Sette cose che sappiamo sull’universo e la sua nascita

Circa 13,8 miliardi di anni fa, iniziò l’universo come lo conosciamo. Nel momento conosciuto come Big Bang comparve lo spazio stesso che iniziò rapidamente ad espandersi. Al momento del Big Bang, l’universo osservabile (compreso tutto ciò che c’è attualmente in almeno 2 trilioni di galassie), era compresso in uno spazio di meno di un centimetro di diametro. Ora, l’universo osservabile copre circa 93 miliardi di anni luce e continua ad espandersi.

Ci sono molte domande sul Big Bang e la scienza sta cercando di scoprire cosa ci fosse prima e cosa è successo esattamente nei primissimi milionesimi di secondo dopo il Big Bang.

Alcune cose, però, le sappiamo, o almeno crediamo di saperle. Ecco sette cose che sappiamo sull’inizio della vita dell’universo.

L’universo si sta espandendo

Fino al 1929, le origini dell’universo erano avvolte interamente nel mito e nella teoria. Ma quell’anno, un intraprendente astronomo di nome Edwin Hubble scoprì qualcosa di molto importante sull’universo, qualcosa che avrebbe aperto nuovi modi di comprendere il suo passato: l’universo si sta espandendo.

Hubble fece la sua scoperta misurando qualcosa chiamato redshift, che è lo spostamento verso lunghezze d’onda della luce più lunghe, rosse, osservato nelle galassie molto distanti (Più lontano è l’oggetto, più pronunciato è il redshift, o spostamento verso il rosso), Hubble scoprì che il redshift delle galassie più lontane aumentava linearmente con la distanza, indicando che l’universo non è stazionario. Si sta espandendo, dappertutto, tutto contemporaneamente.

Hubble riuscì a calcolare il tasso di questa espansione, una figura conosciuta come la costante di Hubble. È stato da questa scoperta che gli scienziati hanno potuto estrapolare le conseguenze e teorizzare che l’universo fosse un tempo impacchettato in un punto minuscolo. Il primo momento dell’espansione dell’universo è stato chiamato Big Bang.

Radiazione cosmica di fondo a microonde

Nel maggio del 1964, Arno Penzias e Robert Wilson, ricercatori dei Bell Telephone Laboratories, stavano lavorando alla costruzione di un nuovo ricevitore radio nel New Jersey. La loro antenna continuava a percepire uno strano ronzio che sembrava venire da ogni parte, in ogni momento. Inizialmente pensarono che la causa potesse essere la presenza di alcuni nidi di piccione sulle antenne, ma rimuoverli non risolse il problema e nemmeno altri tentativi riuscirono a ridurre le interferenze. Alla fine, si resero conto che stavano ascoltando qualcosa di reale.

Quello che avevano scoperto era l’eco della prima luce dell’universo: la radiazione cosmica di fondo a microonde. Questa radiazione risale a circa 380.000 anni dopo il Big Bang, quando l’universo si era raffreddato abbastanza da permettere ai fotoni (le particelle ondulatorie che formano la luce) di viaggiare liberamente. La scoperta fornì supporto alla teoria del Big Bang e alla nozione che l’universo, nei suoi primi momenti, si è espanso più velocemente della luce (Questo lo sappiamo perché lo sfondo cosmico è abbastanza uniforme, suggerendo una regolare espansione tutto in una volta da un piccolo punto)

Mappa del cielo

La scoperta dello sfondo delle microonde cosmiche aprì una finestra sulle origini dell’universo. Nel 1989, la NASA lanciò un satellite chiamato Cosmic Background Explorer (COBE), che misurava le piccole variazioni nella radiazione di fondo. Il risultato fu, secondo la NASA una “immagine dell’universo bambino” nella quale si potevano vedere alcune delle prime variazioni di densità nell’universo in espansione. Queste minuscole variazioni hanno probabilmente dato origine allo schema delle galassie e dello spazio vuoto, noto come la rete cosmica delle galassie, che vediamo oggi.

Prova diretta di inflazione

Il background cosmico delle microonde ha anche permesso ai ricercatori di trovare la “pistola fumante” per la teoria dell’inflazione, quell’espansione enorme, più veloce della luce avvenuta al pochi milionesimi di secondo dopo il Big Ban. (Anche se la teoria della relatività speciale di Einstein sostiene che nulla vada più veloce della luce attraverso lo spazio, l’inflazione cosmica non può essere considerata una violazione, in quanto fu lo spazio stesso ad espandersi). Nel 2016, i fisici hanno annunciato di aver rilevato un particolare tipo di polarizzazione, o direzionalità, nello sfondo cosmico di microonde. Questa polarizzazione è nota come “modalità B“. La polarizzazione B-mode è stata la prima prova diretta dell’esistenza di onde gravitazionali generate dal Big Bang. Le onde gravitazionali si creano quando oggetti massicci nello spazio accelerano o rallentano (la prima onda gravitazionale rilevata dai nostri strumenti era stata creata collisione di due buchi neri). Le modalità B forniscono un nuovo modo per sondare direttamente l’espansione dell’universo primordiale e forse per capire che cosa l’ha guidata.

