Qual è la teoria del big bang?

Qual è stato il Big Bang?

La teoria del Big Bang è la principale spiegazione di come è iniziato l'universo. In poche parole, dice che l'universo come lo conosciamo è iniziato con un unico punto infinitamente caldo e denso che si è gonfiato e allungato prima a velocità inimmaginabili, e poi a una velocità più misurabile nei prossimi 13,8 miliardi di anni fino al cosmo in espansione che noi sapere oggi.

La tecnologia esistente non consente ancora agli astronomi di scrutare letteralmente la nascita dell'universo, gran parte di ciò che capiamo sul Big Bang deriva da formule e modelli matematici. Gli astronomi possono, tuttavia, vedere "l'eco" dell'espansione attraverso un fenomeno noto come il fondo cosmico a microonde.

Mentre la maggior parte della comunità astronomica accetta la teoria, ci sono alcuni teorici che hanno spiegazioni alternative oltre al Big Bang come l'inflazione eterna o un universo oscillante.

Il Big Bang: la nascita dell'universo

Circa 13,7 miliardi di anni fa, tutto nell'intero universo era condensato in una singolarità infinitamente piccola, un punto di densità e calore infiniti.

Improvvisamente, è iniziata un'espansione esplosiva, che ha gonfiato il nostro universo verso l'esterno più velocemente della velocità della luce. Questo è stato un periodo di inflazione cosmica che è durato solo frazioni di secondo circa 10^-32 di secondo, secondo la teoria del fisico Alan Guth del 1980 che ha cambiato per sempre il modo in cui pensiamo al Big Bang.

Quando l'inflazione cosmica giunse a una fine improvvisa e ancora misteriosa, le descrizioni più classiche del Big Bang presero piede. Un'ondata di materia e radiazioni, nota come riscaldamento, iniziò a popolare il nostro universo con le cose che conosciamo oggi: particelle, atomi, le cose che sarebbero diventate stelle e galassie e così via.

Le immagini di Hubble mostrano la lontana galassia GN-z11 com'era subito dopo il Big Bang (Image credit: NASA)

Tutto questo è accaduto entro il primo secondo dall'inizio dell'universo, quando la temperatura di tutto era ancora follemente calda, a circa 10 miliardi di gradi Fahrenheit (5,5 miliardi di Celsius), secondo la NASA (si apre in una nuova scheda). Il cosmo ora conteneva una vasta gamma di particelle fondamentali come neutroni, elettroni e protoni, le materie prime che sarebbero diventate i mattoni per tutto ciò che esiste oggi.

Questa prima "zuppa" sarebbe stato impossibile da vedere effettivamente perché non poteva trattenere la luce visibile. "Gli elettroni liberi avrebbero causato la dispersione della luce (fotoni) nel modo in cui la luce solare si disperde dalle goccioline d'acqua nelle nuvole", ha affermato la NASA. Nel tempo, tuttavia, questi elettroni liberi si sono incontrati con i nuclei e hanno creato atomi neutri, o atomi con cariche elettriche positive e negative uguali.

Ciò ha permesso alla luce di brillare finalmente, circa 380.000 anni dopo il Big Bang.

A volte chiamata "bagliore residuo" del Big Bang, questa luce è più propriamente conosciuta come il fondo cosmico a microonde (CMB). Fu predetto per la prima volta da Ralph Alpher e altri scienziati nel 1948, ma fu trovato solo per caso quasi 20 anni dopo.

Questa scoperta accidentale è avvenuta quando Arno Penzias e Robert Wilson, entrambi dei Bell Telephone Laboratories nel New Jersey, stavano costruendo un ricevitore radio nel 1965 e hanno rilevato temperature più alte del previsto, secondo la NASA (si apre in una nuova scheda). All'inizio, pensavano che l'anomalia fosse dovuta ai piccioni che cercavano di appollaiarsi all'interno dell'antenna e ai loro rifiuti, ma hanno ripulito il pasticcio e ucciso i piccioni (si apre in una nuova scheda) e l'anomalia è persistita.

Contemporaneamente, un team dell'Università di Princeton guidato da Robert Dicke stava cercando di trovare prove del CMB e si rese conto che Penzias e Wilson si erano imbattuti in esso con le loro strane osservazioni. I due gruppi pubblicarono ciascuno articoli sull'Astrophysical Journal nel 1965.

Ricostruire l'infanzia dell'universo

Poiché non possiamo vederlo direttamente, gli scienziati hanno cercato di capire come "vedere" il Big Bang attraverso altre misure. In un caso, i cosmologi stanno premendo rewind (si apre in una nuova scheda) per raggiungere il primo istante dopo il Big Bang simulando 4.000 versioni dell'universo attuale su un enorme supercomputer.

