teoria del Big Bang, e dalla metà degli anni '60 questa è stata sempre di più considerata la miglior teoria disponibile sull'origine e l'evoluzione del cosmo, e quasi tutto il lavoro teorico in cosmologia si occupa di estensioni e raffinamenti della teoria di base del Big Bang. Al momento i cosmologi si concentrano su come le galassie si sono formate nel contesto del Big Bang, capire cosa accadde al momento del Big Bang, e riconciliare le osservazioni con la teoria.
Alla fine degli anni '90 e all'inizio del XXI secolo furono fatti grossi passi avanti nella cosmologia del Big Bang, come diretto risultato di grandi avanzamenti nella tecnologia dei telescopi e di nuovi dati provenienti da satelliti come COBE e WMAP. Questi hanno permesso agli astronomi di calcolare molti dei parametri del Big Bang con maggiore precisione e hanno portato una nuova scoperta inaspettata, che l'espansione dell'Universo sembra essere in accelerazione.
Nel corso degli anni sono stati trovati molti lati deboli nella teoria del Big Bang, ma fino ad ora essi sono stati risolti da estensioni e raffinamenti come l'inflazione cosmica. Al momento (2004), non vi sono nella teoria del Big Bang debolezze tali da essere considerate fatali dalla maggioranza dei cosmologi. Comunque, alcuni ricercatori continuano a sostenere modelli cosmologici non-standard in cui il Big Bang non avviene.
La ricerca corrente tenta di raffinare la teoria del Big Bang includendo un modello della materia contenuta nell'Universo per spiegare il processo di formazione delle galassie. La maggior parte dei modelli correnti sono basati sulla nozione di materia oscura fredda, che ha soppiantato gli altri modelli di materia oscura calda e materia barionica. I modelli basati sulla materia oscura fredda hanno ancora qualche conflitto con le osservazioni, tra cui il problema delle galassie nane e il problema dell'alone a cuspide.
[modifica] Evidenze osservative
Nel descrivere le evidenze sul Big Bang, occorre distinguere tra osservazioni coerenti con altre teorie, ed altre che non lo sono . La categoria precedente include le osservazioni che portano ad ipotizzare un Universo isotropo, nel quale le galassie si allontanano l'una dall'altra, e che il cielo è scuro (vedi il paradosso di Olbers). Mentre queste osservazioni sono tutte coerenti con la teoria del Big Bang, ognuna di esse è anche coerente con almeno un'altra teoria, come la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle e l'Universo al plasma di Hannes Alfven.
Vediamo ora alcune osservazioni facilmente spiegate dal modello del Big bang, ma che incontrano difficoltà nell'essere spiegate dalle altre teorie:
[modifica] Radiazione cosmica di fondo
Una caratteristica del modello del Big Bang fu la predizione negli anni '40 della scoperta della radiazione cosmica di fondo, o CMBR dall'acronimo inglese. Secondo il modello, quando tutta la massa/energia dell'Universo emerse dall'esplosione primordiale, la densità iniziale dell'Universo dev'essere stata incredibilmente alta. Poiché la materia si raffredda quando diventa meno densa, anche la temperatura doveva essere estremamente alta. In effetti, la temperatura delle prime fasi dell'Universo doveva essere così alta che la materia come la conosciamo non poteva esistere, perché le particelle elementari erano troppo energetiche per potersi legare in atomi.
Col tempo, mentre la temperatura dell'Universo scendeva, forme più familiari di materia sarebbero emerse dal plasma primordiale. Ad un certo punto (al momento si pensa che corrisponda a 500.000 anni dopo l'inizio) la temperatura sarebbe scesa sotto i 3000 kelvin (2727°C). Sopra questa temperatura gli elettroni e i protoni sono separati, rendendo l'Universo opaco alla luce. Sotto i 3000 K, gli atomi si formano, permettendo alla luce di passare liberamente attraverso l'appena formato gas dell'Universo. Questo istante è detto disaccoppiamento fotonico, perché separa un'epoca in cui fotoni e particelle erano mescolati da una in cui erano ben definiti.
La teoria del Big Bang prevede dunque che se uno guarda abbastanza lontano nello spazio, e perciò abbastanza indietro nel tempo, vedrà alla fine il luogo dove l'Universo diviene opaco alla radiazione. La radiazione di questa regione verrà spostata verso il rosso a causa dell'espansione di Hubble. Il risultato è che lo spettro visibile della radiazione a 3000 kelvin, originantesi dalla regione opaca, viene spostato ad una temperatura molto più bassa. La radiazione dovrebbe inoltre essere quasi completamente isotropa.
