Ci sono voluti un po ‘ più di sette giorni per creare l’universo come lo conosciamo oggi. SPACE.com guarda i misteri dei cieli nella nostra serie in otto parti :La Storia & Futuro del cosmo. Questa è la Parte 5 di quella serie.

Il nostro universo è nato circa 13,7 miliardi di anni fa in una massiccia espansione che ha fatto esplodere lo spazio come un gigantesco pallone.

Questa, in poche parole, è la teoria del Big Bang, che praticamente tutti i cosmologi e i fisici teorici approvano. Le prove a sostegno dell’idea sono ampie e convincenti. Sappiamo, per esempio, che l’universo è ancora in espansione anche ora, ad un ritmo sempre più accelerato.

Gli scienziati hanno anche scoperto un’impronta termica prevista del Big Bang, la radiazione cosmica di fondo a microonde che pervade l’universo. E non vediamo alcun oggetto ovviamente più vecchio di 13,7 miliardi di anni, suggerendo che il nostro universo è nato in quel periodo.

“Tutte queste cose mettono il Big Bang su una base estremamente solida”, ha detto l’astrofisico Alex Filippenko dell’Università della California, Berkeley. “Il Big Bang è una teoria di enorme successo.”

Quindi cosa ci insegna questa teoria? Cosa accadde realmente alla nascita del nostro universo, e come prese la forma che osserviamo oggi?

L’inizio

La teoria tradizionale del Big Bang postula che il nostro universo sia iniziato con una singolarità — un punto di densità e temperatura infinite la cui natura è difficile da comprendere per le nostre menti. Tuttavia, questo potrebbe non riflettere accuratamente la realtà, dicono i ricercatori, perché l’idea di singolarità si basa sulla teoria della relatività generale di Einstein.

“Il problema è che non c’è motivo di credere alla relatività generale in quel regime”, ha detto Sean Carroll, un fisico teorico del Caltech. “Sarà sbagliato, perché non tiene conto della meccanica quantistica. E la meccanica quantistica sarà sicuramente importante una volta arrivati in quel posto nella storia dell’universo.”

Quindi l’inizio dell’universo rimane piuttosto torbido. Gli scienziati pensano di poter raccogliere la storia a circa 10 a meno 36 secondi — un trilionesimo di un trilionesimo di un trilionesimo di un secondo-dopo il Big Bang.

A quel punto, credono, l’universo ha subito un periodo estremamente breve e drammatico di inflazione, espandendosi più velocemente della velocità della luce. È raddoppiato di dimensioni forse 100 volte o più, il tutto nell’arco di poche minuscole frazioni di secondo.

(L’inflazione può sembrare violare la teoria della relatività speciale, ma non è così, dicono gli scienziati. La relatività speciale sostiene che nessuna informazione o materia può essere trasportata tra due punti nello spazio più velocemente della velocità della luce. Ma l’inflazione era un’espansione dello spazio stesso.)

“L’inflazione è stata il” bang “del Big Bang”, ha detto Filippenko SPACE.com “Prima dell’inflazione, c’era solo un po’ di roba, molto probabilmente, in espansione solo un po’. Avevamo bisogno di qualcosa come l’inflazione per rendere l’universo grande.”

Questo universo in rapida espansione era praticamente vuoto di materia, ma ospitava enormi quantità di energia oscura, la teoria va. L’energia oscura è la forza misteriosa che gli scienziati pensano stia guidando l’attuale espansione accelerata dell’universo.

Durante l’inflazione, l’energia oscura ha reso l’universo appianato e accelerato. Ma non è rimasto a lungo.

“Era solo un’energia oscura temporanea”, ha detto Carroll SPACE.com. ” Si è convertito in materia ordinaria e radiazione attraverso un processo chiamato riscaldamento. L’universo passò dall’essere freddo durante l’inflazione all’essere di nuovo caldo quando tutta l’energia oscura scomparve.”

Gli scienziati non sanno cosa potrebbe aver stimolato l’inflazione. Questa rimane una delle domande chiave nella cosmologia del Big Bang, ha detto Filippenko.

Un’altra idea

La maggior parte dei cosmologi considera l’inflazione come la teoria principale per spiegare le caratteristiche dell’universo — in particolare, perché è relativamente piatta e omogenea, con all’incirca la stessa quantità di cose distribuite equamente in tutte le direzioni.

