Cos’è la teoria del Big Bang? In poche parole, è la nostra moderna comprensione della storia e dell’evoluzione dell’universo. Non è, tuttavia, una teoria della creazione del nostro cosmo, perché ancora non comprendiamo quell’evento.
Detto questo, la teoria del Big Bang ci dice che l’intero universo osservabile, inclusi ogni atomo, ogni stella e ogni galassia in un arco di oltre 90 miliardi di anni luce, una volta era compresso in un volume non più grande di una pesca.
L’inizio
Per secoli, filosofi e scienziati hanno creduto che l’universo fosse statico. Certo, i pianeti e persino le stelle possono muoversi e occasionalmente esplodere, ma si riteneva che, alle scale più grandi, l’universo è e sarà sempre.
Questo punto di vista era così radicato che ha persino ingannato Einstein. All’inizio del 1900, applicò la sua nuova formulazione della gravità, chiamata relatività generale, all’evoluzione dell’universo nel suo insieme. Ad un certo punto, però, Einstein si rese conto che la sua teoria prevedeva un cosmo dinamico e in evoluzione, che si stava espandendo o contraendo, ma sicuramente non statico. Per risolvere questo problema, aggiunse un fattore correttivo alle sue equazioni noto come “costante cosmologica“.
Diversi anni dopo, l’astronomo Edwin Hubble annunciò uno straordinario uno-due di proporzioni cosmologiche. In primo luogo, scoprì che le galassie esistono e sono molto lontane da noi (il nostro vicino più prossimo, la galassia di Andromeda, si trova a oltre 2,5 milioni di anni luce di distanza). Poi, scoprì che, in media, tutte le galassie non appartenenti al nostro gruppo locale si stanno allontanando da noi.
Gli astronomi hanno avanzato molte potenziali spiegazioni per questo movimento apparente: che la luce stessa si sia “stancata” mentre viaggiava, o che Hubble abbia calcolato male le distanze delle galassie. Ma ulteriori prove sembrano mettere a tacere queste obiezioni. Non solo tutte le galassie si stanno allontanando da noi, ma si stanno allontanando l’una dall’altra. Gli spazi tra le galassie stavano crescendo; viviamo in un universo in espansione.
In altre parole, il nostro universo si sta evolvendo esattamente come originariamente previsto dalle equazioni di Einstein.
Mettere su uno spettacolo
Un prete e astronomo cattolico belga, Georges Lemaître, propose per primo quella che oggi chiamiamo “teoria del Big Bang” anche prima delle osservazioni di Hubble. Lemaître sosteneva che l’intero cosmo fosse un tempo compresso in un “atomo primordiale” (parole sue) che poi è esploso e si è espanso, dando vita al nostro universo moderno.
Sospettando che gli insegnamenti cattolici potessero condizionare le idee dell’astronomo belga, gli scienziati inizialmente respinsero l’idea. Ma con le osservazioni di Hubble e la matematica di Einstein, l’idea prese slancio. Tuttavia, la teoria del Big Bang non si sarebbe affermata fino agli anni ’50.
L’idea fondamentale alla base della teoria è che il nostro universo si sta evolvendo e cambiando; era diverso in passato e sarà diverso in futuro. Questo è stato un allontanamento radicale da ogni modello cosmologico considerato fino a quel momento, ma almeno ha reso relativamente facile testare l’idea.
Se il nostro universo fosse stato più piccolo in passato, avrebbe dovuto avere anche densità e temperature più elevate. Ad un certo punto, molto tempo fa, tutto il materiale nell’universo doveva essere stato stipato in un volume abbastanza piccolo che la sua temperatura e densità avrebbero trasformato in un plasma, uno stato della materia in cui gli elettroni si separano dagli atomi. Ma man mano che l’universo si espandeva e si raffreddava, si convertiva da quello stato in un gas neutro, rilasciando un flusso di radiazioni che è persistito fino ai giorni nostri, inondando il cielo.