Al tempo in cui vennero fatte, e per i successivi 20 anni, le predizioni della teoria del Big Bang riguardanti la radiazione cosmica di fondo vennero in genere ignorate, semplicemente perché rimanevano non verificabili a causa della tecnologia inadeguata. Inizialmente, George Gamow calcolò che la CMBR doveva apparire come una radiazione di corpo nero ad una temperatura di 50 K. Successivamente corresse i suoi calcoli e stimò la temperatura della radiazione a 5 K. Questa stima conteneva ancora un piccolo errore.
Nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson stavano conducendo una serie di osservazioni diagnostiche usando un nuovo ricevitore a microonde di proprietà dei Bell Laboratories (che era progettato per le normali comunicazioni telefoniche), e scoprirono accidentalmente la radiazione cosmica di fondo predetta originariamente da Gamow. Questa osservazione fu in seguito confermata dal gruppo Peebles all'Università di Princeton, che stavano anch'essi cercando di costruire un'antenna a microonde con un maser al rubinio per osservare questa radiazione. Penzias e Wilson non si resero conto di cosa avevano scoperto finché non contattarono il gruppo di Peebles. Essi descrissero assieme i loro risultati sull'Astrophysical Journal.
La loro scoperta fornì una conferma sostanziale delle predizioni sulla CMBR (anche se i valori erano inaccurati e dovettero essere corretti), e spostarono le opinioni della comunità scientifica verso la teoria del Big Bang. A Penzias e Wilson venne assegnato il Premio Nobel per la Fisica per la loro scoperta.
Nel 1989, la NASA lanciò il satellite Cosmic Background Explorer (COBE) e i risultati iniziali, pubblicati nel 1990, erano coerenti con la teoria del Big Bang: aveva trovato che la temperatura della radiazione era di 2,726 K, che era sostanzialmente isotropa, ed aveva confermato l'effetto di "foschia" all'aumentare della distanza, previsto dalla teoria. Durante gli anni '90, i dati furono studiati più approfonditamente per cercare le piccole anisotropie predette dalla teoria del Big Bang.
Nel 1998, le misure di anisotropia effettuate dall'esperimento su pallone BOOMERANG, frutto di una collaborazione tra Italia e Stati Uniti, hanno prodotto le prime misure accurate di anisotropie su scale di un grado, fornendo notevoli informazioni cosmologiche quali, ad esempio, l'essere nulla la curvatura dell'universo (universo piatto, si veda http://xxx.arxiv.org/abs/astro-ph/9911445).
All'inizio del 2003 furono analizzati i risultati del satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), che diedero i più accurati valori cosmologici fino ad oggi. Il satellite inoltre escluse numerosi modelli inflazionari, ma i risultati erano in generale coerenti con la teoria dell'inflazione.
[modifica] Abbondanza degli elementi primordiali
Usando il modello del Big Bang è possibile calcolare la concentrazione di elio-4, elio-3, deuterio e litio-7 nell'Universo. Tutte le loro abbondanze derivano da un singolo parametro, il rapporto tra fotoni e barioni. Le abbondanze predette sono circa il 25% per 4He, un rapporto 2H/H di circa 10-3, un rapporto 3He/H di circa 10-4 e un'abbondanza di 7Li/H di circa 10-9.
Le misure delle abbondanze primordiali di tutti e quattro gli isotopi elencati sopra sono coerenti con un unico valore di quel parametro (vedi nucleosintesi primordiale), e il fatto che le abbondanze misurate siano simili a quelle predette è visto come una prova a favore del Big Bang. Per esempio, non c'è alcuna ragione a parte il Big Bang per cui l'Universo dovrebbe avere più elio che deuterio, o più deuterio che 3He. Fino ad ora, nessun'altra teoria ha tentato di fare previsioni sulla nucleosintesi di questo genere.
Le teorie che sostengono che l'Universo ha una vita infinita, come la teoria dello stato stazionario, non spiegano l'abbondanza di deuterio nel cosmo, perché il deuterio viene facilmente distrutto nella fusione nucleare dentro le stelle, e non ci sono processi astrofisici conosciuti che possano produrlo in quantità, eccetto il Big Bang stesso. Perciò il fatto che il deuterio non è un elemento estremamente raro suggerisce che l'Universo abbia un'età finita.
