Quali sono i possibili destini dell’universo e cos’è
la densità critica?
L’espansione
dell’universo e la legge di Hubble: Nell’universo,
quanto più un oggetto è lontano, tanto più antico è l’aspetto che ne
osserviamo. Ad esempio una galassia lontana 5 miliardi di anni luce ci appare
come era 5 miliardi di anni fa. La sua posizione e il suo aspetto sono
sicuramente molto diversi oggi. Hubble, nel 1929, osservò che negli spettri di
alcune decine di galassie, c’era uno spostamento verso il rosso: le g 656h76g alassie si
stanno allontando a migliaia di km/s. Inoltre lo spostamento verso il rosso
dello spettro, aumenta all’aumentare della distanza della galassia. La legge di
Hubble dice che le galassie si stanno allontanando con velocità tanto più alta,
quanto più sono lontane. Tutto ciò si può affermare se si ammette che
l’universo è in espansione. La legge di Hubble permette di calcolare distanze
nello spazio più profondo: conoscendo la velocità di allontanamento di un
oggetto, se ne ricava la distanza, in base alla costante H0.
L’universo
stazionario:
Se l’universo si
espande, nel passato la sua massa doveva essere concentrata in uno spazio
minore. La Fisica
propone un principio cosmologico in base al quale l’universo dovrebbe essere
immutabile e uniforme; se viene esteso nel tempo, tale principio vuol dire che
l’universo deve apparire in media sempre uguale, per cui cambiamenti ed
evoluzione avrebbero significato locale e si compenserebbero statisticamente
nel tempo e nello spazio. La teoria dell’universo stazionario del 1948, si
basava su questo principio. Il reciproco allontanamento delle galassie, che
farebbe diminuire la densità media dell’universo, verrebbe compensato da una
continua creazione nello spazio di nuova materia, che produrrebbe nuove
galassie in sostituzione di quelle lontane. Però non c’è conferma sulla
possibilità di formazione di nuova materia e il conteggio di oggetti
lontanissimi (e quindi antichi) indicherebbe un aumento della densità nel
passato e non una condizione stazionaria. Comunque Noyle e Norlikar hanno
modificato questa teoria, ammettendo variazioni del ritmo nella creazione della
materia che comporterebbe la formazione di zone con diversa densità entro un
universo infinito.
Il big bang e
l’universo inflazionario:
Il pioniere
dell’espansione dell’universo è Friedmann. L’universo è in continua evoluzione
a partire da uno stato primordiale caldo e denso, attraverso un iniziale big
bang. All’inizio del tempo, nell’istante zero, l’universo era concentrato in un
volume più piccolo di un atomo con densità infinita e una temperatura
elevatissima. Questo si squarcio con un esplosione immane. Però non c’era un
“fuori”, cioè uno spazio esterno in cui potesse dilatarsi un esplosione, ma lo
spazio si generò insieme all’espansione. Quindi l’universo sarebbe passato
attraverso una brevissima fase in cui le forze fondamentali si sarebbero
comportate in modo diverso rispetto a oggi: si sarebbe verificata una
violentissima esplosione che in 10-32 secondi, avrebbe fatto
aumentare il volume dell’universo di miliardi e miliardi di volte, mentre la
temperatura sarebbe scesa rapidamente fino allo zero assoluto. Al termine la
sfera di fuoco avrebbe preso ad espandersi con un ritmo più lento. Nei
primissimi istanti, l’energia cominciò a condensarsi prima in particelle elementari
(quark, elettroni), poi particelle maggiori (protoni, neutroni), finchè dopo i
primi 3 minuti, quando la temperatura scese a 109 K, si formarono i
primi nuclei atomici. Per un lungo tempo, l’universo restò una nube di gas
ionizzati e radiazioni. Solo dopo 300000 anni la temperatura scese a 3000 K e
gli elettroni che furono catturati dai nuclei formaronon un gas neutro, formato
da idrogeno ed elio. Con la formazione di idrogeno neutro la materia si separò
nettamente dalla radiazione e fu la componente fondamentale dell’evoluzione
dell’universo. Da quel momento la luce poteva viaggiare libera nell’universo.
La radiazione emessa dalla sfera di fuoco si irradiava in ogni direzione e oggi
dovrebbe impregnare debolmente tutto l’universo. Questa radiazione di fondo,
osservata da Wilson e Penzias, corrisponde a 3 K ed è come l’eco del big bang,
duro colpo per i sostenitori dello stato stazionario. Il satellite COBE, che
orbita intorno alla Terra, nel 1989, rilevò variazioni nella radiazione di
fondo, interpretate come disuniformità della materia. Dopo il primo miliardo di
anni, la temperatura dell’universo è quella di una qualsiasi stella e la
materia è fatta di idrogeno, elio, elettroni, protoni e fotoni. Dove il gas è
più denso, la gravità fa condensare l’idrogeno in gigantesche masse, dove
lampeggiano gigantesche esplosioni dei quasar. Mentre i quasar diventano più
rari e si formano enormi galassie a spirale, si formano gli elementi chimici
più pesanti che si mescolano, sotto forma di ceneri, ai gas ed alle polveri
delle nebulose, dove nascono nuove stelle.
Verso gli abissi
del futuro:
Non si è ancora
certi della densità media della materia di cui è costituito l’universo. Se il valore della densità fosse quello definito critico,
l’espansione rallenterebbe tendendo a zero, ma senza mai arrivarci. La materia
visibile, cioè identificabile (perché emette radiazioni), giustifica l’1% del
valore critico. Si è tenuto conto della materia oscura (nane brune, buchi neri
etc…), la cui presenza è messa in evidenza da perturbazioni nei moti delle
stelle e delle galassie, ma studi teorici mostrano che anche così, si
arriverebbe al 10% del valore critico. La materia mancante può essere
rappresentata da neutrini (particelle piccolissime di grande energia e
velocità, che vengono prodotte in grandi quantità in molte reazioni nucleari e
hanno solo debolissime interazioni con la materia “usuale”). Se la densità è inferiore al valore critico,
l’espansione continuerà senza fine, le stelle consumeranno tutto il loro
combustibile e le galassie diventeranno sistemi oscuri di corpi freddi e
inerti, in un cosmo completamente buio. Tra 1030 anni solo i buchi
neri continueranno a crescere e tra 1060 anni rimarranno le uniche
concentrazioni di massa. Comunque anche loro producono radiazioni, e quindi,
tra miliardi di anni si dissolveranno anche loro. Tra 10100 anni in
uno spazio enorme, buio e vuoto, vagheranno solo poche particelle infinitamente
lontane tra loro. Ma se la densità è superiore a quella
critica e la forza di gravità riuscisse a frenare l’espansione
dell’universo, allora le galassie finiranno per arrestare la loro fuga e
invertiranno il loro movimento, facendo contrarre l’universo. La temperatura
aumenterebbe, le stelle diventerebbero più calde, gli elementi più pesanti si
disintegrerebbero, idrogeno ed elio si dissolverebbero in energia e tutto
precipiterebbe allo stadio primordiale.