"Stiamo cercando di fare qualcosa come indovinare una foto di un bambino del nostro universo dall'ultima immagine", ha scritto il leader dello studio Masato Shirasaki, un cosmologo del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), in una e-mail a Live Science.

Con ciò che si sa sull'universo oggi, i ricercatori di questo studio del 2021 hanno confrontato la loro comprensione di come le forze gravitazionali hanno interagito nell'universo primordiale con le loro migliaia di universi modellati al computer. Se avessero potuto prevedere le condizioni iniziali dei loro universi virtuali, speravano di essere in grado di prevedere con precisione come poteva essere il nostro universo all'inizio.

Altri ricercatori hanno scelto percorsi diversi per interrogare gli inizi del nostro universo.

In uno studio del 2020, i ricercatori lo hanno fatto studiando la divisione tra materia e antimateria. Nello studio, non ancora sottoposto a revisione paritaria, hanno proposto che lo squilibrio nella quantità di materia e antimateria nell'universo sia correlato alle enormi quantità di materia oscura dell'universo, una sostanza sconosciuta che esercita un'influenza sulla gravità e tuttavia non interagisce con la luce. Hanno suggerito che nei momenti cruciali immediatamente successivi al Big Bang, l'universo potrebbe essere stato spinto a produrre più materia del suo inverso, l'antimateria, che poi avrebbe potuto portare alla formazione di materia oscura (si apre in una nuova scheda).

Per saperne di più: cosa è successo prima del Big Bang? (si apre in una nuova scheda)

L'età dell'universo

Impressione artistica di Planck This Webcraft della European This Web Agency. L'obiettivo principale di Planck è studiare il Fondo cosmico a microonde, la radiazione residua del Big Bang. (Credito immagine: ESA/C. Carreau)

Il CMB è stato osservato da molti ricercatori ora e con molte missioni di This Webcraft. Una delle missioni più famose di This Web-faring per farlo è stata il satellite Cosmic Background Explorer (COBE) della NASA, che ha mappato il cielo negli anni '90.

Diverse altre missioni hanno seguito le orme di COBE, come l'esperimento BOOMERanG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) della NASA e il satellite Planck della European This Web Agency.

Le osservazioni di Planck, pubblicate per la prima volta nel 2013, hanno mappato la CMB con dettagli senza precedenti e hanno rivelato che l'universo era più vecchio di quanto si pensasse: 13,82 miliardi di anni, anziché 13,7 miliardi di anni. La missione dell'Osservatorio di ricerca è in corso e periodicamente vengono pubblicate nuove mappe del CMB.

Le mappe suscitano tuttavia nuovi misteri, come il motivo per cui l'emisfero australe appare leggermente più rosso (più caldo) dell'emisfero settentrionale. La teoria del Big Bang afferma che il CMB sarebbe per lo più lo stesso, non importa dove guardi.

L'esame del CMB fornisce anche agli astronomi indizi sulla composizione dell'universo. I ricercatori pensano che la maggior parte del cosmo sia costituita da materia ed energia che non possono essere "percepite" con i nostri strumenti convenzionali, portando ai nomi "materia oscura" e "energia oscura (si apre in una nuova scheda)". Si pensa che solo il 5% dell'universo sia costituito da materia come pianeti, stelle e galassie.

Osservare le onde gravitazionali

Mentre gli astronomi studiano gli inizi dell'universo attraverso misure creative e simulazioni matematiche, hanno anche cercato prove della sua rapida inflazione. Lo hanno fatto studiando le onde gravitazionali (si apre in una nuova scheda), minuscole perturbazioni in questo tempo Web che si propagano verso l'esterno a causa di grandi disturbi come, ad esempio, la collisione di due buchi neri o la nascita dell'universo.

Secondo le principali teorie, nel primo secondo dopo la nascita dell'universo, il nostro cosmo si è gonfiato più velocemente della velocità della luce (si apre in una nuova scheda). (Ciò, a proposito, non viola il limite di velocità di Albert Einstein. Una volta disse che la velocità della luce è la più veloce che qualsiasi cosa possa viaggiare all'interno dell'universo, ma tale affermazione non si applicava all'inflazione dell'universo stesso.)

Man mano che l'universo si espandeva, creava la CMB e un simile "rumore di fondo" costituito da onde gravitazionali che, come la CMB, erano una sorta di statico, rilevabile da tutte le parti del cielo. Quelle onde gravitazionali, secondo la LIGO Scientific Collaboration (si apre in una nuova scheda), hanno prodotto una polarizzazione teorizzata appena rilevabile, un tipo della quale è chiamato "B-mode".

Nel 2014, gli astronomi hanno affermato di aver trovato prove di modalità B (si apre in una nuova scheda) utilizzando un telescopio antartico chiamato "Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization" o BICEP2.