Nessuna dimensione extra finora

Una conseguenza della scoperta delle onde gravitazionali fu che questo consentiva agli scienziati di cercare ulteriori dimensioni, oltre alle solite tre. Secondo i teorici, le onde gravitazionali dovrebbero essere in grado di attraversare dimensioni sconosciute, se queste dimensioni esistono. Nell’ottobre 2017, gli scienziati hanno rilevato le onde gravitazionali dalla collisione di due stelle di neutroni. Hanno misurato il tempo impiegato dalle onde per viaggiare dalle stelle alla Terra, e non hanno trovato alcuna traccia di perdite extra dimensionali.

I risultati, pubblicati nel luglio 2018 nel Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, suggeriscono che se esistono altre dimensioni, sono minuscole: influenzerebbero aree dell’universo con dimensioni inferiori a 1,6 chilometri. Ciò significa che la teoria delle stringhe, che presuppone che l’universo sia costituito da minuscole stringhe vibranti e prevede almeno 10 dimensioni, potrebbe ancora essere vera.

Accelerazione dell’espansione…

Una delle scoperte più strane della fisica moderna è che l’universo non si sta solamente espandendo ma si sta espandendo ad un ritmo accelerato.

La scoperta risale al 1998, quando i fisici annunciarono i risultati di diversi progetti di lunga durata che misuravano supernove particolarmente pesanti chiamate supernove di tipo Ia. I risultati (che hanno fruttato un premio Nobel 2011 ai ricercatori coinvolti Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt e Adam G. Reiss) hanno rivelato una luce più debole del previsto dalla più lontana di queste supernove. Questa debole luce ha dimostrato che lo spazio stesso si sta espandendo: ogni cosa nell’universo si sta gradualmente allontanando da tutto il resto.

Gli scienziati chiamano la causa di questa espansione “energia oscura” un motore misterioso che potrebbe costituire circa il 68% dell’energia nell’universo. Questa energia oscura sembra essere cruciale per far sì che le teorie sull’inizio dell’universo si adattino alle osservazioni che vengono condotte ora, come quelle fatte dal Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA, uno strumento che ha prodotto la mappa più precisa che possediamo dello sfondo di microonde cosmico.

…Ancora più veloce del previsto

I nuovi risultati delle osservazioni del telescopio spaziale Hubble, pubblicati nell’aprile 2019, hanno approfondito il puzzle dell’universo in espansione. Le misure del telescopio spaziale mostrano che l’espansione dell’universo è del 9% più veloce di quanto previsto dalle osservazioni precedenti. Per le galassie, ogni 3,3 milioni di anni luce di distanza dalla Terra si traducono in ulteriori 74 km al secondo in più di velocità rispetto alle previsioni dei calcoli precedentemente effettuati, riferisce la NASA.

Perché questo è importante per le origini dell’universo? Perché ci dice che ai fisici manca qualcosa. Secondo la NASA, potrebbero esserci state tre “raffiche” di energia oscura durante il Big Bang e poco dopo. Quelle esplosioni hanno preparato il terreno per quello che vediamo oggi.

La prima esplosione di energia oscura potrebbe aver avviato l’espansione iniziale; una seconda potrebbe essere accaduta molto più velocemente, agendo come un pesante piede premuto sul pedale del gas dell’universo, facendo sì che l’universo si espandesse più velocemente di quanto si credesse in precedenza. L’ultima esplosione di energia oscura potrebbe spiegare l’espansione accelerata dell’universo oggi. 

Niente di tutto ciò è stato provato, per ora. Ma gli scienziati studiano. I ricercatori dell’Università del Texas dell’Austin McDonald Observatory stanno utilizzando uno strumento recentemente aggiornato, l’Hobby-Eberly Telescope, per cercare di individuare direttamente l’energia oscura. Il progetto Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) sta misurando la debole luce proveniente da galassie lontane fino a 11 miliardi di anni luce, il che permetterà ai ricercatori di vedere eventuali cambiamenti dell’accelerazione dell’universo nel tempo.

Sono in corso studi anche gli echi dei disordini avvenuti nell’universo all’età di 400.000 anni, creati nella densa zuppa di particelle da cui è derivato tutto subito dopo il Big Bang. Anche questo rivelerà i misteri dell’espansione e, forse, spiegherà l’energia oscura che l’ha guidata.

Fonte: LiveScience

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