L’Universo, l’insieme di tutto ciò che esiste: definizione, origine, espansione ed evoluzione

L'Universo è l'insieme di tutto ciò che esiste: l'insieme dei corpi celesti, cioè dei pianeti, stelle, galassie, gas e polveri, materia oscura ed energia oscura. Più precisamente, l'Universo osservabile è l'insieme di tutto ciò che ha avuto modo di interagire causalmente con il punto in cui ci troviamo dal momento iniziale della storia cosmica, il Big Bang avvenuto 13,8 miliardi di anni fa. L'Universo si espande sin dal Big Bang e a oggi si estende per 93 miliardi di anni luce circa e contiene tra 6000 e 20.000 miliardi di galassie, ciascuna con centinaia di miliardi di stelle e pianeti. Ma non sappiamo ancora tante cose, per esempio quale sarà il suo destino.

Che cos'è l'Universo

Definire l'Universo non è così semplice come sembra. L'Universo può essere descritto come l'insieme di tutto ciò che esiste. Questo significa sostanzialmente la totalità dello spazio e del suo contenuto di materia ed energia: pianeti, galassie, stelle e così via.

Non tutto l'Universo, però, si può osservare. Dall'istante del Big Bang, ogni punto del cosmo ha avuto modo di interagire solo con una porzione dell'Universo, detta Universo osservabile di quel punto. Per questo motivo, spesso quando si parla di Universo si intende in realtà il nostro Universo osservabile, ovvero l'insieme delle entità fisiche che sono (o sono state) in grado di interagire reciprocamente con il punto in cui ci troviamo. Il nostro Universo osservabile è una sfera di cui noi occupiamo il centro e che ha attualmente un diametro di 93 miliardi di anni luce. Attualmente non possiamo avere informazioni su ciò che si trova oltre questa distanza, nemmeno in linea di principio. Non sappiamo se l'Universo sia finito o infinito oltre il confine dell'Universo osservabile.

L'universo è composto di materia ordinaria (circa 5%), materia oscura (circa 26%) ed energia oscura (circa 69%).

I pianeti

Gli oggetti celesti con cui abbiamo sicuramente più familiarità sono i pianeti, come la nostra Terra. Un pianeta è un corpo che orbita attorno a una stella, ha una forma approssimativamente sferica e domina nettamente in termini di massa la sua orbita. A occhio nudo possiamo individuare cinque pianeti: Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno. Con l'aiuto dei telescopi abbiamo scoperto altri due pianeti: Urano nel 1781 e Nettuno nel 1846. Il Sistema Solare comprende anche alcuni pianeti nani, cioè che non dominano in termini di massa la loro orbita;  il più famoso è Plutone.

Nel 1992 fu scoperto il primo pianeta extrasolare, cioè un pianeta che orbita attorno a un'altra stella. Oggi ne conosciamo più di 5600.

Le stelle

Le stelle sono corpi che producono energia tramite reazioni termonucleari che avvengono al loro interno. Questa energia viene liberata sotto forma di radiazioni elettromagnetiche, che noi possiamo osservare anche a distanza di centinaia di anni luce. Le stelle hanno prodotto gli atomi di tutti gli elementi chimici diversi da idrogeno, elio e litio.

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Le galassie

Le stelle sono organizzate in grandi agglomerati chiamati galassie, che comprendono anche gas e polveri. Si stima che nell'Universo osservabile ce ne siano tra 6000 e 20.000 miliardi. A seconda della loro forma, le galassie si suddividono in ellittiche, a spirale, lenticolari o irregolari. Una galassia come la nostra Via Lattea può contenere centinaia di miliardi di stelle. Le galassie sono raggruppate in gruppi e ammassi (strutture legate gravitazionalmente) e superammassi (insiemi di ammassi non legati gravitazionalmente). La nostra galassia, la Via Lattea, si trova nel Gruppo Locale che a sua volta fa parte del superammasso della Vergine.

