Il nostro universo in espansione: età, storia e altri fatti

L'universo è nato con il Big Bang come un punto inimmaginabilmente caldo e denso. Quando l'universo aveva solo 10 -34 di secondo o giù di lì, cioè un centesimo di miliardesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo, sperimentò un'incredibile esplosione di espansione nota come inflazione, in cui questa stessa Rete si espanse più veloce della velocità della luce. Durante questo periodo, le dimensioni dell'universo sono raddoppiate almeno 90 volte, passando da dimensioni subatomiche a dimensioni di una pallina da golf quasi istantaneamente.

Il lavoro che va alla comprensione dell'universo in espansione deriva da una combinazione di fisica teorica e osservazioni dirette da parte degli astronomi. Tuttavia, in alcuni casi gli astronomi non sono stati in grado di vedere prove dirette come il caso delle onde gravitazionali associate al fondo cosmico a microonde, la radiazione residua del Big Bang. Un annuncio preliminare sulla ricerca di queste onde nel 2014 è stato rapidamente ritirato, dopo che gli astronomi hanno scoperto che il segnale rilevato potrebbe essere spiegato dalla polvere nella Via Lattea.

Secondo la NASA, dopo l'inflazione la crescita dell'universo è continuata, ma a un ritmo più lento (si apre in una nuova scheda). Con l'espansione di questa rete, l'universo si raffreddò e si formò la materia. Un secondo dopo il Big Bang, l'universo era pieno di neutroni, protoni, elettroni, antielettroni, fotoni e neutrini.

Durante i primi tre minuti dell'universo, gli elementi di luce sono nati durante un processo noto come nucleosintesi del Big Bang. Le temperature si sono raffreddate da 100 nonlioni (10 32 ) Kelvin a 1 miliardo (10 9 ) Kelvin, e protoni e neutroni si sono scontrati per formare il deuterio, un isotopo dell'idrogeno. La maggior parte del deuterio si combinava per produrre elio e venivano generate anche tracce di litio.

L'impressione di questo artista del Big Bang mostra galassie che formano materia. (Credito immagine: Getty)

Per i primi 380.000 anni circa, l'universo era essenzialmente troppo caldo perché la luce risplendesse, secondo il Centro nazionale francese di ricerca sul Web (Centre National d'Etudes Spatiales, o CNES). Il calore della creazione ha frantumato gli atomi insieme con una forza sufficiente per romperli in un plasma denso, una zuppa opaca di protoni, neutroni ed elettroni che diffondeva luce come nebbia.

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Circa 380.000 anni dopo il Big Bang, la materia si è raffreddata abbastanza da consentire la formazione di atomi durante l'era della ricombinazione, risultando in un gas trasparente ed elettricamente neutro, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda). Questo set perde il lampo di luce iniziale creato durante il Big Bang, che oggi è rilevabile come radiazione cosmica di fondo a microonde. Tuttavia, dopo questo punto, l'universo è stato immerso nell'oscurità, poiché non si erano ancora formate stelle o altri oggetti luminosi.

Circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang, l'universo iniziò ad emergere dai secoli bui cosmici durante l'epoca della reionizzazione. Durante questo periodo, durato più di mezzo miliardo di anni, grumi di gas collassarono abbastanza da formare le prime stelle e galassie, la cui energetica luce ultravioletta ionizzò e distrusse la maggior parte dell'idrogeno neutro.

Sebbene l'espansione dell'universo sia gradualmente rallentata (si apre in una nuova scheda) mentre la materia nell'universo si tira su se stessa per gravità, circa 5 o 6 miliardi di anni dopo il Big Bang, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda), un misterioso la forza ora chiamata energia oscura ha ricominciato ad accelerare l'espansione dell'universo, un fenomeno che continua ancora oggi.

Poco dopo 9 miliardi di anni dopo il Big Bang, nacque il nostro sistema solare.