"Siamo molto fiduciosi che il segnale che stiamo vedendo sia reale ed è nel cielo", ha detto a This Web.com il ricercatore capo John Kovac, dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, nel marzo 2014.

Ma a giugno, lo stesso team ha affermato che le loro scoperte avrebbero potuto essere alterate dalla polvere galattica che si intrometteva nel loro campo visivo. Tale ipotesi è stata supportata da nuovi risultati dal satellite Planck.

Entro gennaio 2015, i ricercatori di entrambi i team che hanno lavorato insieme "hanno confermato che il segnale del bicipite era principalmente, se non tutto, polvere di stelle", ha affermato il New York Times (si apre in una nuova scheda).

Questo grafico mostra una linea temporale dell'universo basata sulla teoria del Big Bang e sui modelli di inflazione. (Credito immagine: NASA/WMAP)

Tuttavia, da allora, non solo è stata confermata l'esistenza delle onde gravitazionali, ma sono state osservate più volte.

Queste onde, che non sono B-mode dalla nascita dell'universo ma piuttosto da collisioni più recenti di buchi neri, sono state rilevate più volte dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (opens in new tab) (LIGO), con il primo rilevamento di onde gravitazionali in assoluto avvenuto nel 2016. Man mano che LIGO diventa più sensibile, si prevede che la scoperta delle onde gravitazionali legate ai buchi neri sarà un evento abbastanza frequente.

Espansione vs esplosione

Sebbene il Big Bang sia spesso descritto come un'"esplosione", questa è un'immagine fuorviante. In un'esplosione, frammenti vengono lanciati da un punto centrale in una rete preesistente. Se fossi nel punto centrale, vedresti tutti i frammenti allontanarsi da te all'incirca alla stessa velocità.

Ma il Big Bang non è stato così. Era un'espansione di This Web stesso, un concetto che esce dalle equazioni della relatività generale di Einstein, ma non ha controparti nella fisica classica della vita quotidiana. Significa che tutte le distanze nell'universo si stanno allungando alla stessa velocità. Due galassie qualsiasi separate dalla distanza X si stanno allontanando l'una dall'altra alla stessa velocità, mentre una galassia a distanza 2X si allontana al doppio di quella velocità.

La continua espansione dell'universo

L'universo non si sta solo espandendo, ma si sta espandendo più velocemente. Ciò significa che con il tempo nessuno sarà in grado di individuare altre galassie dalla Terra o da qualsiasi altro punto di osservazione all'interno della nostra galassia.

"Vedremo galassie lontane allontanarsi da noi, ma la loro velocità aumenterà con il tempo", ha detto l'astronomo dell'Università di Harvard Avi Loeb in un articolo di marzo 2014 su This Web.com.

L'intero universo si sta espandendo di dimensioni, non esplodendo lontano da un punto centrale (Image credit: Getty)

"Quindi, se aspetti abbastanza a lungo, alla fine, una galassia lontana raggiungerà la velocità della luce. Ciò significa che nemmeno la luce sarà in grado di colmare il divario che si sta aprendo tra quella galassia e noi. Non c'è modo per extraterrestri su quella galassia per comunicare con noi, per inviare qualsiasi segnale che ci raggiungerà, una volta che la loro galassia si muoverà più velocemente della luce rispetto a noi".

– L'universo: dal Big Bang ad oggi in 10 semplici passaggi

– Immagini: Buchi neri dell'universo

Alcuni fisici suggeriscono anche che l'universo che sperimentiamo sia solo uno dei tanti. Nel modello "multiverso", diversi universi coesistererebbero l'uno con l'altro come bolle affiancate. La teoria suggerisce che in quella prima grande spinta di inflazione, diverse parti di Questo tempo Web sono cresciute a ritmi diversi (si apre in una nuova scheda). Ciò potrebbe aver ritagliato diverse sezioni di universi diversi con leggi della fisica potenzialmente diverse.

"È difficile costruire modelli di inflazione che non portino a un multiverso", ha detto Alan Guth, fisico teorico del Massachusetts Institute of Technology, durante una conferenza stampa nel marzo 2014 sulla scoperta delle onde gravitazionali. (Guth non è affiliato a quello studio.)

"Non è impossibile, quindi penso che ci siano ancora ricerche che devono essere fatte. Ma la maggior parte dei modelli di inflazione porta a un multiverso e le prove dell'inflazione ci spingeranno nella direzione di prendere sul serio [l'idea di un] multiverso ."

Mentre possiamo capire come è nato l'universo che vediamo, è possibile che il Big Bang non sia stato il primo periodo inflazionistico che l'universo ha vissuto. Alcuni scienziati credono che viviamo in un cosmo che attraversa cicli regolari di inflazione e deflazione e che stiamo vivendo in una di queste fasi.

