big bang

Il Big Bang è, secondo la teoria più accreditata, l’evento che ha dato origine all’Universo circa 13,8 miliardi di anni fa. Più nello specifico si tratterebbe di un’improvvisa espansione che ha permesso allo Spazio di passare dalla dimensione di una piccola particella alle dimensioni dell’Universo che oggi conosciamo. In questo articolo andremo a vedere non solo le caratteristiche di questo grande Bang, ma anche come è stato scoperto e quali sono le teorie alternative.

La teoria del Big Bang

Partiamo col dire che il Big Bang non fu in realtà un “bang”. Non dobbiamo infatti immaginare questo evento come un’esplosione, con fuoco e fiamme in stile hollywoodiano. Si tratta in realtà di una rapidissima dilatazione dello Spazio stesso, con conseguente rarefazione della materia che, circa 13,8 miliardi di anni fa, era concentrata in un volume infinitesimale.

Quindi il materiale che poi diventò la specie umana, tutti i pianeti, le stelle e le galassie era compresso in un unico punto che era infinitamente denso. Questo concetto è complicatissimo da visualizzare e la stessa fisica non sa con esattezza come fosse fatto questo punto, tant’è che viene definito “singolarità”, cioè un’eccezione, così come ipotizzato dai fisici Stephen Hawking e Richard Penrose negli anni ‘60.

La teoria del Big Bang prevede dunque che questo piccolissimo punto si sia improvvisamente espanso, andando gradualmente a formare il nostro Universo che – tra le altre cose – è tuttora in lenta espansione. Questa teoria può essere ritenuta valida se si considerano due principi fondamentali: l’universalità delle leggi della fisica (cioè le leggi della fisica funzionano allo stesso modo in tutto l’Universo) e l’omogeneità e isotropia dell’Universo (cioè, a larga scala, la distribuzione di galassie, stelle, buchi neri ecc. risulta essere la stessa in ogni direzione).

big bang espansione
in foto: Big Bang ed espansione dell’Universo (credit: NASA).

La cronologia del Big Bang

La creazione dell’Universo è avvenuta in più fasi, legate al raffreddamento di questo primordiale accumulo di materia o, per meglio dire, di energia. Possiamo riassumere il processo in diverse fasi: fase della Grande unificazione, dell’inflazione, elettrodebole e della materia. Nota bene: esistono anche fasi intermedie ma, per semplicità, cercheremo di riassumerle all’interno delle fasi principali.

Fase della Grande unificazione

Corrisponde al punto zero della nostra storia. Abbiamo solo una singolarità (detta anche fase di Planck) con densità infinita sulla quale non abbiamo alcun tipo di dato certo, dal momento che le nostre leggi della fisica non funzionano in ambienti così estremi. È possibile supporre che materia ed energia fossero sostanzialmente la stessa cosa: non esistevano distinzioni tra forze atomiche, gravitazionali o elettromagnetiche.

Fase dell’inflazione

Il “bang” permette a questa singolarità di espandersi a un tasso incredibilmente rapido dando origine al fenomeno dell’inflazione. Secondo questa ipotesi, la rapidissima espansione conferì all’Universo una geometria “piatta”, che è sostanzialmente la geometria euclidea che studiamo a scuola.

Questa fase, per dirla in termini tecnici, si è sviluppata dopo un centimiliardesimo di yoctosecondo dal Big Bang, cioè dopo 0,000…1 secondi, ma con trentasei zeri dopo la virgola! Nonostante l’inflazione sia stata solo ipotizzata per molti anni, gli astronomi ne fanno uso poiché risolve alcuni problemi cosmologici che altrimenti rimarrebbero senza soluzione.

Fase elettrodebole

Dopo un centimilionesimo di yoctosecondo (stavolta gli zeri dopo la virgola sono 24) l’Universo iniziò a raffreddarsi passando da un miliardo di miliardi di miliardi di gradi a “soli” un miliardo di gradi. Oltre a fare più “freschetto”, si espanse anche da un punto di vista dimensionale, passando da un diametro approssimativo di 10 metri a circa 1 milione di chilometri.

In questa fase accadde una cosa molto importante, cioè l’energia “iniziale” si divise nelle quattro principali componenti che regolano tutt’oggi l’Universo: interazione gravitazionale, interazione elettromagnetica, interazione nucleare forte e interazione nucleare debole. Questi paroloni, cercando di dirlo in modo “pop”, corrispondono alle forze che permettono alle particelle elementari (comprese le particelle che compongono la materia) di interagire tra loro.

Le particelle subatomiche che iniziano a formarsi e a combinarsi includono nomi esotici come gluoni, quark ed elettroni. Senza scendere nei dettagli, diciamo che tutte queste sono i mattoncini che faranno da base ai nostri atomi.

