Secondo il Modello Standard, l’Universo non esiste da sempre ma da un tempo finito iniziato con il Big Bang. Da allora l’Universo si è espanso diventando ciò che osserviamo oggi.
Il termine Big Bang, tradotto in grande botto, coniato dall’astronomo Fred Hoyle per irridere la teoria, può ingannare molte persone che lo associano a un’esplosione che ha scagliato nello spazio cosmico stelle, galassie e ammassi di galassie, come fossero delle schegge lanciate in tutte le direzioni.
Per quanto ne sappiamo l’Universo è iniziato a partire da uno stato denso e caldo di materia ed energia contenuta in una microscopica regione che si è espansa e raffreddata in maniera inflazionistica in una frazione di secondo dando vita ad ammassi di galassie che si allontanano ancora l’uno dall’altro.
Ma se il Big Bang non è avvenuto come un’esplosione, dov’è il suo centro se ovunque guardiamo la radiazione cosmica di fondo è sempre alla stessa distanza?
Proviamo a capirlo analizzando come avviene un’esplosione.
Un’esplosione è un improvviso e violento rilascio di energia termica e meccanica a partire da un accumulo di pressione, energia chimica, energia elettrica o nucleare, generalmente accompagnato dalla produzione ed espansione di gas ad altissima temperatura. Qualsiasi tipo di esplosione parte da uno specifico punto e inizialmente occupa un volume piccolo e finito. Una volta avvenuta si espande rapidamente verso l’esterno in ogni direzione, limitata solo dalle forze esterne e dalle barriere che incontra mentre si espande.
I materiali che un’esplosione incontra vengono catturati e spinti radialmente verso l’esterno. Il materiale più leggero che si muove a velocità maggiore si espanderà più rapidamente e arriverà più lontano del resto del materiale e di conseguenza diventerà meno denso.
Anche se la densità di energia cala ovunque, cade più velocemente lontano dal punto di origine dell’esplosione, perché il materiale più energetico diventa meno denso più velocemente alla periferia. Misurando le traiettorie di queste diverse particelle si può ricostruire dove è avvenuta l’esplosione.
Questa immagine non corrisponde a quello che è accaduto all’Universo che sembra avere lo stesso aspetto in qualsiasi direzione lo si osservi. Mostra la stessa densità, la stessa energia e lo stesso numero di galassie in un dato volume di spazio misurato.
Quelle galassie e gli ammassi distanti miliardi di anni luce sembrano allontanarsi da noi a velocità maggiori rispetto agli ammassi più vicini, e non sembrano avere la stessa età. Mentre osserviamo galassie a distanze estreme, esse appaiono più giovani, meno evolute, di numero maggiore e di dimensioni e massa inferiori di quelle vicine. Nonostante il fatto che possiamo vedere le galassie a distanze di miliardi di anni luce, se ne ripercorriamo le traiettorie a ritroso, osserviamo il più improbabile dei risultati: il “centro” percepito si ferma proprio su di noi.
L’Universo è formato da un numero enorme di galassie, forse 2000 miliardi e la nostra piccola Via lattea sarebbe esattamente al centro dell’espansione che ha generato tutto quello che osserviamo? Quante sono le probabilità che l’esplosione iniziale sia stata configurata in modo cosi preciso con il misterioso sfondo a microonde che rileviamo a 2,7 K in tutte le direzioni che osserviamo? Non sappiamo come spiegarlo, lo scenario dell’esplosione non è solo irrealistico; è in contrasto con le leggi della fisica a noi note.
La Teoria della Relatività generale di Einstein che spiega il comportamento dell’Universo a grande scala, prevede che un universo pieno di materia ed energia, con le stesse densità e temperature medie, deve espandersi o contrarsi; poiché osserviamo un’apparente recessione, la soluzione porta all’espansione.
C’è un malinteso sul fatto che l’Universo in espansione possa essere ricondotto a un singolo punto; E’ sbagliato. Invece, può essere ricondotto a una regione di dimensione finita con determinate proprietà (cioè riempita di materia e radiazione), e deve evolversi secondo le regole che la nostra teoria della gravità stabilisce.
Questo ci porta in una direzione ben precisa, l’Universo ha proprietà simili in ogni suo punto. Porzioni di spaziotempo simili dovranno mostrare la stessa densità, la stessa temperatura e lo stesso numero di galassie.
L’espansione ci porterà ad osservare l’Universo evolvere nel tempo, con le regioni più distanti che dovrebbero mostrarci la sua giovinezza essendosi all’epoca espanso meno e avendo subito meno gli effetti della gravità. Poiché il Big Bang è avvenuto dappertutto contemporaneamente 13,72 miliardi di anni fa, il nostro angolo locale di Universo sembrerà essere l’angolo più vecchio che ci sia.
