LA COSMOLOGIA


La nascita della cosmologia moderna


La cosmologia e' la scienza che studia l'origine e l'evoluzione dell'Universo.
Nella storia del pensiero scientifico occidentale, essa ha avuto un ruolo molto importante e in qualche modo legato alla filosofia e alla religione. Fino a pochi secoli fa, l'universo conosciuto era descritto dal Sistema Tolemaico, secondo il quale il cosmo era perfetto ed immutabile ed aveva il suo centro nella Terra.
Con Copernico, Galileo e Keplero termino' la concezione geocentrica dell'universo e si passo' ad una concezione eliocentrica. Non si tratto' solo di un semplice cambiamento di prospettiva, ma dell'avvio di una vera e propria rivoluzione nella scienza, perche' da allora in avanti il dogma lascio' il posto alla sperimentazione.

Oggi sappiamo che la Terra non e' al centro dell'Universo, ma fa parte di un sistema planetario; questo a sua volta e' parte della Via Lattea, la quale non e' altro che una delle moltissime galassie presenti nell'Universo.
Tuttavia, fino a pochi decenni fa si credeva che la nostra Galassia costituisse l'intero cosmo e che tutte le stelle e le nebulose visibili ne facessero parte.
Soltanto negli anni '20, l'astronomo Edwin Hubble scopri' che alcune di quelle stelle e nebulose sono esterne alla Via Lattea e sono in realta' galassie molto distanti


L'espansione dell'Universo e il Big Bang


Nel 1929, Hubble scopri' anche che tutte le galassie sembrano allontanarsi da noi, infatti la radiazione che esse emettono e' spostata verso il lato rosso dello spettro, cioe' presentano il fenomeno del redshift:
nello spettro della luce visibile, il colore e' funzione della lunghezza d'onda. Intorno ai 4.000 Angstrom la luce ha un colore violetto, che al crescere della lunghezza d'onda passa al verde, al giallo e poi al rosso, intorno ai 7.000 Angstrom. Quando una sorgente si avvicina o si allontana da un osservatore, la luce che essa emette si comporta come le onde acustiche. E' noto che quando un treno si avvicina il suo fischio diventa piu' acuto, perche' le onde arrivano ad intervalli sempre piu' brevi man mano che la sorgente si avvicina; viceversa il tono diventa piu' grave quando il treno si allontana. Questo e' il cosiddetto "effetto Doppler". Allo stesso modo, quando una sorgente di luce si avvicina, e' come se il numero di oscillazioni per unita' di tempo dell'onda elettromagnetica aumentasse, cosi' la lunghezza d'onda decresce e si dice che la luce si sposta verso il blu ("blueshift").
Se invece la sorgente si allontana dall'osservatore, la lunghezza d'onda sembra aumentare e si ha lo spostamento della luce verso il rosso (in inglese "redshift"). Lo spostamento e' direttamente proporzionale alla velocita' della sorgente luminosa.
Il redshift si calcola per mezzo di alcune righe spettrali facilmente identificabili, misurando la differenza tra la loro lunghezza d'onda e quella avrebbero se venissero emesse da una sorgente in quiete, essendo quest'ultima conosciuta.

Misurando la velocita' delle galassie tramite il loro redshift, e la loro distanza, Hubble stabili' che esse si allontanano da noi ad una velocita' tanto maggiore quanto piu' grande e' la loro distanza, secondo quella che e' ora conosciuta come "legge di Hubble":

V=Ho d


dove V e' la velocita' di allontanamento della galassia, d la sua distanza e Ho e' la costante di Hubble. L'Universo, dunque, e' soggetto ad un moto di espansione.

Questo fatto da' l'impressione che la Terra sia il centro di un moto generale di recessione, mentre in realta' esso non ha un centro. Pensiamo ai punti disegnati su un palloncino che viene gonfiato; essi si allontanano l'uno dall'altro con velocita' proporzionale alla loro distanza: ogni punto puo' essere considerato come il centro dell'espansione. Allo stesso modo, noi non siamo al centro dell'espansione dell'Universo, ma in un suo punto qualsiasi: un altro osservatore, posto in un punto qualsiasi su un'altra galassia, vedrebbe esattamente le stesse cose che vediamo noi. Un altro duro colpo per l'orgoglio dell'uomo...