Fase della materia

Prima di questa fase, sono in teoria presenti svariati step durante i quali la combinazione di diversi tipi di particelle porta all’origine degli atomi. Questo avvenne quando i nuclei di elio ed idrogeno riuscirono a catturare gli elettroni. Dal Big Bang sono passati ben 380.000 anni e la temperatura è scesa a circa 2700°C.

Ricordiamo poi che l’inflazione causò, inizialmente, una distribuzione disomogenea della materia. L’effetto della gravità permise però la sua condensazione dando progressivamente vita a stelle, galassie, pianeti e tutto ciò che conosciamo.

Big Bang schema evoluzione
in foto: Schema sintetico dello sviluppo dell’Universo dal Big Bang ad oggi
(credit: Ars Electronica).

Ok, la parte complicata è terminata ed è arrivato il momento di una piccola curiosità per rilassarci: la tinta media dell’Universo (cioè il colore medio ottenuto sommando tutte le luminosità dei corpi celesti) è una particolare tonalità di bianco che prende il nome di “cosmic latte” e, come confermato dalla NASA, il suo codice colore è #fff8e7.

Cosa c’era prima del Big Bang?

Sarebbe bello poter dare una risposta ma è necessario alzare bandiere bianca e dire “non lo sappiamo”. Non sappiamo nemmeno come fosse effettivamente fatto quel primo punto con infinita densità che ha dato poi origine a tutto. Tutto quello che precede i 13,8 miliardi di anni fa, se mai c'è stato, è in sostanza pura speculazione che al momento non ha alcun tipo di prova scientifica a supporto.

Come si svilupperà il Big Bang?

Anche questo è un "mistero". La teoria più accreditata è quella del Big Chill, ovvero una costante espansione che porterà l’Universo a raffreddarsi sempre più, fino alla morte di ogni corpo celeste al suo interno. Triste, non è vero? Non temete però, il tutto non accadrà prima di miliardi di miliardi di anni. Altre ipotesi riguardano il Big Crunch (ovvero una contrazione dell’Universo con conseguente collasso) e il Big Rip (cioè un'espansione sempre più accelerata che smembrerà ogni struttura dell’Universo).

Come viene studiato il Big Bang?

A questo punto sarebbe lecito chiedersi “ok, ma tutte queste cose come sono state scoperte?”.
Le prove a favore di questa teoria sono sostanzialmente tre:

  1. studio dell’espansione delle galassie tramite il red shift;
  2. misura della radiazione cosmica di fondo;
  3. abbondanza degli elementi leggeri nell’Universo.

Red shift

Come abbiamo visto, l’Universo è in espansione e quindi le galassie si allontanano progressivamente le une dalle altre. Per visualizzare questo concetto immaginate di prendere un palloncino sgonfio (che rappresenta l’Universo) e di disegnarci sopra dei puntini (che rappresentano le galassie). Quando soffio nel palloncino (cioè quando l’Universo si espande) vedo i pallini che si allontanano gli uni dagli altri in ogni direzione, proprio come fanno le galassie nella realtà.

Come possiamo verificare questa informazione? Quando una galassia si allontana da noi accade un fenomeno che in fisica è conosciuto come “effetto Doppler”. Senza descriverne nel dettaglio la natura puramente fisica, possiamo dire che più un corpo luminoso si allontana da noi e più la sua luce a noi sembrerà tendere al rosso (da qui il termine red-shift). È la stessa cosa che accade con le onde sonore quando ci passa vicino un’ambulanza. Quando passa accanto a noi sentiamo un suono più acuto della sirena, mentre quando si allontana questo diventa più grave. Con le stelle succede esattamente la stessa cosa, solo che anziché cambiare la tonalità del suono cambia il colore della luce.

Morale della favola, le galassie più distanti hanno tinte sempre più tendenti al rosso e, quindi, si stanno progressivamente allontanando da noi. Questo principio, se lo guardiamo nel verso opposto, ci dice che in passato le galassie erano più vicine di quanto non lo siano oggi e, agli estremi, vuol dire che all’origine dell’Universo tutto lo spazio era concentrato in un unico piccolissimo punto.

Red shift illustrazione
in foto: Se una stella (o una galassia) si allontana, la percepiamo più vicina ai toni del rosso. Al contrario se si avvicina si sposterà verso il blu (credit: NASA).

Misura della radiazione cosmica di fondo

Nell'Universo sono tutt'oggi presenti radiazioni che risalgono quasi al tempo del Big Bang… Sembra incredibile ma è così! Furono scoperte da Arno Penzias e Robert Wilson nel 1964 (futuri premi Nobel nel 1978). Si tratta di grandi quantità di fotoni che, se vogliamo, possono essere visti come il residuo del calore primordiale dell'Universo. Questi fotoni prendono il nome di “radiazione cosmica di fondo”.