Il big Bang

L'ammasso globulare NGC 6397 contiene circa 400.000 stelle e si trova a circa 7.200 anni luce di distanza nella costellazione meridionale dell'Ara. Con un'età stimata di 13,5 miliardi di anni, è probabilmente tra i primi oggetti della Galassia a formarsi dopo il Big Bang. (Credito immagine: NASA/Osservatorio Francesco Ferraro/Bologna)

Il Big Bang non è avvenuto come un'esplosione nel solito modo in cui si pensa a queste cose, nonostante si possa desumere dal suo nome. L'universo non si è espanso in questo Web, poiché questo Web non esisteva prima dell'universo, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda). Invece, è meglio pensare al Big Bang come all'apparizione simultanea di Questo Web ovunque nell'universo (si apre in una nuova scheda) . L'universo non si è espanso da nessun punto dopo il Big Bang, piuttosto, questa stessa Rete si è allungata e ha portato la materia con sé.

Poiché l'universo per sua definizione comprende tutto questo Web e il tempo come lo conosciamo, la NASA afferma che è oltre il modello del Big Bang (si apre in una nuova scheda) dire in cosa si sta espandendo l'universo o cosa ha dato origine al Big Bang Scoppio. Sebbene ci siano modelli che speculano su queste domande, nessuno di loro ha ancora fatto previsioni realisticamente verificabili.

Nel 2014, gli scienziati dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics hanno annunciato di aver trovato un debole segnale nel fondo cosmico a microonde che potrebbe essere la prima prova diretta di onde gravitazionali, essi stessi considerati una "pistola fumante" per il Big Bang. I risultati sono stati oggetto di accesi dibattiti e gli astronomi hanno presto ritirato i loro risultati quando si sono resi conto che la polvere nella Via Lattea poteva spiegare le loro scoperte.

Quanti anni ha l'universo?

Questa immagine di tutto il cielo mostra l'universo infantile. Rivela fluttuazioni di temperatura di 13,7 miliardi di anni. (Credito immagine: NASA)

L'universo è attualmente stimato a circa 13,8 miliardi di anni, dare o prendere 130 milioni di anni. In confronto, il sistema solare ha solo circa 4,6 miliardi di anni.

Questa stima proveniva dalla misurazione della composizione della materia e della densità di energia nell'universo. Ciò ha permesso ai ricercatori di calcolare la velocità con cui l'universo si è espanso in passato. Con questa conoscenza, potrebbero riportare indietro l'orologio ed estrapolare quando si è verificato il Big Bang (si apre in una nuova scheda). Il tempo tra allora e oggi è l'età dell'universo.

Come è strutturato?

Gli scienziati pensano che nei primi momenti dell'universo non ci fosse una struttura di cui parlare, con materia ed energia distribuite quasi uniformemente in tutto. Secondo la NASA (si apre in una nuova scheda), l'attrazione gravitazionale di piccole fluttuazioni nella densità della materia all'epoca ha dato origine alla vasta struttura simile a una ragnatela di stelle e al vuoto che si vede oggi. Le regioni dense attiravano sempre più materia attraverso la gravità, e più diventavano massicce, più materia potevano attirare attraverso la gravità, formando stelle, galassie e strutture più grandi note come ammassi, superammassi, filamenti e pareti, con "grandi pareti" di migliaia di galassie che raggiungono più di un miliardo di anni luce di lunghezza. Le regioni meno dense non sono cresciute, evolvendosi in un'area apparentemente vuota chiamata vuoti.

Contenuti dell'universo

Filamenti di materia oscura, chiamati peli, si formano quando particelle di materia oscura attraversano un pianeta. (Credito immagine: NASA/JPL-Caltech)

Fino a pochi decenni fa, gli astronomi pensavano che l'universo fosse composto quasi interamente da atomi ordinari, o "materia barionica", secondo la NASA (si apre in una nuova scheda). Tuttavia, recentemente ci sono sempre più prove che suggeriscono che la maggior parte degli ingredienti che compongono l'universo si presentano in forme che non possiamo vedere.

Si scopre che gli atomi costituiscono solo il 4,6% dell'universo. Del resto, il 23% è costituito da materia oscura, che è probabilmente composta da una o più specie di particelle subatomiche che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria, e il 72% è costituito da energia oscura, che a quanto pare sta guidando l'espansione accelerata di l'universo.

