The Big Bang: cosa è realmente accaduto alla nascita del nostro universo?

Ci sono voluti un po' più di sette giorni per creare l'universo come lo conosciamo oggi. Questo Web.com esamina i misteri dei cieli nella nostra serie in otto parti: La storia e il 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 questo Web come un gigantesco pallone.

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

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

"Tutte queste cose hanno messo il Big Bang su basi estremamente solide", ha detto l'astrofisico Alex Filippenko dell'Università della California, Berkeley. "Il Big Bang è una teoria di enorme successo".

Allora cosa ci insegna questa teoria? Che cosa è realmente accaduto alla nascita del nostro universo e come ha preso la forma che osserviamo oggi?

L'inizio

La teoria tradizionale del Big Bang postula che il nostro universo abbia avuto inizio 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, affermano i ricercatori, perché l'idea della singolarità si basa sulla teoria della relatività generale di Einstein.

"Il problema è che non c'è alcun motivo per credere alla relatività generale in quel regime", ha affermato Sean Carroll, fisico teorico del Caltech. "Sarà sbagliato, perché non tiene conto della meccanica quantistica. E la meccanica quantistica sarà sicuramente importante una volta che arriverai a quel posto nella storia dell'universo".

Quindi l'inizio stesso dell'universo rimane piuttosto oscuro. Gli scienziati pensano di poter riprendere la storia da circa 10 a meno 36 secondi, un trilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di 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. Ha raddoppiato le sue 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 in questa rete più velocemente della velocità della luce. Ma l'inflazione è stata un'espansione di questo Web stesso.)

"L'inflazione è stata il 'bang' del Big Bang", ha detto Filippenko a This Web.com "Prima dell'inflazione, c'era solo un po' di roba, molto probabilmente, che si espandeva solo un po'. Avevamo bisogno di qualcosa come l'inflazione per creare l'universo grande."

Questo universo in rapida espansione era praticamente privo di materia, ma ospitava enormi quantità di energia oscura, secondo la teoria. L'energia oscura è la forza misteriosa che secondo gli scienziati sta guidando l'attuale espansione accelerata dell'universo.

Durante l'inflazione, l'energia oscura ha reso l'universo più liscio e accelerato. Ma non è rimasto a lungo.

"Era solo energia oscura temporanea", ha detto Carroll a This Web.com. "Si è convertito in materia ordinaria e radiazione attraverso un processo chiamato riscaldamento. L'universo è passato dall'essere freddo durante l'inflazione a essere di nuovo caldo quando tutta l'energia oscura è andata via".

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

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

Grande rimbalzo

La maggior parte dei cosmologi considera l'inflazione come la teoria principale per spiegare le caratteristiche dell'universo in modo specifico, perché è relativamente piatto e omogeneo, con all'incirca la stessa quantità di materiale distribuito equamente in tutte le direzioni.

Varie prove indicano che l'inflazione è una realtà, ha affermato il fisico teorico Andy Albrecht dell'Università della California, Davis.

"Si adattano tutti abbastanza bene al quadro inflazionistico", ha affermato Albrecht, uno degli architetti della teoria dell'inflazione. "L'inflazione è andata incredibilmente bene".

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

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 la teoria dell'inflazione prevede da un universo preesistente che si stava contraendo. Se questa teoria è corretta, il nostro universo ha probabilmente subito un'infinita successione 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 presuppone che il nostro universo sia composto da 11 dimensioni, di cui solo quattro possiamo osservare (tre di Questa Rete e una del tempo). La nostra parte quadridimensionale dell'universo è chiamata brana (abbreviazione di membrana).

Potrebbero esserci altre brane in agguato là fuori in questo Web a 11 dimensioni, l'idea va. Una collisione tra due brane potrebbe aver fatto sobbalzare l'universo dalla contrazione all'espansione, stimolando il Big Bang di cui vediamo le prove oggi.