Varie linee di evidenza indicano che l’inflazione è una realtà, ha detto il fisico teorico Andy Albrecht dell’Università della California, Davis.

“Tutti si incastrano abbastanza bene con il quadro inflazionistico”, ha detto Albrecht, uno degli architetti della teoria dell’inflazione. “L’inflazione ha fatto incredibilmente bene.”

Tuttavia, l’inflazione non è l’unica idea là fuori che cerca di spiegare la struttura dell’universo. I teorici ne hanno escogitato un altro, chiamato modello ciclico, che si basa su un concetto precedente chiamato universo ekpyrotic.

Questa idea sostiene che il nostro universo non è emerso da un singolo punto, o qualcosa di simile. Piuttosto, è “rimbalzato” in espansione — a un ritmo molto più calmo di quanto preveda la teoria dell’inflazione — da un universo preesistente che si era contratto. Se questa teoria è corretta, il nostro universo ha probabilmente subito una successione infinita di” scoppi “e” scricchiolii.”

” L’inizio del nostro universo sarebbe stato bello e finito”, ha detto Burt Ovrut dell’Università della Pennsylvania, uno dei creatori della teoria ekpirotica.

Il modello ciclico postula che il nostro universo consiste di 11 dimensioni, solo quattro delle quali possiamo osservare (tre dello spazio e una del tempo). La nostra parte quadridimensionale dell’universo è chiamata brane (abbreviazione di membrana).

Ci potrebbero essere altre brane in agguato là fuori nello spazio 11-dimensionale, l’idea va. Una collisione tra due brane avrebbe potuto scuotere l’universo dalla contrazione all’espansione, stimolando il Big Bang di cui vediamo le prove oggi.

Alla ricerca di onde gravitazionali

Presto, gli scienziati potrebbero sapere con certezza quale teoria — l’inflazione o il modello ciclico — è una migliore rappresentazione della realtà.

Ad esempio, l’inflazione probabilmente produrrebbe onde gravitazionali molto più forti di un “rimbalzo” ekpyrotico, ha detto Filippenko. Quindi i ricercatori stanno cercando qualsiasi segno di queste distorsioni teoriche dello spazio-tempo, che devono ancora essere osservate.

Il satellite Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, lanciato nel 2009, potrebbe trovare le onde gravitazionali inafferrabili. Si può anche raccogliere altre prove che potrebbero far pendere la bilancia in entrambi i casi, Ovrut detto.

“Queste sono cose che, entro i prossimi 10 anni, saranno discusse e si spera decise”, ha detto Ovrut SPACE.com.

L’universo che conosciamo prende forma

I cosmologi sospettano che le quattro forze che governano l’universo — la gravità, l’elettromagnetismo e le forze nucleari deboli e forti — siano state unificate in un’unica forza alla nascita dell’universo, schiacciate insieme a causa delle temperature e delle densità estreme coinvolte.

Ma le cose sono cambiate mentre l’universo si espandeva e si raffreddava. Intorno al tempo dell’inflazione, la forza forte probabilmente si separò. E di circa 10 trilionesimi di secondo dopo il Big Bang, anche le forze elettromagnetiche e deboli divennero distinte.

Subito dopo l’inflazione, l’universo era probabilmente riempito con un plasma caldo e denso. Ma di circa 1 microsecondo (da 10 a meno 6 secondi) o giù di lì, si era raffreddato abbastanza da permettere ai primi protoni e neutroni di formarsi, pensano i ricercatori.

Nei primi tre minuti dopo il Big Bang, questi protoni e neutroni iniziarono a fondersi insieme, formando deuterio (noto anche come idrogeno pesante). Atomi di deuterio poi uniti tra loro, formando elio-4.

Ricombinazione: L’universo diventa trasparente

Questi appena creato gli atomi erano tutti carichi positivamente, come l’universo era ancora troppo caldo per favorire la cattura di elettroni.

Ma questo è cambiato circa 380.000 anni dopo il Big Bang. In un’epoca nota come ricombinazione, gli ioni idrogeno ed elio iniziarono a sbavare gli elettroni, formando atomi elettricamente neutri. La luce disperde in modo significativo gli elettroni liberi e i protoni, ma molto meno gli atomi neutri. Quindi i fotoni erano ora molto più liberi di navigare attraverso l’universo.