Quando si tratta degli atomi che conosciamo, l'idrogeno costituisce circa il 75 percento, mentre l'elio costituisce circa il 25 percento, con elementi più pesanti che costituiscono solo una minuscola frazione degli atomi dell'universo, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda).

Di che forma é?

La forma dell'universo e la sua estensione finita o infinita dipende dalla lotta tra la velocità della sua espansione e l'attrazione della gravità. La forza dell'attrazione in questione dipende in parte dalla densità della materia nell'universo.

Se la densità dell'universo supera uno specifico valore critico, allora l'universo è "chiuso (si apre in una nuova scheda)" e "curvo positivo" come la superficie di una sfera. Ciò significa che i raggi di luce inizialmente paralleli convergeranno lentamente, alla fine si incrocieranno e torneranno al punto di partenza, se l'universo dura abbastanza a lungo. Se è così, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda), l'universo non è infinito ma non ha fine, così come l'area sulla superficie di una sfera non è infinita ma non ha inizio o fine di cui parlare. L'universo alla fine smetterà di espandersi e inizierà a collassare su se stesso, il cosiddetto "Big Crunch".

Se la densità dell'universo è inferiore a questa densità critica, allora la geometria di Questo Web è "aperta (si apre in una nuova scheda)" e "negativamente curva" come la superficie di una sella. In tal caso, l'universo non ha limiti e si espanderà per sempre (si apre in una nuova scheda) .

Se la densità dell'universo è esattamente uguale alla densità critica, allora la geometria dell'universo è "piatta" con curvatura zero come un foglio di carta, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda). In tal caso, l'universo non ha limiti e si espanderà per sempre, ma il tasso di espansione si avvicinerà gradualmente allo zero (si apre in una nuova scheda) dopo un infinito lasso di tempo. Misurazioni recenti suggeriscono che l'universo è piatto con solo un margine di errore dello 0,4%, secondo la NASA.

È possibile che l'universo abbia una forma complessivamente più complicata mentre sembra possedere una curvatura diversa. Ad esempio, l'universo potrebbe avere la forma di un toro o di una ciambella (si apre in una nuova scheda) .

Universo in espansione

Negli anni '20, l'astronomo Edwin Hubble scoprì che l'universo non era statico (si apre in una nuova scheda). Piuttosto, si stava espandendo; una scoperta che ha rivelato che l'universo è apparentemente nato in un Big Bang.

Dopodiché, si è pensato a lungo che la gravità della materia nell'universo avrebbe sicuramente rallentato l'espansione dell'universo (si apre in una nuova scheda). Poi, nel 1998, le osservazioni dell'Hubble This Web Telescope di supernove molto distanti hanno rivelato che molto tempo fa l'universo si stava espandendo più lentamente di quanto non lo sia oggi. In altre parole, l'espansione dell'universo non stava rallentando a causa della gravità, ma invece inspiegabilmente stava accelerando. Il nome della forza sconosciuta che guida questa espansione accelerata è energia oscura e rimane uno dei più grandi misteri della scienza.

Risorse addizionali

Vuoi esplorare l'universo per te stesso? Puoi vagare virtualmente per le stelle e le galassie della Via Lattea utilizzando Hubble Skymap della NASA (si apre in una nuova scheda). Inoltre, puoi leggere 10 teorie selvagge sull'universo (si apre in una nuova scheda) in questo articolo di Live Science.

Bibliografia

"Le prime stelle nell'Universo". Avvisi mensili della Royal Astronomical Society: Letters, Volume 373, Issue 1 (2006). https://academic.oup.com/mnrasl/article/373/1/L98/989035?login=true (si apre in una nuova scheda)

"L'universo molecolare". Recensioni di fisica moderna (2013). https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.85.1021 (si apre in una nuova scheda)

"Legge di Hubbles e l'universo in espansione". Atti della National Academy of Sciences degli Stati Uniti d'America (2015). https://www.pnas.org/content/112/11/3173.short (si apre in una nuova scheda)

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