Le teorie che sostengono che l'Universo ha una vita finita, ma che il Big Bang non è accaduto hanno problemi con l'abbondanza di elio-4. L'ammontare osservato di 4He è ben più grande di quello che potrebbe essere creato dalle stelle o da ogni altro processo conosciuto. D'altra parte, l'abbondanza di 4He dipende in modo poco sensibile dalle assunzioni riguardo alle densità di barioni, cambiando di solo pochi punti percentuali quando questa cambia di numerosi ordini di grandezza. Il valore osservato di 4He sembra essere nell'intervallo calcolato.
Detto questo, ci sono tre problemi teorici con la nucleosintesi del Big Bang che possono mettere in difficoltà la teoria. Il primo è che la concentrazione di barioni necessaria perché le abbondanze calcolate combacino perfettamente con quelle osservate è incoerente con un Universo composto per la maggior parte da barioni. Il secondo è che il Big Bang prevede che nessun elemento più pesante del litio possa essere stato creato nel Big Bang, mentre elementi più pesanti sono osservati nei quasar, che sono presumibilmente una delle classi di oggetti più vecchi dell'Universo. Il terzo problema è che, poiché nessun elemento più pesante del litio venne creato nel Big Bang, dovremmo poter osservare qualche stella molto anziana che non contiene alcun elemento pesante. Nessuna stella del genere è stata trovata.
La spiegazione standard per il primo problema è che la maggior parte dell'Universo non è composta da barioni. Questa spiegazione è in accordo con altre evidenze di materia oscura, come le curve di rotazione delle galassie. La spiegazione standard del secondo e terzo problema è che l'Universo attraversò un periodo di massiccia formazione stellare, creando stelle di grande massa, e che senza elementi pesanti è impossibile formare una nana rossa, il solo tipo di stella che potrebbe sopravvivere dall'inizio dell'Universo fino a noi. Questa spiegazione ha la caratteristica di predire una classe di stelle che, fino al 2004, non è stata osservata. Quindi, in alcuni anni dovremmo o averle trovate, il che supporterebbe la teoria del Big Bang, oppure non le troveremo, nel qual caso c'è la possibilità che dovremo cambiare le nostre opinioni sull'Universo in modo fondamentale.
[modifica] Evoluzione galattica e distribuzione delle quasar
Un'osservazione che è diventata sempre più importante a partire dall'inizio degli anni '70 è che, mentre l'universo sembra essere isotropo nel tempo (cioè, l'universo in una direzione somiglia molto all'universo in un'altra direzione) non è invece isotropo rispetto alla distanza, che a causa del fatto che la velocità della luce non è infinita, significa che non è isotropo nel tempo. Quando uno osserva a distanze sempre più grandi, l'universo appare molto differente. Per esempio, non esistono quasar vicini, mentre ci sono molti quasar una volta passato un certo spostamento verso il rosso, e quindi i quasar scompaiono ad una distanza ancora maggiore. In modo simile, il tipo e la distribuzione delle galassie sembrano cambiare notevolmente nel tempo, e superata una certa distanza il numero di galassie sembra diminuire notevolmente.
[modifica] Debolezze e critiche della teoria del Big Bang
Per tutta la sua storia, la teoria del Big Bang ha ricevuto un numero considerevole di critiche. Alcune di esse sono oggi più che altro di interesse storico in quanto sono state eliminate, o attraverso progressi teorici nella spiegazione dei fenomeni fisici interessati, o attraverso migliori osservazioni che hanno "falsificato" le teorie concorrenti (ad esempio, la teoria dello stato stazionario).
Altri problemi sono al giorno d'oggi considerati importanti, ma non fatali per la teoria stessa perché si ritiene che possa essere trovata una soluzione nell'ambito di un'ulteriore progresso della teoria. Essi riguardano, fra l'altro:
- il problema della natura della materia oscura fredda;
- il problema dell'alone a cuspide nel centro delle grandi distribuzioni di materia oscura;
- il problema dell'abbondanza delle galassie nane.
Fra i cosmologi, vi sono proponenti di teorie cosmologiche non-standard, che pensano che non sia mai accaduto un Big Bang. Tra questi il noto astrofisico Fred Hoyle ebbe a dire che "se niente in astrofisica può prescindere dalla fisica nota, allora il Big Bang deve essere considerato al di fuori della fisica nota".
