Il Big Bang e l’evoluzione dell’universo

L'Universo nasce e si evolve dal vuoto rispondendo alle leggi della meccanica quantistica. Secondo alcuni, all'origine del Big Bang ci fu una sorta di schiuma composta di microscopiche bollicine che si formavano e scomparivano. Ma in una di esse accadde qualcosa di straordinario, la bollicina catturò dal vuoto una particella, l'inflatone, che avviò un fenomeno che i cosmologi hanno chiamato "inflazione"

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A partire dal Big Bang avvenuto 13,8 miliardi di anni fa, l’Universo si è evoluto attraversando diverse fasi. A causa delle condizioni estreme di quei primissimi istanti, ha probabilmente subito più cambiamenti durante il primo secondo che in tutti i miliardi di anni successivi.

L’Universo nasce e si evolve dal vuoto rispondendo alle leggi della meccanica quantistica. Secondo alcuni, all’origine del Big Bang ci fu una sorta di schiuma composta di microscopiche bollicine che si formavano e scomparivano. Ma in una di esse accadde qualcosa di straordinario, la bollicina catturò dal vuoto una particella, l’inflatone, che avviò un fenomeno che i cosmologi hanno chiamato “inflazione“.

In una frazione di secondo grazie all’inflazione la bollicina microscopica passa dalla dimensione di 10^ -35 metri alle dimensioni di un pallone da calcio, un oggetto macroscopico che contiene tutta la massa e l’energia che compongono oggi l’universo.

Dopo il Big Bang nascono un insieme di particelle elementari che si muovono alla velocità della luce in una sfera perfetta che non mostra nessuna forma di materia ma solo un aggregato di spazio-tempo e massa-energia. In questo piccolo Universo primordiale in espansione verranno prodotti una sequenza di avvenimenti che porteranno all’Universo che osserviamo oggi.

Dal Big Bang nasce la linea temporale dell’Universo

L’era di Planck parte da zero a circa 10^ -43 secondi (il tempo di Planck) dopo il Big Bang: in fisica il tempo di Planck è il tempo che impiega un fotone per percorrere una distanza pari alla lunghezza di Planck. È considerato il più breve intervallo di tempo misurabile. E’ anche il tempo più vicino all’inizio del Big Bang che la fisica può studiare.

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Nell’era di Planck si ritiene che le quattro forze fondamentali (elettromagnetismo, forza nucleare debole, forte forza nucleare e gravità) sono unificate in un’unica forza fondamentale, unite da una perfetta simmetria che alcuni hanno paragonato a una matita che si tiene in piedi sulla sua punta che equivale a una condizione troppo simmetrica per durare nel tempo.

Nell’era di Planck, l’Universo si estende per 10^ -35 metri e ha una temperatura di oltre 10 ^32 ° C.

L’epoca della grande unificazione, da 10^-43 secondi a 10^-36 secondi dopo il Big Bang: In questa epoca la forza di gravità si separa dalle altre forze fondamentali (che rimangono unificate) e nascono le prime particelle elementari e le loro antiparticelle.

Epoca dell’inflazione, da 10^-36 secondi a 10^-32 secondi: innescata dalla separazione della forza nucleare forte, l’universo subisce un’espansione esponenziale, nota come inflazione cosmica. Le dimensioni lineari dell’universo primitivo durante questo periodo aumentano in una frazione di secondo di un fattore che va da almeno 10^-26 a circa 10 centimetri.

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Epoca elettrodebole, da 10^-36 secondi a 10^-12 secondi: Appena la forza nucleare forte si separa dalle altre due forze, le interazioni delle particelle elementari createsi in precedenza originano un gran numero di particelle esotiche, compresi bosoni W e Z e bosoni di Higgs (il campo di Higgs rallenta le particelle conferendo loro la massa).

Epoca dei Quark, da 10^-12 secondi a 10^-6 secondi dopo il Big Bang:
Quark, elettroni e neutrini e le rispettive antiparticelle vengono creati in gran numero dopo che la temperatura dell’universo scende a meno di 10 quadrilioni di gradi, le quattro forze fondamentali assumono la loro forma attuale.

Quark e antiquark si annichilano, ma, in un processo noto come barogenesi, un surplus di quark (circa uno per ogni miliardo di coppie) sopravvive.

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Epoca degli Adroni, da 10 -6 secondi a 1 secondo:
La temperatura dell’universo scende a circa un trilione di gradi, abbastanza da consentire ai quark di formare adroni (come protoni e neutroni). Gli elettroni che si sono scontrati con i protoni nelle condizioni estreme dell’epoca Adronica si fondono per formare neutroni e rilasciare neutrini, che continuano a viaggiare liberamente ancora oggi nell’universo.