Il cielo profondo esplorato dal Telescopio Spaziale Hubble. Vi si distinguono centinaia di galassie giovani di vari tipi. (HST)

La constatazione che l'Universo si espande ha posto un problema nuovo: quello della sua nascita. Il fatto che le galassie si stiano allontanando l'una dall'altra implica che, se ritornassero indietro con la stessa velocita', dopo qualche miliardo di anni si rincontrrebbero, e tutta la materia che compone l'Universo formerebbe un agglomerato densissimo e molto caldo.
Questa considerazione ha condotto alla teoria evolutiva del "Big Bang", cioe' di un'enorme esplosione iniziale che diede origine all'Universo e che ne causo' l'espansione che ancora oggi osserviamo. Secondo questa teoria, l'Universo primordiale sarebbe stato composto di materia densissima e caldissima, concentrata in uno spazio infinitesimo. Il suo stato fisico era cosi' estremo che e' difficile perfino da immaginare; solo la fisica teorica e' in grado di descriverlo. Esso sarebbe poi esploso e si sarebbe espanso, diventando sempre meno caldo e meno denso, fino ad assumere gradatamente l'aspetto con il quale oggi lo conosciamo.
Dalla legge di Hubble si deduce che l'Universo e' nato 15-20 miliardi di anni fa; in realta', la determinazione della sua eta' e' molto piu' complessa e rappresenta uno dei problemi principali che la cosmologia moderna si trova ad affrontare.
Il valore della costante di Hubble attualmente accettato e' compreso tra i 50 e i 100 Km/sec per Megaparsec; ovvero, le galassie si muovono con velocita' che crescono di 50-100 Km/sec per ogni Megaparsec di distanza da noi.



Il primo a proporre lo scenario di un'esplosione iniziale fu l'abate G.Lemaitre nel 1927, ma solo negli anni '40 il fisico G.Gamow lo affronto' in modo piu' quantitativo. Egli ipotizzo' che i nuclei atomici piu' leggeri (idrogeno, elio, deuterio e litio) si siano formati nei primi istanti di vita del cosmo. Successivamente e' stato verificato che le quantita' di tali elementi presenti nell'Universo corrispondono con quelle previste dalla teoria, confermandone la validita'.
Un'altra conferma e' giunta nel 1965 con la scoperta casuale di una debole radiazione che permea tutto l 'Universo, proveniente da tutte le direzioni. Essa ha un massimo di intensita' alla lunghezza d'onda di 2.6 cm e viene detta radiazione di fondo cosmica. Si pensa che sia il residuo della radiazione intensissima ed altamente energetica che si e' prodotta poco dopo il Big Bang.

Un ammasso di galassie lontano 9 miliardi di anni luce. L'immagine copre una distanza di due milioni di anni luce. (HST)



Storia dell'Universo dal Big Bang alla formazione delle galassie


La teoria del Big Bang consente di spiegare un gran numero di osservazioni e percio' viene considerata un'ipotesi di lavoro attendibile; anche se presenta ancora qualche problema ed e' stata piu' volte messa in discussione, attualmente non vi sono valide teorie alternative.
Ma che cosa e' successo nelle prime fasi della vita dell'Universo?
L'Universo secondo i fisici non comincio' all'istante zero, bensi' ad un istante detto "tempo di Planck", 10-43 secondi dopo il Big Bang. Prima di questo istante, esso e' completamente inaccessibile, perche' tutta la materia e l'energia che lo componevano erano cosi' concentrate da costituire una "singolarita'": uno stato estremo, nel quale lo spaziotempo della Relativita' non ha nemmeno senso, e che non fa parte della fisica che conosciamo.