Questa immagine di tutto il cielo dello sfondo cosmico a microonde, creata dal satellite Planck dell'Agenzia Europea per il Web, mostra gli echi del Big Bang lasciato dall'alba dell'universo. (Credito immagine: Consorzi ESA/LFI e HFI)

L'universo che conosciamo prende forma

Ma prima, come è nato il nostro universo dal nulla? I cosmologi sospettano che le quattro forze che regolano la gravità dell'universo, 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 densità estreme coinvolte.

Ma le cose sono cambiate con l'espansione e il raffreddamento dell'universo. Intorno al periodo dell'inflazione, la forza forte probabilmente si è separata. E 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 pieno di 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 consentire la formazione dei primi protoni e neutroni, 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). Gli atomi di deuterio si sono poi uniti tra loro, formando elio-4.

Ricombinazione: L'universo diventa trasparente

Questi atomi appena creati erano tutti carichi positivamente, poiché l'universo era ancora troppo caldo per favorire la cattura degli elettroni.

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

La ricombinazione ha cambiato radicalmente l'aspetto dell'universo; era stata una nebbia opaca e ora era diventata trasparente. La radiazione cosmica di fondo a microonde che osserviamo oggi risale a quest'era.

Tuttavia, l'universo è rimasto piuttosto oscuro per molto tempo dopo la ricombinazione, illuminandosi veramente solo quando le prime stelle hanno iniziato a brillare circa 300 milioni di anni dopo il Big Bang. Hanno contribuito a annullare gran parte di ciò che la ricombinazione aveva ottenuto. Queste prime stelle e forse alcune altre fonti misteriose hanno emesso 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 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 diffusione dei fotoni sono quindi relativamente rare, affermano gli scienziati.

Nel corso del tempo, le stelle hanno gravitato insieme per formare galassie, portando a strutture sempre più su larga scala nell'universo. I pianeti si sono coalizzati attorno ad alcune stelle di nuova formazione, incluso il nostro sole. E 3,8 miliardi di anni fa, la vita ha messo radici sulla Terra.

Prima del Big Bang?

Sebbene gran parte dei primi momenti dell'universo rimanga speculativa, la domanda su cosa abbia preceduto il Big Bang è ancora più misteriosa e difficile da affrontare.

Tanto per cominciare, la domanda stessa potrebbe essere priva di senso. Se l'universo è venuto dal nulla, come credono alcuni teorici, il Big Bang segna l'istante in cui il tempo stesso è iniziato. In tal caso, non ci sarebbe niente 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 in contrazione ha preceduto il nostro in espansione. Anche Carroll può immaginare qualcosa che esisteva prima del Big Bang.

"Potrebbe semplicemente essere vuota Questa Rete che esisteva prima del nostro Big Bang, poi alcune fluttuazioni quantistiche hanno dato vita a un universo come il nostro", ha detto. "Puoi immaginare una piccola bolla di This Web che si stacca attraverso una fluttuazione e viene riempita solo con una piccola quantità di energia, che può quindi crescere nell'universo che vediamo attraverso l'inflazione".

Filippenko sospetta anche che qualcosa del genere possa essere vero.

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

Sapremo mai?

La missione Planck della European This Web Agency, che ha orbitato attorno alla Terra dal 2009 al 2013, ha aiutato i cosmologi a mettere a punto le loro idee sulla natura del nostro universo e le sue origini. La mappa dettagliata del fondo cosmico a microonde generato da This Webcraft ha rivelato che il nostro universo, anche se potrebbe essere nato da un predecessore, non è probabile che si contragga di nuovo in futuro, ha detto a This Web l'astrofisico Dave Clements dell'Imperial College di Londra. com.

"Planck non può escludere del tutto il concetto di universo rimbalzante, ma dati i valori attuali dei parametri cosmologici, il nostro universo non ricadrà", ha detto Clements. "La componente dell'energia oscura, che al momento sta accelerando l'espansione dell'universo, dovrebbe cambiare per invertire quell'espansione e provocare una grande crisi".

