Il Big Bang non fu l’inizio dell’universo

Ecco come sappiamo che il Big Bang non fu l'inizio dell'universo

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Da dove viene tutto questo? In ogni direzione che ci interessa osservare, troviamo stelle, galassie, nubi di gas e polvere, tenui plasmi e radiazioni che abbracciano la gamma di lunghezze d’onda: dal radio all’infrarosso alla luce visibile ai raggi gamma. Non importa dove o come guardiamo l’universo, è pieno di materia ed energia assolutamente ovunque e in ogni momento. Eppure, è naturale presumere che tutto provenga da qualche parte. Se vuoi conoscere la risposta alla domanda più grande di tutte – la domanda sulle nostre origini cosmiche – devi porre la domanda all’universo stesso e ascoltare ciò che ti dice.

Oggi, l’universo come lo vediamo si sta espandendo, rarefacendo (diventando meno denso) e raffreddandosi. Anche se si è tentati di estrapolare semplicemente in avanti nel tempo, quando le cose saranno ancora più grandi, meno dense e più fredde, le leggi della fisica ci consentono di estrapolare all’indietro altrettanto facilmente. Molto tempo fa, l’universo era più piccolo, più denso e più caldo. Quanto indietro possiamo portare questa estrapolazione? Matematicamente, si è tentati di andare il più lontano possibile: fino a dimensioni infinitesimali e densità e temperature infinite, o ciò che conosciamo come singolarità. Questa idea, di un inizio da una singolarità per lo spazio, il tempo e l’universo, è stata a lungo conosciuta come Big Bang.

Ma fisicamente, quando abbiamo guardato abbastanza da vicino, abbiamo scoperto che l’universo raccontava una storia diversa. Ecco come sappiamo che il Big Bang non fu l’inizio dell’universo.

Sono stati eseguiti innumerevoli test scientifici della teoria della relatività generale di Einstein, sottoponendo l’idea ad alcuni dei vincoli più rigorosi mai ottenuti dall’umanità. La prima soluzione di Einstein fu per il limite del campo debole attorno a una singola massa, come il Sole; ha applicato questi risultati al nostro Sistema Solare con straordinario successo. Molto rapidamente, in seguito sono state trovate altre soluzioni esatte. ( Credito : collaborazione scientifica LIGO, T. Pyle, Caltech/MIT)

Come la maggior parte delle storie scientifiche, l’origine del Big Bang ha le sue radici sia in ambito teorico che sperimentale/osservatorio. Per quanto riguarda la teoria, Einstein presentò la sua teoria della relatività generale nel 1915: una nuova teoria della gravità che cercava di rovesciare la teoria della gravitazione universale di Newton. Sebbene la teoria di Einstein fosse molto più intricata e complicata, non passò molto tempo prima che si trovassero le prime soluzioni esatte.

  1. Nel 1916, Karl Schwarzschild trovò la soluzione per una massa puntiforme, che descrive un buco nero non rotante.
  2. Nel 1917, Willem de Sitter trovò la soluzione per un universo vuoto con una costante cosmologica, che descrive un universo in espansione esponenziale.
  3. Dal 1916 al 1921, la soluzione di Reissner-Nordström, trovata indipendentemente da quattro ricercatori, descrisse lo spaziotempo per una massa carica, sfericamente simmetrica.
  4. Nel 1921, Edward Kasner trovò una soluzione che descriveva un universo anisotropo privo di materia e radiazioni: diverso in diverse direzioni.
  5. Nel 1922, Alexander Friedmann scoprì la soluzione per un universo isotropo (uguale in tutte le direzioni) e omogeneo (uguale in tutte le posizioni), in cui sono presenti tutti i tipi di energia, comprese la materia e la radiazione.
Un’illustrazione della nostra storia cosmica, dal Big Bang fino al presente, nel contesto dell’universo in espansione. La prima equazione di Friedmann descrive tutte queste epoche, dall’inflazione al Big Bang al presente e al lontano futuro, in modo perfettamente accurato, anche oggi. (Credito : team scientifico NASA/WMAP)

Quest’ultimo è stato molto avvincente per due motivi. Uno è che sembrava descrivere il nostro universo su scale più grandi, dove le cose appaiono simili, in media, ovunque e in tutte le direzioni. E due, risolvendo le equazioni che governano questa soluzione – le equazioni di Friedmann – si scopre che l’universo che descrive non può essere statico, ma deve espandersi o contrarsi.