La ricombinazione cambiò radicalmente l’aspetto dell’universo; era stata una nebbia opaca, e ora divenne trasparente. La radiazione cosmica di fondo a microonde che osserviamo oggi risale a questa era.

Ma ancora, l’universo è stato piuttosto buio per molto tempo dopo la ricombinazione, solo veramente illuminando quando le prime stelle hanno cominciato a brillare circa 300 milioni di anni dopo il Big Bang. Hanno contribuito a annullare gran parte di ciò che la ricombinazione aveva compiuto. Queste prime stelle — e forse alcune altre fonti misteriose-hanno gettato abbastanza radiazioni da dividere la maggior parte dell’idrogeno dell’universo nei suoi protoni ed elettroni costituenti.

Questo processo, noto come reionizzazione, sembra aver fatto il suo corso di circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang. L’universo non è opaco oggi, come lo era prima della ricombinazione, perché si è espanso così tanto. La materia dell’universo è molto diluita e le interazioni di dispersione dei fotoni sono quindi relativamente rare, dicono gli scienziati.

Nel corso del tempo, le stelle gravitavano insieme per formare galassie, portando a una struttura sempre più su larga scala nell’universo. I pianeti si fusero attorno ad alcune stelle appena formate, incluso il nostro sole. E 3,8 miliardi di anni fa, la vita ha messo radici sulla Terra.

Prima del Big Bang?

Mentre molto sui primi momenti dell’universo rimane speculativo, la questione di ciò che ha preceduto il Big Bang è ancora più misteriosa e difficile da affrontare.

Per cominciare, la domanda stessa potrebbe essere priva di senso. Se l’universo è venuto dal nulla, come alcuni teorici credono, il Big Bang segna l’istante in cui il tempo stesso ha avuto inizio. In tal caso, non ci sarebbe alcuna cosa come “prima”, ha detto Carroll.

Ma alcune concezioni della nascita dell’universo possono proporre possibili risposte. Il modello ciclico, ad esempio, suggerisce che un universo contraente ha preceduto il nostro in espansione. Carroll, pure, può immaginare qualcosa esistente prima del Big Bang.

“Potrebbe essere solo uno spazio vuoto che esisteva prima che accadesse il nostro Big Bang, poi una fluttuazione quantistica ha dato vita a un universo come il nostro”, ha detto. “Puoi immaginare una piccola bolla di spazio che si pizzica attraverso una fluttuazione e viene riempita con solo un piccolo ciuffo di energia, che può poi crescere nell’universo che vediamo attraverso l’inflazione.”

Filippenko sospetta anche che qualcosa di simile potrebbe essere vero.

“Penso che il tempo nel nostro universo sia iniziato con il Big Bang, ma penso che fossimo una fluttuazione rispetto a un predecessore, un universo madre”, ha detto Filippenko.

Lo sapremo mai?

Cosmologi e fisici stanno lavorando duramente per affinare le loro teorie e portare i primi momenti dell’universo a fuoco sempre più nitido. Ma sapranno mai veramente cosa è successo al Big Bang?

È una sfida scoraggiante, soprattutto perché i ricercatori stanno lavorando a una rimozione di 13,7 miliardi di anni. Ma non contare la scienza fuori, Carroll ha detto. Dopotutto, 100 anni fa, la gente capiva molto poco dell’universo. Non sapevamo della relatività generale, per esempio, o della meccanica quantistica. Non sapevamo che l’universo si stesse espandendo, e non sapevamo del Big Bang.

“Sappiamo tutte queste cose ora”, ha detto Carroll. “Il ritmo del progresso è in realtà sorprendentemente veloce, quindi non cederei mai al pessimismo. Non c’è motivo nella storia recente della cosmologia e della fisica di essere pessimisti sulle nostre prospettive di comprensione del Big Bang.”

Albrecht ha espresso un simile ottimismo, dicendo che un giorno potremmo anche capire cosa, se non altro, esisteva prima del Big Bang.

“Baso la mia speranza sul fatto che la cosmologia ha avuto così tanto successo”, ha detto SPACE.com. ” Sembra che la natura ci abbia inviato un chiaro messaggio che possiamo davvero fare scienza con l’universo.”

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