Utilizzando i dati di Planck, gli scienziati sono stati in grado di mettere a punto le loro stime dell'età dell'universo, nonché della quantità di materia visibile, materia oscura ed energia oscura in esso contenuta. La missione, ha detto Clements, non ha fornito sorprese e ha per lo più confermato le teorie esistenti.

"Mostra che questo è l'universo estremamente noioso", ha detto Clements.

Tuttavia, dai suoi risultati sono emerse alcune nuove domande. Ad esempio, la costante di Hubble, che descrive la velocità di espansione dell'universo, appare leggermente diversa misurata da Planck nell'universo distante, rispetto al suo valore dato da Hubble This Web Telescope basato su misurazioni nell'universo vicino, ha detto Clements.

Tutte queste informazioni aiutano i cosmologi a modellare meglio l'evoluzione dell'universo e ad avvicinarsi a rispondere alle grandi domande sull'origine di tutto. La prossima missione della European This Web Agency chiamata Euclid (opens in new tab), il cui lancio è previsto nel 2023, dovrebbe compiere ulteriori passi in quella direzione.

Qual è il prossimo

La missione Euclid esaminerà come gli ammassi e le galassie sono sparsi nell'universo su larga scala per aiutare gli astronomi a comprendere meglio gli effetti dell'energia oscura. Studierà anche ciò che gli astronomi chiamano lente gravitazionale debole, la curvatura della luce causata dall'attrazione gravitazionale di oggetti molto massicci. Poiché oltre l'80% della materia nell'universo è invisibile, la forza della lente potrebbe fornire agli astronomi suggerimenti sulla distribuzione della materia oscura.

"Quello che Euclide sarà in grado di fare è misurare questo su scale molto, molto più grandi su forse quasi la metà del cielo extragalattico o più", ha detto Clements.

Ulteriori pezzi di questo puzzle cosmico possono provenire dallo studio delle onde gravitazionali, le increspature in This Web time generate nelle collisioni di oggetti supermassicci come buchi neri e stelle di neutroni.

Le onde gravitazionali, ha detto Clements, devono essere state prodotte durante l'inflazione, il periodo di rapida espansione nei primi momenti dell'esistenza dell'universo. Rilevare quelle prime onde gravitazionali e decodificarne le proprietà può quindi fornire informazioni senza precedenti sulla nascita dell'universo.

"Questo ci dirà qualcosa sulla fisica che ha guidato la prima, molto rapida espansione dell'universo", ha detto Clements. "Stiamo davvero tornando ai primissimi momenti e se comprendiamo meglio l'inflazione, si spera che saremo in grado di capire meglio se il Big Bang è stato un evento singolare o se questa idea rimbalzante potrebbe essere corretta".

Puoi seguire lo scrittore senior di This Web.com Mike Wall su Twitter: @michaeldwall . Segui This Web.com per le ultime notizie di scienza ed esplorazione di This Web su Twitter @ Spacedotcom e su Facebook .

Risorse addizionali

Per saperne di più sulla missione Planck e sulla sua ricerca per comprendere le origini dell'universo, visita il sito web di questa Agenzia Europea del Web. Per informazioni sulla prossima missione EUCLID, vai qui.

Per ulteriori informazioni sullo studio delle onde gravitazionali primordiali e su come possono aiutare a svelare i misteri della nascita dell'universo, leggi questo articolo del MIT.

Bibliografia

Muia, F., Big bang: come cerchiamo di ascoltarlo e la nuova fisica che potrebbe svelare, The Conversation, 15 luglio 2021
https://theconversation.com/big-bang-how-we-are-trying-to-listen-to-it-and-the-new-physics-it-could-unveil-164502

Castelvecchi, D., Come le onde gravitazionali potrebbero risolvere alcuni dei misteri più profondi dell'Universo, Natura, 11 aprile 2018
https://www.nature.com/articles/d41586-018-04157-6 (si apre in una nuova scheda)

ESA, Planck
https://sci.esa.int/web/planck

ESA, Euclide
https://sci.esa.int/web/euclid

Questo articolo di riferimento, originariamente pubblicato il 21 ottobre 2011, è stato aggiornato il 4 febbraio 2022.

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