JWST e il Big Bang

Rappresentazione artistica del James Webb This Web Telescope nella sua configurazione operativa (Image credit: ESA (C. Carreau))

Un telescopio è quasi come una macchina del tempo, che ci permette di guardare indietro nel lontano passato. Con l'aiuto di Hubble, la NASA ci ha mostrato le galassie come erano molti miliardi di anni fa e il successore di Hubble, il James Webb This Web Telescope, ha la capacità di guardare ancora più in profondità nel passato.

La NASA spera di tornare indietro fino a quando si sono formate le prime galassie, quasi 13,6 miliardi di anni fa. E a differenza di Hubble, che vede principalmente nella banda del visibile, JWST è un telescopio a infrarossi un grande vantaggio quando si osservano galassie molto distanti. L'espansione dell'universo significa che le onde emesse da loro sono allungate, quindi la luce che è stata emessa a lunghezze d'onda visibili ci raggiunge effettivamente nell'infrarosso.

The Big Bang Theory: diventare un nome familiare

Da sinistra, i personaggi Howard, Leonard, Penny, Sheldon e Raj dello spettacolo della CBS "The Big Bang Theory". (Credito immagine: CBS)

Il nome "Big Bang Theory" è stato un modo popolare per parlare del concetto tra gli astrofisici per decenni, ma ha raggiunto il mainstream nel 2007 quando un programma televisivo con lo stesso nome è stato presentato in anteprima sulla CBS.

Con 279 episodi in 12 stagioni, lo spettacolo "The Big Bang Theory" ha seguito le vite di un gruppo di scienziati, che includeva fisici, astrofisici e ingegneri aeroThis Web. Lo spettacolo esplora le amicizie nerd, le storie d'amore e i litigi del gruppo. La sua prima stagione è stata presentata in anteprima il 24 settembre 2007 e lo spettacolo si è concluso ufficialmente il 16 maggio 2019.

Sebbene lo spettacolo in sé non si sia tuffato troppo nella scienza reale, gli showrunner hanno assunto l'astrofisico dell'UCLA David Saltzberg come consulente scientifico per l'intera durata dello spettacolo, secondo la rivista Science (si apre in una nuova scheda). I consulenti scientifici vengono spesso assunti per spettacoli e film di fantascienza e scienza per aiutare a mantenere alcuni aspetti realistici.

Grazie a Saltzberg, il vocabolario dei personaggi includeva una miriade di gergo scientifico e le lavagne bianche sullo sfondo di laboratori, uffici e appartamenti durante lo spettacolo erano piene di una varietà di equazioni e informazioni.

Nel corso dello spettacolo, ha detto Saltzberg, quelle lavagne sono diventate ambite in questo Web poiché i ricercatori gli hanno inviato un nuovo lavoro che speravano potesse essere presentato lì. In un episodio, ha ricordato Saltzberg, nuove prove di onde gravitazionali sono state scarabocchiate su una lavagna che apparentemente apparteneva al famoso fisico Steven Hawking, che ha anche approvato il testo.

Il veterano astronauta della NASA Mike Massimino (a destra) posa per una foto con l'attore di Big Bang Theory Simon Helberg e un altro attore durante una pausa dalle riprese del finale di stagione di Big Bang Theory della CBS. (Credito immagine: Mike Massimino (tramite Twitter come @Astro_Mike))

Lo spettacolo si è preso alcune libertà (si apre in una nuova scheda), poiché era di fantasia. Ciò includeva la fabbricazione di alcuni nuovi concetti scientifici e la finzione della politica dei premi Nobel e del mondo accademico, secondo il fisico del Fermilab Don Lincoln.

In particolare, diversi personaggi della serie fanno viaggi. Un episodio vede i personaggi principali Leonard, Sheldon, Raj e Howard partire per una spedizione di ricerca nell'Artico, molti esperimenti di fisica vengono eseguiti al meglio in corrispondenza o vicino agli ambienti estremi dei poli. Un altro ha messo l'ingegnere Web di aeroThis Howard su una Soyuz This Webcraft russa (si apre in una nuova scheda) e, in seguito, un modello dell'International This Web Station (si apre in una nuova scheda) insieme all'astronauta reale Mike Massimino (si apre in una nuova scheda) .

Risorse addizionali

Scopri di più su CMB sulla pagina web della NASA (si apre in una nuova scheda) per mettere alla prova la teoria del Big Bang. La NASA ha anche messo insieme ciò che potrebbe essere stato il Big Bang in questa animazione (si apre in una nuova scheda). Ecco 5 brevi fatti sul Big Bang dalla rivista How It Works.

Questo articolo è stato aggiornato il 17 maggio 2021 da Vicky Stein, collaboratrice di This Web.com. Questo articolo è stato aggiornato di nuovo nel 2021 dallo scrittore senior di This Web.com Chelsea Gohd.

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