[modifica] Il problema delle condizioni iniziali
Una domanda senza risposta è perché sia accaduto un Big Bang. La difficoltà di rispondere a questa domanda dipende dall'assenza di una teoria della gravità quantistica: quando si risale indietro nel tempo, la temperatura e la pressione salgono fino al punto in cui le leggi fisiche che governano le proprietà della materia sono sconosciute. La speranza è che, con una migliore comprensione di queste leggi, saremo in grado di rispondere alla domanda di cosa successe "prima" del Big Bang.
[modifica] Il problema dei monopoli magnetici
Il problema dell'abbondanza dei monopoli magnetici fu un'obiezione sollevata alla fine degli anni '70. In quel periodo, le teorie di grande unificazione prevedevano difetti puntuali dello spazio, che si sarebbero manifestati come monopoli magnetici, e la densità di questi monopoli era molto più grande di quanto le osservazioni mostravano. In effetti, nessun monopolo magnetico è stato mai rivelato con certezza.
Per risolvere questo problema - ed altre contraddizioni delle precedenti teorie - è nata e si è sviluppata la teoria dell'inflazione cosmica, moderna versione della teoria del Big Bang.
[modifica] Il problema dell'orizzonte
Il problema dell'orizzonte deriva dal fatto che l'informazione non può viaggiare più velocemente della luce: pertanto, due regioni dello spazio, che si allontanano l'una dall'altra più velocemente della luce, non possono comunicare. Di conseguenza, regioni dell'Universo osservato - che in passato non hanno piu' avuto modo di interagire fra di loro - dovrebbero mostrare temperature della radiazione di fondo cosmica differente, dato appunto che ha potuto agire nessun meccanismo che stabilisse un livello comune della temperatura.
Tuttavia, la temperatura misurata della radiazione di fondo è estremamente uniforme su tutto il cielo, e la stessa quindi anche per regioni dell'Universo che non hanno interagito mutualmente: negli anni Settanta, questa semplice osservazione costituiva un enorme problema per le teorie non-inflazionarie del Big Bang.
Questo problema è stato parzialmente risolto agli inizi degli anni Ottanta dalla teoria inflazionaria del Big Bang, che riduceva il problema dell'orizzonte supponendo che l'Universo primitivo aveva sperimentato un breve periodo di espansione estremamente rapida, in cui regioni che alla fine non erano più in contatto si trovavano invece all'inizio vicine tra loro, e potevano quindi equalizzare la loro temperatura.
La teoria dell'inflazione cosmica aveva predizioni precise riguardo le anisotropie che si sarebbero dovute osservare nella radiazione di fondo. All'inizio degli anni '90, ci fu eccitazione e nervosismo quando i dati del satellite COBE non trovarono inizialmente alcuna anisotropia, e numerosi modelli inflazionari furono invalidati. Se fossero passati alcuni altri anni senza alcuna scoperta di anisotropie, il Big Bang ne sarebbe uscito molto malconcio, e avrebbero dovuto cedere il passo ad altre teorie che potessero spiegare quelle osservazioni. Le cose andarono diversamente perché analisi successive iniziarono a trovare varie piccole anisotropie in sostanziale accordo con la teoria.
Il problema dell'orizzonte è ancora di grande interesse, perché permette di dedurre grandi quantità di informazione dalla radiazione cosmica di fondo. Differenti velocità di espansione risulteranno in differenti raggruppamenti della radiazione di fondo, come risultato di materiale che cade attraverso un orizzonte a tempi differenti, e questo fornisce molti dati sulle condizioni dell'Universo al tempo in cui la radiazione cosmica di fondo si formò.
[modifica] Età degli ammassi globulari
Alla metà degli anni '90 si presentò un altro grosso problema che sembrava invalidare la teoria del Big Bang. Le osservazioni degli ammassi globulari suggerivano che essi avessero un'età di circa di 15 miliardi di anni, il che era in contraddizione con il valore accettato della costante di Hubble, che comportava un'età dell'Universo di circa 10 miliardi di anni: alcune parti l'Universo apparivano essere più vecchie dell'Universo stesso.
