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Cosa sappiamo dei primi istanti del Big Bang

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I fisici stanno cercando di capire cos’è accaduto nei primi istanti del Big Bang, quando il nostro universo aveva solo pochi secondi di vita. Nonostante le difficoltà sono stati fatti notevoli progressi ma i misteri da risolvere sono ancora tanti. Tuttavia i fisici devono trovare ancora molte risposte.

Circa 13,77 miliardi di anni fa, il nostro universo era incredibilmente caldo, la sua temperatura superava un quadrilione di gradi, era estremamente denso e aveva un diametro di pochi centimetri.

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I fisici pensano che, nei primi istanti del Big Bang, l’universo attraversò un periodo di espansione incredibilmente rapida, nota come inflazione.

L’epoca inflaziomistica è stato forse il periodo più tumultuoso che l’universo ha attraversato in tutta la sua esistenza. In una frazione di secondo si è espanso ingrandendosi di un fattore di almeno 10 ^ 52.

Quando la fase di rapida espansione è terminata, qualunque fenomeno  abbia causato l’inflazione (e non siamo sicuri di cosa abbia fatto espandere lo spaziotempo) è venuto meno, inondando l’universo di materia e radiazioni.

Trascorsi pochi minuti dai primi istanti del Big Bang, si sono formati i primi elementi, l’idrogeno e l’elio. Prima di allora, l’universo era troppo caldo e troppo denso perché si potessero formare elementi stabili di qualche tipo:

l’universo neonato era fatto di un gigantesco miscuglio  di quark (i mattoni fondamentali dei nuclei atomici) e gluoni (i portatori della forza nucleare forte). 

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Qualche minuto dopo la violenta espansione, la temperatura dell’universo è scesa sufficientemente da permettere  ai quark di legarsi insieme, formando i primi protoni e neutroni. 

Protoni e neutroni hanno prodotto i primi atomi di idrogeno ed elio (e una manciata  di litio), che dopo centinaia di milioni di anni si sono aggregati in stelle e galassie.

Dopo la formazione dei primi semplici elementi composti da poche particelle elementari, l’universo si è solamente espanso diventato sempre più freddo, fino a diventare un plasma e quindi un gas neutro. 

I fisici sono relativamente sicuri che questo racconto, a grandi linee, è corretto ma sanno anche che mancano molti dettagli. Devono, ad esempio, spiegare cosa è effettivamente successo prima della sintetizzazione dei primi elementi.

Forse, nei primi istanti del Big Bang ha operato una fisica esotica che i fisici non riescono ad afferrare, ma questo non impedirà loro di provare a trovare le risposte che cercano.

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I primi istanti del Big Bang, un nuovo studio

Uno studio pubblicato sulla rivista di prestampa arXiv, e accettato per la pubblicazione su The Open Journal of Astrophysics, discute alcuni dei possibili scenari più esotici dei primi istanti del Big Bang.

Uno di questi scenari coinvolge quella che i fisici hanno chiamato materia oscura. Non abbiamo idea di cosa sia, ma sappiamo che rappresenta una buona parte della materia presente nell’universo. almeno l’80%.

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Sappiamo con relativa precisione come sia nata la materia ordinaria (o barionica), ma non sappiamo quando e come la materia oscura sia entrata nel palcoscenico dell’universo primordiale.

Un secondo scenario prende in esame un’altro fenomeno che è stato introdotto per spiegare perché l’universo è cosi omogeneo, l’inflazione cosmica.

I fisici non sanno da dove sia arrivata l’energia necessaria ad accendere il motore inflazionistico, non sanno per quale motivo sia durata quel lasso di tempo e non sanno quale fenomeno la abbia interrotta.

Un terzo scenario che non ha ancora ricevuto una spiegazione soddisfacente riguarda riguarda l’asimmetria materia-antimateria.

I fisici osservano, durante gli esperimenti, che materia e antimateria sono perfettamente simmetriche: per ogni particella di materia prodotta, ne viene prodotta una di antimateria. Tuttavia, tutte le strutture disseminate nell’universo sono composte solo dalla materia.

Deve essere successo un fenomeno nei primi istanti del Big Bang che ha rotto la simmetria materia-antimateria, ma i fisici ancora non sanno spiegare il meccanismo alla base.

Inoltre, per complicare ulteriormente le cose esiste la possibilità che l’universo primordiale abbia prodotto un grande numero di piccoli buchi neri. I buchi neri presenti nel cosmo attuale provengono tutti dalla morte di stelle massicce. 

Le stelle dotate di una massa sufficiente sono gli unici oggetti che oggi riescono a innescare la formazione di un buco nero. Ma dopo i primi istanti del Big Bang alcune regioni dell’universo potrebbero aver raggiunto una densità tale da innescare la formazione di buchi neri microscopici.

Capiremo l’universo?

Per quanto la teoria del Big Bang sia sostenuta da una grande mole di dati osservativi, ci sono molti misteri che impegneranno generazioni di cosmologi. Ma fortunatamente, abbiamo diversi strumenti a disposizione che consentono di studiare i primi istanti del Big Bang.

Ad esempio, anche se non possiamo osservare direttamente lo l’universo appena emerso dal Big Bang, possiamo provare a ricreare quelle condizioni grazie ai collisori di particelle come il Large Hadron Collider.

Se è successo qualcosa di esotico in quelle prime fasi, certamente avrà lasciato delle tracce ancora rilevabili. L’universo è mutato dallo stato di  plasma incandescente allo stato di  gas neutro 380.000 anni dopo il Big Bang. La emessa quindi è oggi rilevabile sotto forma di fondo cosmico a microonde

Se esistessero effettivamente i mini buchi neri, influenzerebbero lo schema di questa radiazione residua.

Oppure potremmo osservare i primi istanti del Big Bang grazie alle onde gravitazionali emesse in abbondanza all’epoca della nascita dell’universo dove hanno avuto origine spazio, tempo, energia e materia.

Non possediamo ancora la tecnologia per osservare direttamente quelle onde gravitazionali, ma un giorno riusciremo a perfezionare le macchine oggi in nostro possesso che ci permetteranno di completare il quadro delle nostre conoscenze.

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