Come è nato l'Universo

L'Universo nacque 13,8 miliardi di anni fa. L'istante iniziale viene chiamato Big Bang: all'epoca l'universo occupava un volume infinitesimo ed era estremamente caldo e denso; poi andò espandendosi e raffreddandosi. Non conosciamo la causa del Big Bang. Contrariamente a quanto afferma un misconception piuttosto diffuso, infatti, la teoria del Big Bang non descrive cosa ha provocato la nascita dell'Universo, ma come quest'ultimo è evoluto dopo il Big Bang. È come una teoria che spiega come crescono i bambini una volta nati, ma non spiega come nascono.

La fisica che conosciamo, infatti, cessa di funzionare quando tenta di descrivere un evento così estremo come il Big Bang. Secondo molti fisici, per descrivere accuratamente il Big Bang occorre una teoria della gravità quantistica, che al momento manca. Esistono due prove schiaccianti per la teoria del Big Bang:

1. le abbondanze degli elementi chimici primordiali (idrogeno, elio e litio) che si osservano nell'universo è perfettamente in linea con le predizioni della teoria;
2. l'esistenza e le proprietà della radiazione cosmica di fondo sarebbero inspiegabili senza la teoria del Big Bang.

L'espansione dell'Universo

Il primo a proporre l'idea che l'Universo si sia espanso a partire da un momento iniziale nel lontano passato fu il fisico belga Georges Lemaître nel 1927. Basandosi sulle equazioni della relatività generale di Albert Einstein, Lemaître descrisse per primo lo scenario di un Big Bang caldo e denso. Predisse che, se l'universo fosse in espansione, avremmo dovuto osservare che le galassie distanti apparirebbero allontanarsi da noi con una velocità apparente proporzionale alla loro distanza da noi. Nel 1929, l'astronomo americano Edwin Hubble confermò la predizione di Lemaître, verificando quindi che l'Universo si sta espandendo.

Destino finale dell'Universo

Cosa accadrà all'Universo nel lontano futuro dipende sostanzialmente dal suo contenuto di materia ed energia. In particolare, l'ingrediente attualmente più abbondante dell'Universo è l'energia oscura, una forma di energia repulsiva il cui effetto cosmologico è accelerare l'espansione dell'Universo. Gli scenari sul destino dell'universo dipendono quindi principalmente dalla nostra descrizione dell'energia oscura.

Se la densità di energia oscura è costante nel tempo, l'Universo si espanderà per sempre raffreddandosi sempre più: è il fenomeno del Big Freeze o Big Chill. Se invece aumenta nel tempo, l'accelerazione dell'espansione aumenterà sempre più fino a disintegrare ogni struttura riducendo il cosmo a una “zuppa” di particelle elementari troppo distanti per poter interagire tra loro: questo scenario prende il nome di Big Rip. Altri modelli in cui l'energia oscura è variabile nel tempo prevedono che l'Universo possa ricollassare su se stesso nel cosiddetto Big Crunch.

Quanti sono gli universi: le ipotesi sul multiverso

L'Universo in cui abitiamo potrebbe non essere l'unico. Alcune teorie di frontiera prevedono infatti l'esistenza di più universi distinti e inaccessibili l'uno all'altro. L'ipotetico insieme di tutti gli universi prende il nome di multiverso. Tuttavia, nessuna teoria del multiverso è stata finora dimostrata, pertanto rimane solo un'ipotesi.

Un'altra classe di teorie affascinanti sono quelle sull'universo ciclico, secondo cui il nostro attuale Universo sia solo uno di una serie temporale potenzialmente infinita nel passato e nel futuro. Nel 2018 il fisico Roger Penrose (poi premio Nobel nel 2020) dichiarò che alcune anomalie nella radiazione cosmica di fondo fossero indizi di un Universo precedente, ma l'ipotesi fu scartata.