Questo problema fu risolto alla fine degli anni '90, quando nuove simulazioni che includevano gli effetti di perdita di massa dovute ai venti stellari indicarono per gli ammassi globulari un'età molto minore.
[modifica] Dibattito sulle abbondanze degli elementi
Durante la metà degli anni '90, le misure di abbondanza dell'elio primordiale suggerirono la possibilità che le prime stelle avrebbero contenuto meno del 20% di elio. Se questo fosse stato il caso, avrebbe posto molti problemi per la teoria del Big Bang, perché è molto difficile ottenere basse concentrazioni di elio dal Big Bang. Questo problema fu risolto alla fine degli anni '90 da misure migliori sull'abbondanza dell'elio.
Come prima menzionato, ci sono anche problemi con :
- la densità di barioni
- l'osservazione di elementi pesanti nei quasar
Questi, come diverse altre osservazioni in contrasto con lo scenario teorico attuale, sono considerati problemi minori del Big Bang. L'opinione maggiormente diffusa nella comunità scientifica è che tali apparenti incongruenze verranno superate quando saranno più chiari alcuni meccanismi fisici che regolano l'evoluzione delle galassie, lasciando invariata la struttura di base della teoria. Tuttavia, non bisogna dimenticare che tali discrepanze fra teoria ed osservazioni hanno la possibilità di invalidare la teoria stessa se non verranno trovate spiegazioni adeguate.
Per esempio, il consenso è che per poter spiegare gli elementi pesanti mostrati dai quasar, è necessaria una forte e improvvisa formazione stellare. Nel 2004 erano ancora in corso molte ricerche per trovare tali stelle. Se queste stelle di Popolazione III verranno trovate, la teoria del Big Bang ne uscirà rafforzata.
Un altro argomento che influenza l'abbondanza degli elementi è la costante di struttura fine α: se il suo valore fosse cambiato anche di pochi punti percentuali, causerebbe variazioni nelle abbondanze relative.
[modifica] Spostamento verso il rosso
C'è un piccolo numero di astrofisici, inclusi Y.P. Varshni e Halton Arp, che sostengono che lo spostamento verso il rosso non dipende esclusivamente dall'espansione del cosmo, ma sia di natura intrinseca agli oggetti dotati massa. Nel quadro della teoria esposta da Narlikar e Fred Hoyle, questa interpretazione elimina completamente il bisogno di un Big Bang.
[modifica] Materia oscura
Durante gli anni '70, vennero fatte osservazioni che, assumendo che tutta la materia dell'Universo possa essere vista, creavano problemi alla teoria del Big Bang, perché essa sembrava sottostimare l'ammontare di deuterio presente e portava ad un universo che era molto più "raggrumato" di quanto osservato. Questi problemi vengono risolti se si assume che la maggior parte della materia dell'Universo non è visibile, e questa assunzione sembra essere consistente con le osservazioni che suggeriscono che la maggior parte dell'Universo sia composta da materia oscura.
Gli effetti che la materia oscura ha sui calcoli del Big Bang non dipendono in generale dalle proprietà precise della materia oscura. La proprietà principale della materia oscura, per quanto riguarda i suoi effetti sulla cosmologia, è se essa:
- consista di particelle pesanti, che si muovono quindi lentamente, creando la materia oscura fredda
- consiste di particelle leggere che si muovono quindi velocemente, creando la materia oscura calda
- consiste di materia ordinaria come la materia barionica.
[modifica] Il futuro secondo la teoria del Big Bang
Tutta la materia dell'Universo è gravitazionalmente attratta a tutto il resto della materia che si trova nell'orizzonte osservabile (che è definito dall'età dell'Universo). Questo dovrebbe causare un rallentamento progressivo del ritmo di espansione dell'Universo. Il rapporto esatto tra quanta materia è presente in un certo volume, relativamente a quanto è grande l'orizzonte e a quanto veloce l'Universo si sta espandendo in questo momento può portare ad uno di tre scenari diversi:
[modifica] Il Big Crunch
Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è abbastanza alta, allora essa può rallentare l'espansione fino a fermarla. Seguirebbe un moto di contrazione dell'universo che andrebbe inevitabilmente a finire in una "grande implosione" (in inglese Big Crunch). Perché questo scenario sia possibile la densità media dell'universo deve superare un certo limite critico solitamente indicato con Ω. Fino agli anni novanta sembrava probabile che la densità fosse inferiore alla densità critica. Misurazioni successive sembrano falsificare questa ipotesi suggerendo che la densità possa essere esattamente uguale o molto vicina a Ω. In contro vengono aperti altri interrogativi sulla cosiddetta materia oscura.