Al tempo di Planck, l'Universo era caldissimo (T=1032 gradi) e aveva una dimensione di 10-33 cm.
Successivamente si formarono le prime particelle, i quark, dai quali nacquero poi neutroni e protoni, con le relative antiparticelle. Materia e antimateria infatti sono sempre state presenti entrambe nell'Universo.
Dopo 10-23 secondi, l'Universo era ancora piccolissimo, delle dimensioni di un protone. Da questo momento fino a 10-6 secondi dopo il Big Bang, protoni e antiprotoni si annichilarono, cioe' si fusero trasformando le intere loro masse (m) in energia elettromagnetica (E), secondo l'equaizone di Einstein E=mc2. In seguito comparvero elettroni ed antielettroni, che si annichilarono anch'essi.
Queste annichilazioni produssero enormi quantita' di energia, sotto forma di radiazione elettromagnetica. L'Universo era dominato dalla radiazione e percio' questo periodo prende il nome di "era radiativa".
Ad 1 minuto di eta' si formarono i primi nuclei atomici (deuterio, elio e litio): la temperatura dell'Universo era scesa sotto i 10 miliardi di gradi, cosi' i protoni e i neutroni rimasti cominciarono ad urtarsi con violenza minore e a dar luogo alle prime reazioni di fusione nucleare.
Dopo qualche migliaio di anni, l'Universo non era piu' dominato dalla radiazione, ma dalla materia; questa era pero' ancora immersa in una radiazione molto intensa ed energetica. La tempeartura era ancora molto alta a quindi materia ed energia erano accoppiate, cioe' si trasformavano continuamente l'una nell'altra.
Si dovette attendere fino a 300mila anni dopo il Big Bang perche' la temperatura scendesse ancora ed esse si disaccoppiassero: da quel momento l'Universo divento' trasparente alla radiazione.
Nel frattempo, gli elettroni si unirono ai nuclei per formare gli atomi.

Galassie giovani. Nel primo riquadro, una piccola regione nella costellazione dello Scultore. Nel secondo, un'immagine del piu' distante ammasso di galassie rivelato dal Telescopio Spaziale Hubble (dista 12 miliardi di anni luce e contiene 14 galassie). Nel terzo riquadro, la galassia piu' distante mai osservata, dista da noi 12 miliardi di anni luce ed ha un redshift di 3.33. A distanze maggiori si osservano soltanto quasars. (HST)


Dopo qualche centinaio di milioni di anni, la temperatura era scesa sotto i 4000 gradi; gli elettroni si combinarono con i nuclei: la materia divenne in gran parte elettricamente neutra e la sua interazione con la radiazione divento' molto meno frequente. La materia pote' quindi cominciare ad aggregarsi ed in seguito si formarono le prime protogalassie: gigantesche nubi di gas freddissimo (-220 oC) che dettero origine alle galassie, per collasso gravitazionale, nel miliardo di anni successivo.
Dopo circa 2-3 miliardi di anni dal Big Bang, le galassie cominciarono a riunirsi in ammassi e a 4 miliardi di anni si formarono le prime stelle.
L'Universo nel frattempo si era espanso e raffreddato, la radiazione era diventata molto meno energetica, cioe' si era spostata a lunghezze d'onda maggiori: il tutto aveva cominciato ad assumere l'aspetto con il quale oggi lo conosciamo.


Questa sequenza di immagini di galassie distanti offre una panoramica della possibile evoluzione delle galassie ellittiche e spirali. (HST)




L'orizzonte cosmologico e il modello inflazionario


Dato che la velocita' della luce e' finita, anche se molto grande, quella che ci arriva oggi da galassie molto distanti e' partita milioni o miliardi di anni fa, quindi ci fornisce un'immagine di come queste erano milioni o miliardi di anni prima, durante le prime fasi della loro vita. Piu' distante e' un oggetto nello spazio, piu' "giovane" lo vediamo.
La galassia piu' vicina alla nostra, quella di Andromeda, dista da noi "soltanto" due milioni di anni luce, ma con gli attuali strumenti e' possibile osservare galassie e quasar distanti anche 13 miliardi di anni luce, cioe' molto giovani.
Come abbiamo visto, piu' una galassia e' distante e piu' velocemente si allontana da noi. Dato che la velocita' di allontanamento di una galassia viene misurata tramite il redshift (spostamento verso il rosso) del suo spettro, le galassie lontanissime vengono dette "galassie ad alto redshift".
La loro osservazione e' di estremo interesse per i cosmologi, dato che puo' fornire informazioni sul'Universo nei primi miliardi di anni dopo il Big Bang. Per questo motivo sono stati costruiti strumenti astronomici come il Telescopio Spaziale Hubble e i nuovi telescopi giganti a terra. Questi ultimi hanno diametri di 8-10 metri e sono dotati di particolari ottiche per correggere le deformazioni delle immagini dovute al disturbo atmosferico. Questi strumenti saranno in grado di compiere osservazioni sempre piu' profonde dello spazio, cioe' sempre piu' indietro nel tempo.