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Quest’ultimo fatto è stato riconosciuto da molti, incluso Einstein, ma non è stato preso particolarmente sul serio fino a quando le prove osservative non hanno iniziato a sostenerlo. Negli anni ’10, l’astronomo Vesto Slipher iniziò ad osservare alcune nebulose, che alcuni sostenevano potessero essere galassie al di fuori della nostra Via Lattea, e scoprì che si muovevano velocemente: molto più velocemente di qualsiasi altro oggetto all’interno della nostra galassia. Inoltre, la maggior parte di loro si stava allontanando da noi, con nebulose più deboli e più piccole che generalmente sembravano muoversi più velocemente.

Poi, negli anni ’20, Edwin Hubble iniziò a misurare le singole stelle in queste nebulose e alla fine ne determinò le distanze. Non solo erano molto più lontane di qualsiasi altra cosa nella galassia, ma quelle a distanze maggiori si stavano allontanando più velocemente di quelle più vicini. Mentre Lemaître, Robertson, Hubble e altri si mettevano rapidamente insieme, l’universo si stava espandendo.

La trama originale di Edwin Hubble delle distanze galattiche rispetto allo spostamento verso il rosso (a sinistra), che stabilisce l’universo in espansione, rispetto a una controparte più moderna di circa 70 anni dopo (a destra). In accordo sia con l’osservazione che con la teoria, l’universo si sta espandendo. ( Credito : E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

Georges Lemaître fu il primo, nel 1927, a riconoscerlo. Dopo aver scoperto l’espansione, ha estrapolato all’indietro, teorizzando – come farebbe qualsiasi matematico competente – che si poteva andare indietro quanto si voleva: a quello che chiamava l’atomo primordiale. All’inizio, si rese conto, l’universo era un insieme caldo, denso e in rapida espansione di materia e radiazioni, e tutto ciò che ci circondava emergeva da questo stato primordiale.

Questa idea è stata successivamente sviluppata da altri per fare una serie di previsioni aggiuntive:

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  1. L’universo, come lo vediamo oggi, è più evoluto di quanto non fosse in passato. Più indietro guardiamo nello spazio, più indietro guardiamo anche nel tempo. Quindi, gli oggetti che vediamo allora dovrebbero essere più giovani, meno grumosi gravitazionalmente, meno massicci, con meno elementi pesanti e con una struttura meno evoluta. Dovrebbe esserci anche un punto oltre il quale non erano presenti né stelle né galassie.
  2. Ad un certo punto, la radiazione era così calda che gli atomi neutri non potevano formarsi stabilmente, perché la radiazione avrebbe cacciato via in modo affidabile gli elettroni dai nuclei a cui stavano tentando di legarsi, e quindi dovrebbe esserci un bagno avanzato, ora freddo e scarso. di radiazione cosmica.
  3. In un momento estremamente precoce sarebbe stato così caldo che persino i nuclei atomici sarebbero saltati in aria, il che implica che c’era una prima fase pre-stellare in cui si sarebbe verificata la fusione nucleare: la nucleosintesi del Big Bang. Da ciò, ci aspettiamo che ci sia stata almeno una popolazione di elementi leggeri e i loro isotopi diffusi in tutto l’universo prima che si formassero le stelle.
Una storia visiva dell’universo in espansione include lo stato caldo e denso noto come Big Bang e la successiva crescita e formazione della struttura. La suite completa di dati, comprese le osservazioni degli elementi luminosi e del fondo cosmico a microonde, lascia solo il Big Bang come valida spiegazione per tutto ciò che vediamo. (Credito : NASA/CXC/M. Weiss)