[modifica] Il Grande Congelamento (morte termica)
Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è troppo bassa, allora l'espansione non si fermerà mai. Mentre la materia si sparge in volumi sempre maggiori, le stelle smetterebbero alla fine di formarsi. La temperatura media dell'Universo si avvicinerebbe asintoticamente allo zero assoluto, e l'Universo diventerebbe immobile e quieto. Alla fine, tutti i protoni decadrebbero, i buchi neri evaporerebbero, e l'Universo consisterebbe di particelle subatomiche sparse. Il Grande Congelamento è più noto come la morte termica dell'Universo.
[modifica] Bilanciamento
Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è esattamente quella giusta, allora l'espansione dell'Universo rallenterebbe sempre più fino a fermarsi. La temperatura dell'Universo si avvicinerebbe asintoticamente ad un valore stabile poco sopra lo zero assoluto. L'entropia continuerebbe però a crescere, e il risultato finale sarebbe simile alla morte termica.
[modifica] Teoria del Big Bang e religione
Quando la teoria del Big Bang venne originariamente proposta, fu rifiutata da molti scienziati ed entusiasticamente accettata dal Papa ed altri esponenti religiosi, perché sembrava implicare un evento di creazione. Affermava ad esempio Arthur Eddington: "Filosoficamente, la nozione di un inizio del presente ordine della Natura mi ripugna e vorrei trovarvi una genuina scappatoia (a genuine loophole)". Alcuni scienziati (per esempio l'astronomo Robert Jastrow) vedono invece il Big Bang anche come la conferma del racconto dato nella Genesi.
Sempre in campo religioso, alcuni cristiani fondamentalisti, che interpretano la Bibbia in senso rigidamente letterale, rifiutano del tutto la teoria del Big Bang perché l'età dell'Universo che essa implica è molto superiore a quella suggerita da un esame letterale del libro della Genesi.
Altri ancora hanno cercato un modo per tentare di riconciliare le due età, sostenendo che la parola giorno, come usata nella Genesi, non corrisponde ad un intervallo di 24 ore: dovrebbe essere tenuto presente che Giorno, in aramaico, significa "intervallo" o "periodo di tempo". Una lettura di Genesi 1:14 indicherebbe che non erano presenti "giorni" come li intendiamo fino al Quarto Giorno, quando le luci del firmamento vennero create per dividere il giorno dalla notte. Uno dei problemi di questa interpretazione (che in ogni caso non ha alcun fondamento scientifico) è che la stessa Bibbia pone la creazione dei mari prima della creazione delle stelle: questo è, ovviamente, del tutto incompatibile non solo con la teoria del Big Bang, ma con qualsiasi altra teoria scientifica dell'origine dell'Universo.
Un autore che crede che la riconciliazione sia possibile è Gerald Schroeder: sostiene che i suoi calcoli confermano una corrispondenza tra l'età misurata dell'Universo e i sei giorni della creazione descritti nella Genesi. Tali calcoli, mai pubblicati su riviste scientifiche, sono considerati come esempio di scienza patologica dal resto della comunita' scientifica.
La maggioranza dei cattolici, suffragati dal Magistero (che nel Concilio Vaticano II, in particolare nella Costituzione Dogmatica sulla Parola di Dio Dei Verbum ha spiegato come va intesa l'espressione verità biblica), ormai ritiene che le due teorie appartengono ad ambiti diversi: secondo tale punto di vista, mentre la Parola di Dio ci dice le verità necessarie per la nostra salvezza e, più in generale, la religione si occupa del perché delle cose, la scienza si occupa invece del come le cose siano avvenute ed avvengono. La Bibbia dunque non sarebbe da leggere in modo strettamente letterale per quanto riguarda le verità scientifiche che contiene. Infatti, la teoria del Big Bang non contraddice assolutamente il racconto della Genesi una volta che questo sia inteso come narrazione metaforica, perché la teoria scientifica non risponde, al momento, alla domanda fondamentale sulla provenienza della materia, ma spiega soltanto la sua evoluzione nello spazio e nel tempo.