Non tutto l'Universo, comunque, e' accessibile alle nostre osservazioni, indipendentemente dalla potenza degli strumenti astronomici: se osserviamo per esempio una galassia distante 10 miliardi di anni luce, possiamo osservarla soltanto com'era 10 miliardi di anni fa, ma non com'era, poniamo, 8 miliardi di anni fa: la luce che essa ha emesso in quel momento ci arrivera' solo tra 2 miliardi di anni. Ovvero, in ogni istante ci sono settori dello spazio e del tempo (o meglio, dello spaziotempo) che sono a noi inaccessibili, cosi' come parte del nostro passato e' inaccessibile a galassie lontane. Questo definisce il cosiddetto "orizzonte cosmologico", cioe' quel settore dello spaziotempo accessibile a noi. Di tutto quello che sta al di fuori dell'orizzonte non possiamo avere informazioni.

Questi oggetti, distanti 11 miliardi di anni luce da noi, potrebbero essere i "germogli" di attuali galassie. Ognuno di essi e' un agglomerato di alcuni miliardi di stelle. Si pensa che le galassie si siano formate dalla collisione e dalla coalescenza di alcuni oggetti di questo tipo. (HST)


L'orizzonte cosmologico ha costituito un problema per la teoria del Big Bang.
Se due oggetti nello spazio sono in grado di comunicare tra loro per mezzo di un "segnale" (meccanico o luminoso), si dice che sono in contatto causale, nel senso che l'uno puo' provocare nell'altro un effetto, in conseguenza del segnale che gli invia (per esempio una perturbazione meccanica, o un irraggiamento luminoso).
I segnali viaggiano nello spazio ad una velocita' finita, quindi gli effetti di un segnale emesso da un oggetto sull'altro, si faranno sentire solo dopo un certo tempo, tanto maggiore tanto piu' distanti essi sono. La regione dello spaziotempo entro la quale un corpo puo' avere con altri una relazione causa-effetto, si dice "orizzonte causale".
Dove sta il problema ? Anche se vi sono addensamenti di galassie ed ammassi e regioni relativamente "vuote", l'Universo appare nel complesso omogeneo e isotropo (cioe' ha le stesse proprieta' nei vari punti dello spazio e nelle varie direzioni). Anche regioni dell'Universo tra loro molto lontane, ciascuna al di fuori dell'orizzonte causale dell'altra, sembrano avere proprieta' simili. Nemmeno la luce, il segnale che viaggia piu' veloce, avrebbe potuto metterle in contatto causa-effetto. Come hanno fatto allora a comunicarsi le informazioni che hanno permesso loro di "accordarsi" su proprieta' simili ?
Nei primi anni '80, Alan Guth propose una modifica al modello classico del Big Bang, il cosiddetto "modello inflazionario". Esso prevede che nei primi istanti di vita dopo il Big Bang, precisamente dopo 10-35 secondi, l'Universo abbia subito una rapidissima espansione, detta "inflazione", che nel giro di 10-32 secondi ha aumentato le sue dimensioni di un fattore 1050. Dopo questa fase, l'evoluzione sarebbe proseguita secondo la teoria classica del Big Bang.
Prima della fase inflattiva l'Universo era cosi' piccolo che le galassie che adesso sono al di fuori dei rispettivi orizzonti causali potevano trovarsi in contatto causa-effetto. Viene cosi' risolto il problema dell'orizzonte, cosi' come altri problemi della teoria classica del Big Bang.
Qual e' stata la causa del fenomeno inflazionario ? Secondo Guth, essa va ricercata nell'ambito delle teorie recenti della fisica, che cercano di unificare le quattro interazioni fondamentali: la forza gravitazionale, quella elettromagnetica, quella debole e quella nucleare forte. Queste quattro forze sarebbero manifestazioni diverse di un'unica interazione.
Alle altissime temperature e densita' dei primi istanti di vita dell'Universo, esse erano la stessa cosa; si sarebbero poi diversificate nel tempo, via via che l'Universo si raffreddava e si espandeva. Fu proprio durante questo processo di diversificazione che avvenne l'inflazione.









ANIMAZIONI


Le galassie piu' lontane, MPEG, 1.9 Mb (HST)
La formazione delle galassie, MPEG, 2.4 Mb (HST)






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