I fotoni nacquero 13,8 miliardi di anni fa, nei primissimi istanti di vita dell'Universo. Oggi, dopo tutto questo tempo, la loro frequenza è diminuita, la loro lunghezza d'onda è aumentata e oggi sono diventate delle microonde. Il segnale di queste microonde che riceviamo è sostanzialmente uniforme, indipendentemente da quale sia la zona dell'Universo che stiamo analizzando. La presenza di questa radiazione, la sua incredibile uniformità e la sua temperatura (appena 2,7 gradi sopra lo zero assoluto) rappresentano una prova schiacciante della teoria del Big Bang, perché non possono essere spiegate altrimenti.

Le osservazioni svolte nel corso degli anni – specialmente quelle della missione Planck dell’ESA – hanno permesso di vedere come, in realtà, la distribuzione di queste microonde sia leggermente irregolare, quasi “a macchie”, con zone relativamente più calde (in rosso, nell'immagine sottostante) e relativamente più fredde (in blu). Questo può essere paragonato all’impronta digitale dell’Universo per comprendere cosa accadde nei primi istanti di espansione successivi al Big Bang.

plank radiazione cosmica fondo
in foto: Radiazione cosmica di fondo rilevata durante la missione Planck. Le aree arancioni corrispondono a zone leggermente più calde della media, mentre quelle blu sono leggermente più fredde (credit: NASA).

Abbondanza degli elementi leggeri

Con "elementi leggeri" gli astronomi intendono sostanzialmente i primi tre elementi della tavola periodica: l'idrogeno, l'elio e il litio. I nuclei atomici di questi elementi, che possiamo osservare ancora oggi nell'Universo, si sono formati infatti nei primissimi minuti successivi al Big Bang: un fenomeno chiamato nucleosintesi primordiale. La domanda è: “le condizioni iniziali del Big Bang possono spiegare il "dosaggio" che osserviamo di questi elementi?”. La risposta è sì.

Grazie a numerosi calcoli e l’ausilio di tecnologie informatiche è stato possibile comprendere come la combinazione di particelle primordiali abbia effettivamente potuto giustificare le abbondanze degli elementi leggeri nel cosmo. Anche questa è una prova schiacciante della teoria del Big Bang.

Come confermato dalle fonti più autorevoli (tra le quali NASA ed ESA), la prima formazione di veri e propri atomi di idrogeno, elio e in piccolissima parte di litio si è verificata a partire da 380.000 anni dopo il Big Bang, quando la temperatura era di circa 2700 gradi (fase della materia). Tutti gli elementi più pesanti, come ad esempio ossigeno, ferro, neon o carbonio, si sono sviluppati solo in seguito alla nascita e alla morte di miliardi di stelle tramite processi di fusione nucleare.

Le critiche e i dubbi sul Big Bang

Non tutte le personalità scientifiche sono d’accordo con la teoria del Big Bang. Lo stesso termine “Big Bang”, se vogliamo dirla tutta, è nato negli anni '40 come dispregiativo inventato da Fred Hoyle, cosmologo e negazionista del Bang. Secondo la sua visione, l’Universo in realtà era stazionario: non si espande, non si contrae, ma è sempre uguale a sé stesso. Questa è detta quindi teoria dello stato stazionario. Questa teoria cadde in disuso in seguito alla scoperta della radiazione cosmica di fondo.

La più affascinante tra le contro-teorie è però quella del Big Bounce, ipotizzata negli anni ‘80 dai ricercatori Guth, Linde, Starobinsky e Steinhardt. Anziché considerare il “bang” come momento iniziale del nostro universo, potremmo considerarlo come punto di rimbalzo.

Usiamo un esempio per chiarire il concetto.

Immaginate di applaudire. Quando le mani si toccano e fanno “clap”, quello è il vostro bang iniziale. Appena sentite il clap, riallontanate le mani e, con un po’ di fantasia, l’aria tra le vostre mani è la grandezza dell’Universo. Il modello classico di Big Bang sostiene che le vostre mani continueranno ad allontanarsi, senza mai riavvicinarsi (quindi l’Universo tende ad allargarsi sempre più andando incontro al Big Chill). Secondo il Big Bounce invece le vostre mani a un certo punto si riavvicineranno, fino a scontrarsi nuovamente e fare un nuovo “clap” (il Big Crunch di cui sopra). Questa seconda fase di compressione e di “clap” corrisponde in sostanza ad un nuovo ciclo dell’Universo che, idealmente, continua all’infinito ad espandersi e a contrarsi, generando ad ogni ciclo un nuovo Big Bang.

Big bounce
in foto: Schema semplificato del Big Bounce (credit: Max Miller jun).
Articolo a cura di
Stefano Gandelli