Parallelamente, la teoria del Big Bang non implica nessun conflitto se accostata a religioni quali l'Induismo, il Taoismo, il Kemetismo, e in generale è compatibile con tutte le religioni orientali e tutte le forme di Neopaganesimo.
[modifica] Origine del termine
Il termine "Big Bang" fu coniato nel 1949 da Fred Hoyle durante un programma radio della BBC, The Nature of Things (La Natura delle Cose). Il testo fu pubblicato nel 1950. Hoyle non sottoscriveva la teoria, ed intendeva prenderla in giro. Forse è stata anche una battuta riferita al fatto che George Gamow, al tempo il principale sostenitore della teoria, aveva anche lavorato allo sviluppo della bomba atomica.
[modifica] Voci correlate
Big Bang: Cronologia del Big Bang | Destino ultimo dell'universo | Struttura a grande scala dell'universo | Grande Rimbalzo | Big Crunch (Morte termica dell'Universo e Universo oscillante) | Big Rip | Nucleosintesi primordiale | Singolarità gravitazionale | Inflazione cosmica | Varianza cosmica | Universo di De Sitter
Creazione: Mito della creazione | Creazionismo | Stime della data della creazione
Cosmologia e Astrofisica: Breve storia del tempo | Oltre il modello standard del Big Bang | Argomento cosmologico | Formazione ed evoluzione delle galassie | Cosmologia non-standard (Evoluzione creativa, Ekpirotica, Cosmologia al plasma, Cosmologia di stringa, Sistema reciproco di teoria, e Teoria dello stato stazionario) | Buco nero primordiale | Abbondanza primordiale dell'elio | Popolazioni stellari | Cronologia della cosmologia | Astrofisica teorica | Destino ultimo dell'universo
Astronomia: Storia dell'astronomia | Cronologia della radiazione cosmica di fondo | Massive compact halo object | Nana rossa | Forma dell'universo | Stella | Buco nero supermassiccio | Universo (Struttura a grande scala dell'universo)
Persone: Hannes Alfvén | Albert Einstein | George Gamow | Fred Hoyle | Georges Lemaître | Peter Lynds | Arno Allan Penzias | Gerald Schroeder | Janez Strnad | Robert Woodrow Wilson Stephen Hawking
Argomenti di fisica correlati: Freccia del tempo | Forza elettronucleare | Distanza comovente | Effetto Compton | Energia oscura | Quintessenza | Materia oscura (Materia oscura fredda e Materia oscura calda) | Legge di Hubble | Effetto integrato di Sachs Wolfe | Monopolo magnetico | Paradosso di Olbers | Transizione di fase | Gravità quantistica | Spostamento verso il rosso | Teoria del tutto | Teoria delle stringhe | Processo triplo alfa | Postulato di Weyl
Elementi chimici: Berillio | Carbonio | Deuterio | Elio
[modifica] Bibliografia essenziale
Testi divulgativi
- Steven Weinberg, I primi tre minuti, Mondadori editore, 1977
- S. Singh, Big bang, Rizzoli, 2004, ISBN 8817003689
Articoli di carattere tecnico
- (EN) Archivio pubblico di articoli di ricerca scientifica in cosmologia ed astronomia aggiornato giornalmente
- (EN) Archivio pubblico di articoli di ricerca scientifica in cosmologia teoria e Relativita' Generale aggiornato giornalmente
- (EN) Narlikar, Jayant V. and T. Padmanabhan, "Standard Cosmology and Alternatives: A Critical Appraisal". Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 39, p. 211-248 (2001).
- (EN) Morrison, Philip, and Phylis Morrison, "The Big Bang: Wit or Wisdom?" Scientific American, Inc. 18 febbraio 2001.
- (EN) Marmet, Paul, "Big Bang Cosmology Meets an Astronomical Death".
- (EN) Melchiorri, A. et al., "[1]", Evidenza di un universo piatto dai dati di BOOMERANG.
[modifica] Collegamenti esterni
Siti di carattere divulgativo
- (EN) Wright, Edward L., "Brief History of the Universe".
- (EN) "Welcome to the History of the Universe". Penny Press Ltd.
- (EN) PBS.org, "From the Big Bang to the End of the Universe. The Mysteries of Deep Space Timeline"
- (EN) D'Agnese, Joseph, "The last Big Bang man left standing, physicist Ralph Alpher devised Big Bang Theory of universe". Discover, July, 1999.
- (EN) Ned Wright's Cosmology Tutorial