Insieme all’universo in espansione, questi quattro punti sono la pietra angolare del Big Bang. La crescita e l’evoluzione della struttura su larga scala dell’universo, delle singole galassie e delle popolazioni stellari trovate all’interno di quelle galassie convalidano tutte le previsioni del Big Bang. La scoperta di un bagno di radiazioni a soli ~ 3 K sopra lo zero assoluto – combinato con il suo spettro del corpo nero e le imperfezioni di temperatura a livelli di microkelvin da decine a centinaia – è stata la prova chiave che ha convalidato il Big Bang ed eliminato molte delle sue alternative più popolari. E la scoperta e la misurazione degli elementi leggeri e dei loro rapporti – tra cui idrogeno, deuterio, elio-3, elio-4 e litio-7 – ha rivelato quale tipo di fusione nucleare si è verificata prima della formazione delle stelle.

Estrapolare fino a dove le tue prove possono portarti è un enorme successo per la scienza. La fisica che ha avuto luogo durante le prime fasi del caldo Big Bang si è impressa nell’universo, consentendoci di testare i nostri modelli, teorie e comprensione dell’universo da quel momento. La prima impronta osservabile, infatti, è il fondo del neutrino cosmico, i cui effetti si manifestano sia nel fondo cosmico a microonde (la radiazione residua del Big Bang) sia nella struttura su larga scala dell’universo. Questo sfondo di neutrini ci arriva, notevolmente, da solo ~ 1 secondo nel caldo Big Bang.

Se non ci fossero oscillazioni dovute all’interazione della materia con la radiazione nell’universo, non ci sarebbero oscillazioni dipendenti dalla scala nell’ammasso di galassie. Le oscillazioni stesse, mostrate con la parte non oscillante sottratta (in basso), dipendono dall’impatto dei neutrini cosmici teorizzati per essere presenti dal Big Bang. La cosmologia standard del Big Bang corrisponde a =1. (Credito : D. Baumann et al., Nature Physics, 2019)

Ma estrapolare oltre i limiti delle tue prove misurabili è un gioco pericoloso, anche se allettante. Dopotutto, se riusciamo a far risalire il caldo Big Bang indietro di circa 13,8 miliardi di anni, fino a quando l’universo aveva meno di 1 secondo, che male c’è nel tornare indietro di un secondo in più: fino alla singolarità prevista esistere quando l’universo aveva 0 secondi?

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La risposta, sorprendentemente, è che c’è un’enorme quantità di danno – se sei come me nel considerare dannoso “fare supposizioni infondate e errate sulla realtà“. La ragione per cui questo è problematico è perché iniziare da una singolarità – a temperature arbitrariamente alte, densità arbitrariamente alte e volumi arbitrariamente piccoli – avrà conseguenze per il nostro universo che non sono necessariamente supportate da osservazioni.

Ad esempio, se l’universo è iniziato da una singolarità, allora deve essere sorto con esattamente il giusto equilibrio di “roba” in esso – materia ed energia combinate – per bilanciare con precisione il tasso di espansione. Se ci fosse stata solo un po’ più di materia, l’universo inizialmente in espansione sarebbe collassato. E se ce ne fosse stata un pochino in meno, le cose si sarebbero espanse così rapidamente che l’universo sarebbe molto più grande di quanto non sia oggi.

singolarità
Se l’universo avesse avuto solo una densità leggermente più alta (rosso), sarebbe già crollato; se avesse avuto solo una densità leggermente inferiore, si sarebbe espanso molto più velocemente e sarebbe diventato molto più grande. Il Big Bang, da solo, non offre alcuna spiegazione sul perché il tasso di espansione iniziale al momento della nascita dell’universo equilibri così perfettamente la densità energetica totale, senza lasciare spazio per la curvatura spaziale. (Credito : tutorial sulla cosmologia di Ned Wright)

Eppure, invece, quello che stiamo osservando è che il tasso di espansione iniziale dell’universo e la quantità totale di materia ed energia al suo interno si bilanciano perfettamente per quanto possiamo misurare.