Epoca dei leptoni da 1 secondo a 3 minuti:
Dopo che la maggior parte degli adroni e degli antiadroni si sono annichilati alla fine dell’Epoca Adronica, i leptoni (gli elettroni) e antileptoni (i positroni) dominano l’universo.

Era della nucleosintesi, da 3 minuti a 20 minuti:
la temperatura dell’universo scende a circa un miliardo di gradi e i nuclei atomici iniziano a formarsi attraverso la fusione nucleare, nascono i nuclei degli elementi più semplici come l’idrogeno, l’elio e il litio. Passati i 20 minuti le condizioni mutano ancora, e la nucleosintesi si interrompe.

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Epoca dei Fotoni (Dominio delle radiazioni), da 3 minuti a 240.000 anni:
Durante questo lungo periodo di raffreddamento graduale, l’universo si riempie di plasma, una zuppa calda e opaca di nuclei atomici e elettroni. Dopo che la maggior parte dei leptoni e degli antileptoni si sono annichiliti, l’universo è dominato dai fotoni, che continuano a interagire frequentemente con il plasma.

Ricombinazione / Disaccoppiamento, da 240.000 a 380.000 anni:
Appena la temperatura dell’universo si abbassa ulteriormente portandosi a circa 3000 gradi, la densità del plasma si abbassa e i nuclei atomici dell’idrogeno e dell’elio catturano gli elettroni liberi (“ricombinazione“), neutralizzando così la loro carica elettrica. L’universo ora è trasparente alla radiazione rendendo osservabile questa lontana epoca.

Vengono rilasciati i fotoni nell’universo che fino a quel momento hanno interagito con elettroni e protoni. Questi fotoni (gli stessi che vediamo nella radiazione cosmica di fondo) ora possono viaggiare liberamente. Dopo la ricombinaziuone, l’universo è costituito da un gas formato da circa il 75% di idrogeno e il 25% di elio, con tracce di litio.

Era oscura, da 380.000 a 150 milioni di anni:
Il periodo successivo alla formazione dei primi atomi, prima della formazione delle prime stelle. Sebbene i fotoni esistano, l’universo in questo momento è letteralmente buio, in quanto privo di stelle. In questo periodo l’Universo continua a raffreddarsi e ad espandersi. Il periodo oscuro segna il dominio della materia oscura.

Epoca della reionizzazione, da 150 milioni a 1 miliardo di anni:
La materia comincia ad addensarsi, i primi quasar emettono un’intensa radiazione che ionizza l’Universo, la seconda delle due principali variazioni della fase dell’idrogeno nell’universo (il primo è il periodo della Ricombinazione). Da questo punto in poi, la maggior parte dei universo passa dall’essere neutro all’essere composto da plasma ionizzato.

Formazione delle prime stelle e galassie, 300 – 500 milioni di anni dopo il Big Bang:
La forza di gravità amplifica le lievi irregolarità presenti nella densità del gas primordiale e tasche di gas diventano sempre più dense, anche se l’Universo continua ad espandersi. Queste piccole e dense nubi di gas iniziano a collassare sotto la proprio forza di gravità, diventando abbastanza calde da innescare i processi di fusione nucleare, nascono le prime stelle.

Queste stelle sono super massicce e vivono pochi milioni di anni, sono note anche come Popolazione di tipo III e sono “prive di metalli”. Alla fine stelle di Popolazione II e poi di Popolazione I iniziano a formarsi dal materiale prodotto nei nuclei delle stelle di popolazione III che giunte alla fine del loro veloce ciclo vitale esplodono proiettndo nell’universo gli elementi pesanti.

Le stelle più grandi consumano rapidamente il loro idrogeno ed esplodono in eventi di supernova, i loro resti contribuiranno alla nascita delle successive generazioni di stelle. Con il passare del tempo le stelle cominciano ad aggregarsi intorno d un nucleo centrale e nascono le prime galassie che, in seguito grazie alla gravità si addenseranno in strutture sempre più grandi, gli ammassi e i super ammassi di galassie.

Formazione del sistema solare, 8,5 – 9 miliardi di anni dopo il Big Bang: Il nostro Sole è una stella di ultima generazione, incorpora infatti i detriti di molte generazioni precedenti di stelle e esso e il Sistema Solare si sono formati all’incirca da 4,5 a 5 miliardi di anni fa .

Oggi, 13,7 miliardi di anni dopo il Big Bang le stelle continuano a formarsi mentre l’espansione dell’universo avviene in maniera accelerata.