Nel 1964, due ingegneri radiofonici, Arno Penzias e Robert Wilson, mentre testavano un nuovo ricevitore a microonde per i Bell Labs persero più di un anno cercando di rimuovere un sibilo di sottofondo ostinato nel loro segnale. Alla fine si accorsero che avevano scoperto per caso la radiazione rimasta da quando il nostro cosmo si è raffreddato dal suo stato di plasma: il fondo cosmico a microonde.
Un universo moderno
Mezzo secolo dopo, il modello cosmologico basato sul Big Bang rimane l’unica teoria in grado di spiegare la nostra ricchezza di dati cosmologici. I cosmologi (una nuova branca della scienza sviluppatasi grazie alle scoperte di Hubble) hanno scoperto che il Big Bang può spiegare l’espansione dell’universo, la comparsa del fondo cosmico a microonde, l’abbondanza di elementi leggeri, la formazione di strutture come le galassie e molto di piu.
Nella nostra immagine moderna, l’universo ha circa 13,77 miliardi di anni e il diametro dell’universo è di circa 90 miliardi di anni luce. Non abbiamo la conoscenza necessaria della fisica per comprendere le condizioni estreme dei primi istanti del cosmo, specialmente quando si tratta di capire come l’universo sia nato. Ma già da poche frazioni di secondo dopo il Big Bang, abbiamo una gestione relativamente decente della sequenza temporale:
- Entro la prima frazione di secondo, il nostro cosmo ha subito un periodo di espansione estremamente rapida noto come inflazione. Questo evento ha diffuso i semi gravitazionali che in seguito si sono trasformati in ammassi di materia come stelle e galassie.
- Entro una o due dozzine di minuti, tutto l’idrogeno e l’elio nel cosmo si sono fusi in una zuppa di particelle fondamentali.
- Alla veneranda età di 380.000 anni, il plasma si è raffreddato abbastanza lasciando dietro di sé il fondo cosmico a microonde.
- Stelle e galassie si accesero per la prima volta nell'”alba cosmica” poche centinaia di milioni di anni dopo.
- Poi son comparse le galassie raggruppate insieme per formare ammassi, filamenti e pareti in uno schema noto come la rete cosmica, che vediamo ai giorni nostri.
Lasciato al buio
La formulazione moderna dell’immagine del Big Bang è nota come modello ΛCDM (pronunciato lambda CDM), e quell’acronimo sta essenzialmente per “abbiamo molto di più da imparare“.
La lettera greca Λ (lambda) risale ai tentativi di Einstein di stabilizzare l’universo. Alla fine degli anni ’90, due squadre di astronomi stavano cercando di misurare la decelerazione dell’espansione dell’universo, che doveva essere causata dall’attrazione gravitazionale di tutta la materia in esso contenuta. Invece, hanno scoperto che l’espansione sta accelerando: il nostro universo sta diventando sempre più grande, sempre più veloce ogni giorno. Il modo più semplice per modellare questa accelerazione è con l’errore di Einstein, la costante cosmologica, che è indicata con Λ. Oggi la chiamiamo energia oscura.
Le misurazioni attuali stimano che tutta la materia (sia normale che oscura) costituisca solo il 32 percento di tutto il contenuto dell’universo, mentre il resto è energia oscura. Questa forza misteriosa si è attivata circa cinque miliardi di anni fa, ed è attualmente in procinto di fare a pezzi la rete cosmica.
C’è ancora molto lavoro da fare: comprendere la materia oscura e l’energia oscura, capire il processo di formazione della struttura, scrutare i primi momenti del Big Bang e altro ancora. Ma un secolo di lavoro sul modello del Big Bang ha fornito una storia ricca, avvincente e basata su prove della storia del nostro universo, quella in cui, in passato, il nostro cosmo era più piccolo e più caldo e continua ad espandersi nel futuro.