Dal nostro punto di vista privilegiato, ciò che ci appare nelle vicinanze è vecchio quasi quanto noi, ma ciò che appare a grandi distanze è molto simile a come era il nostro Universo vicino molti miliardi di anni fa.
Le galassie lontane emettono costantemente luce e noi ne stiamo vedendo quella che è arrivata solo dopo aver compiuto un lungo viaggio attraverso l’Universo in espansione. La luce delle galassie lontane ci mostra oggi come questi oggetti erano all’epoca. Le galassie la cui luce ha impiegato un miliardo o dieci miliardi di anni per arrivare qui appaiono come erano un miliardo o dieci miliardi di anni fa. Se torniamo indietro, poco dopo il Big Bang stesso, scopriremmo un giovane Universo dominato dalle radiazioni, e non dalla materia. La materia avrà ragione di essere grazie all’espansione e al raffreddamento.
Con il procedere dell’espansione dello spaziotempo l’Universo si raffredda dando vita ad atomi neutri che possono cosi combinarsi senza essere nuovamente trasformati in energia. La radiazione che in passato dominava l’Universo, tuttavia, persiste e continua a raffreddarsi e spostarsi verso il rosso a causa dell’espansione della struttura spaziotemporale.
Ciò che percepiamo oggi come fondo a microonde cosmico è coerente con il bagliore residuo del Big Bang, ma è anche osservabile da qualsiasi parte dell’Universo.
L’Universo non deve avere necessariamente un centro; Questa è solo la visione che abbiamo dal nostro punto di osservazione che non cambierebbe se ci spostassimo in qualsiasi altro suo punto.
Possiamo fissare un limite inferiore alla dimensione della regione in cui deve essersi verificato il Big Bang, essa non può essere inferiore alla dimensione di un pallone da calcio o giù di lì, ma non esiste un limite superiore; la regione dello spazio in cui è avvenuto il Big Bang avrebbe potuto anche essere infinita.
Il centro dell’Universo, se esiste, potrebbe essere ovunque, ma non avremo modo di scoprirlo mai. La regione dell’Universo che possiamo osservare non è abbastanza ampia per scoprirlo. Non possiamo calcolare un punto centrale perché non possiamo osservarne un limite o osservare un’anisotropia fondamentale in cui direzioni diverse appaiono diverse (ma vediamo le stesse temperature e conteggi galattici), e avremmo bisogno di vedere un Universo diverso da regione a regione sulle grandi scale cosmiche (invece esso sembra essere omogeneo).
Chiedersi dove sia il centro dell’Universo sembra una domanda ragionevole, ma una volta capito il discorso appena fatto è una domanda sbagliata. La risposta è in realtà “ovunque” perché il Big Bang non si riferisce a un luogo speciale nello spazio, ma piuttosto a un momento speciale nel tempo.
Questo è ciò che è il Big Bang: una condizione che colpisce l’intero Universo osservabile – e forse una regione molto, molto più grande di quella – tutto in una volta in un momento specifico. È il motivo per cui guardare oggetti che sono più lontani nello spazio significa che stiamo vedendo quell’oggetto come era nel lontano passato. È per questo che tutte le direzioni sembrano avere proprietà che sono uniformi indipendentemente da dove guardiamo. Ed è per questo che possiamo risalire alla nostra storia cosmica, attraverso l’evoluzione degli oggetti che vediamo, fin dove i nostri osservatori ci permettono di andare.
Tutte le teorie a nostra disposizione e le nuove tecnologie non ci hanno ancora svelato le dimensioni dell’Universo, per ora abbiamo solo un limite inferiore che ora deve avere un raggio di almeno 46,1 miliardi di anni luce in tutte le direzioni dalla nostra prospettiva.
Non sappiamo quale sia la forma del tessuto spaziotemporale, se sia curvato positivamente come una sfera, curvato negativamente come una sella, o perfettamente piatto, come un lenzuolo o un cilindro. Non sappiamo se si incurva su se stesso o se è esteso all’infinito. Tutto ciò che sappiamo si basa su tutto ciò che possiamo osservare.
Da queste informazioni, possiamo concludere che è di dimensioni infinite, è coerente con la perfetta piattezza, ma l’informazione contraria può trovarsi oltre il nostro orizzonte cosmico osservabile. È fondamentale dunque continuare a cercare.
Non possiamo conoscere la vera struttura dell’Universo in quanto la parte a cui abbiamo accesso è finita.
C’è una quantità limitata di informazioni che siamo in grado di raccogliere sul nostro cosmo, anche se sviluppiamo strumenti e rivelatori arbitrariamente potenti. È assolutamente plausibile che anche se aspettassimo un tempo infinito, non sapremo mai se l’Universo è finito o infinito, o qual è la sua reale forma geometrica.