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Come mai?

Se il Big Bang è iniziato da una singolarità, non abbiamo alcuna spiegazione; dobbiamo semplicemente affermare che “l’universo è nato in questo modo“.

Allo stesso modo, ci si aspetterebbe che un universo che ha raggiunto temperature arbitrariamente elevate possieda relitti rimanenti ad alta energia, come monopoli magnetici, ma non ne osserviamo nessuno. Ci si aspetterebbe anche che l’universo abbia temperature diverse in regioni che sono causalmente disconnesse l’una dall’altra – cioè, sono in direzioni opposte nello spazio ai nostri limiti di osservazione – e tuttavia si osserva che l’universo ha temperature uguali ovunque con una precisione del 99,99% +.

Siamo sempre liberi di fare appello alle condizioni iniziali come spiegazione per qualsiasi cosa, e dire: “beh, l’universo è nato in questo modo, e basta“. Ma siamo sempre molto più interessati, come scienziati, a trovare una spiegazione per le proprietà che osserviamo.

Nel pannello superiore, il nostro universo moderno ha le stesse proprietà (inclusa la temperatura) ovunque perché ha avuto origine da una regione che possiede le stesse proprietà. Nel pannello centrale, lo spazio che avrebbe potuto avere qualsiasi curvatura arbitraria viene gonfiato al punto in cui oggi non possiamo osservare alcuna curvatura, risolvendo il problema della planarità. E nel pannello inferiore, le reliquie ad alta energia preesistenti vengono gonfiate, fornendo una soluzione al problema delle reliquie ad alta energia. È così che l’inflazione risolve i tre grandi enigmi che il Big Bang da solo non può spiegare. (Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Questo è esattamente ciò che ci offre l’inflazione cosmica, e altro ancora. L’inflazione estrapola il caldo Big Bang a uno stato molto precoce, molto caldo, molto denso, molto uniforme, ma fermati prima di tornare indietro fino a una singolarità. Se vuoi che l’universo abbia il tasso di espansione e la quantità totale di materia ed energia in esso bilanciate, avrai bisogno di un modo per impostarlo in quel modo. Lo stesso vale per un universo con le stesse temperature ovunque. In una nota leggermente diversa, se vuoi evitare le reliquie ad alta energia, hai bisogno di un modo sia per sbarazzarti di quelle preesistenti, sia per evitare di crearne di nuove impedendo al tuo universo di diventare troppo caldo ancora una volta.

L’inflazione realizza questo postulando un periodo, prima del caldo Big Bang, in cui l’universo era dominato da una grande costante cosmologica (o qualcosa che si comporta in modo simile): la stessa soluzione trovata da de Sitter nel lontano 1917. Questa fase allunga l’universo piatto, gli conferisce le stesse proprietà ovunque, elimina qualsiasi residuo preesistente ad alta energia e ci impedisce di generarne di nuovi limitando la temperatura massima raggiunta dopo la fine dell’inflazione e il conseguente Big Bang. Inoltre, assumendo che durante l’inflazione siano state generate fluttuazioni quantistiche e che si siano estese attraverso l’universo, si fanno nuove previsioni per quali tipi di imperfezioni inizierebbe l’universo.

Le fluttuazioni quantistiche che si verificano durante l’inflazione si estendono attraverso l’universo e quando l’inflazione termina, diventano fluttuazioni di densità. Ciò porta, nel tempo, alla struttura su larga scala dell’universo odierno, nonché alle fluttuazioni di temperatura osservate nel CMB. Nuove previsioni come queste sono essenziali per dimostrare la validità di un meccanismo di messa a punto proposto. (Credit: E. Siegel; ESA/Planck e la Task Force interagenzia DOE/NASA/NSF sulla ricerca CMB)

Da quando è stata ipotizzata negli anni ’80, l’inflazione è stata testata in vari modi rispetto all’alternativa: un universo che ha avuto inizio da una singolarità. Quando impiliamo la scorecard, troviamo quanto segue:

  1. L’inflazione riproduce tutti i successi del caldo Big Bang; non c’è niente che il caldo Big Bang spieghi che l’inflazione non possa spiegare.
  2. L’inflazione offre spiegazioni di successo per le cose su cui possiamo semplicemente dire “condizioni iniziali” con l’ipotesi del caldo Big Bang.
  3. Delle previsioni in cui l’inflazione e un Big Bang caldo senza inflazione differiscono, quattro di esse sono state testate con una precisione sufficiente per discriminare tra i due. Su questi quattro fronti, l’inflazione è 4-su-4, mentre il caldo Big Bang ottiene 0-su-4.

Ma le cose si fanno davvero interessanti se guardiamo indietro alla nostra idea di “inizio”. Mentre un universo con materia e/o radiazione – ciò che otteniamo con il caldo Big Bang – può sempre essere estrapolato a una singolarità, un universo inflazionario non può. A causa della sua natura esponenziale, anche se si esegue l’orologio indietro di una quantità infinita di tempo, lo spazio si avvicinerà solo a dimensioni infinitesimali e temperature e densità infinite; non raggiungerà mai uno stato di singolarità. L’idea che “l’universo abbia avuto inizio da una singolarità, e questo è ciò che è stato il Big Bang“, doveva essere abbandonata nel momento in cui abbiamo riconosciuto che una fase inflazionistica ha preceduto quella calda, densa e piena di materia e radiazioni in cui abitiamo oggi.

singolarità
Le linee blu e rosse rappresentano uno scenario “tradizionale” di Big Bang, dove tutto inizia al tempo t=0, compreso lo spaziotempo stesso. Ma in uno scenario inflazionistico (giallo), non raggiungiamo mai una singolarità, dove lo spazio va in uno stato singolare; invece, può diventare solo arbitrariamente piccolo in passato, mentre il tempo continua a tornare indietro per sempre. Solo l’ultima minuscola frazione di secondo, dalla fine dell’inflazione, si imprime oggi nel nostro universo osservabile. (Credito: E. Siegel)

Questa nuova immagine ci fornisce tre importanti informazioni sull’inizio dell’universo che sono in contrasto con la storia tradizionale che la maggior parte di noi ha appreso. In primo luogo, la nozione originale del Big Bang caldo, in cui l’universo è emerso da una singolarità infinitamente calda, densa e piccola – e da allora si è espanso e raffreddato, pieno di materia e radiazioni – è errata. L’immagine è ancora in gran parte corretta, ma c’è un limite a quanto indietro nel tempo possiamo estrapolarla.

In secondo luogo, le osservazioni hanno ben stabilito lo stato che si è verificato prima del caldo Big Bang: l’inflazione cosmica. Prima del caldo Big Bang, l’universo primordiale ha subito una fase di crescita esponenziale, in cui tutti i componenti preesistenti dell’universo sono stati letteralmente “gonfiati”. Quando l’inflazione finì, l’universo si riscaldò a una temperatura elevata, ma non arbitrariamente alta, dandoci l’universo caldo, denso ed in espansione che è cresciuto fino a diventare ciò che abitiamo oggi.

Infine, e forse la cosa più importante, non possiamo più parlare con alcun tipo di conoscenza o sicurezza su come – o anche se – l’universo stesso abbia avuto inizio. Per la natura stessa dell’inflazione, cancella qualsiasi informazione arrivata prima degli ultimi istanti: dove è finita e ha dato origine al nostro caldo Big Bang. L’inflazione potrebbe essere andata avanti per l’eternità, potrebbe essere stata preceduta da qualche altra fase non singolare, o potrebbe essere stata preceduta da una fase che è emersa da una singolarità. Fino al giorno in cui scopriremo come estrarre più informazioni dall’universo di quanto attualmente sembri possibile, non abbiamo altra scelta che affrontare la nostra ignoranza. Il Big Bang avvenne molto tempo fa, ma non fu l’inizio che una volta pensavamo che fosse.

Fonte: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/big-bang-beginning-universe/