Big Bang

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Nucleosintesi
Disaccoppiamento della materia e dei fotoni
Teoria del grande attrattore
Teoria dei neutrini di Schramm

 

 

 

Gli astrofisici di tutto il mondo sono ormai concordi nel sostenere che l‘universo sia nato da un‘immane esplosione che ha portato alla creazione dell‘universo. Nel 1929 Edwin Hubble annunciò la scoperta dell‘espansione dell‘universo. Osservando un gran numero di galassie aveva scoperto che la maggior parte di loro si stava allontanando da noi poiché i loro spettri risultavano spostati verso il rosso. Osservò inoltre che più era grande la loro distanza dalla Terra e più era alta la loro velocità di allontanamento. Non dobbiamo tuttavia ritenere di essere in una posizione privilegiata dell‘universo solo perché ci sembra che tutti i corpi si stiano allontanando da noi ;infatti la stessa impressione l‘avrebbe un qualunque altro osservatore posto in una qualunque altra parte dell‘universo. Questa situazione è spiegata dal primo principio cosmologico che afferma: la struttura e le proprietà dell‘universo su larga scala sono ovunque ed in tutti i tempi le stesse.

Questa osservazione di Hubble viene riassunta : v = H r. Dove v è la velocità di allontanamento, r la distanza e H un numero detto costante di Hubble che vale 53 Km/s per ogni milione di parsec.

 Questa osservazione metteva in crisi la concezione dominante di universo stazionario. Infatti essendo questo in espansione la sua densità doveva variare. La teoria venne quindi modificata affermando che vi doveva essere una continua creazione di materia pari ad un atomo di idrogeno per ogni centimetro cubo una volta ogni milione di miliardi di anni.

 In seguito si ipotizzò che l‘universo fosse nato da un‘esplosione avvenuta 15 miliardi di anni fa e che il moto di allontanamento fosse la conseguenza di questa esplosione. Questa prese il nome di Big Bang. Prima di tale evento tutto l‘universo era concentrato in una sfera, con temperature e densità infinite, nella quale era presente un plasma, uno stato della materia in cui nuclei ed elettroni sono liberi di muoversi caoticamente su scala macroscopica, costituito da quark e gluoni. I quark sono i componenti fondamentali dei protoni e dei neutroni e vengono tenuti insieme non soltanto dalla forza elettromagnetica ma anche da una forza più intensa detta di iterazione forte che confinandoli all‘interno di protoni e neutroni li rende invisibili. Il confinamento si spiega con il fatto che la forza che lega i quark aumenta al crescere della distanza che li separa. I gluoni (dall‘inglese glue =colla) tengono uniti i quark impedendo loro di allontanarsi.

 Essendo tale situazione molto instabile la sfera è esplosa. Le fasi seguenti a tale esplosione vengono così divise:

  • Era dell‘età quantistica dal tempo zero a 10-34 s con una temperatura di 10-32 K detta anche tempo di Plank in cui le moderne teorie non valgono.

  • Istante zero con densità e temperature infinite.

  • Grande unificazione da 10-43 a 10-34 s .

  • Era elettrodebole da 10-34 a 10-10 s. Ha inizio l‘inflazione cosmica in cui l‘universo neonato incomincia ad espandersi. Si verificano i monopoli magnetici ed inizia la nucleosintesi dell‘elio.

  • Era dominata dalla radiazione da 10-10 a 100 s in cui si verificano da 10-6 a 10-4  secondi il confinamento dei Quark con formazione di protoni, neutroni, antiprotoni ed antineutroni; da 10-4  a 1 si ha il disaccoppiamento tra materia e radiazione (si separano iterazione forte e iterazione elettrodebole e si formano le prime particelle), e da 1 secondo a 100 secondi si verifica la sintesi dell‘elio.

  • Era dominata dalla materia in cui tra 100 secondi e 30000 anni dal Big Bang si ha la formazione egli atomi (entro i primi tre minuti si ha la creazione di atomi di idrogeno e di elio).

  • Da 30000 anni ad un miliardo di anni l‘universo diventa trasparente incominciano a formarsi le galassie e a 5 miliardi di anni si verificano le prime supernove.

  • A 15 miliardi di anni dal Big Bang, ovvero al giorno d‘oggi, la temperatura si è ridotta a 3° K.

Nel 1962 Arno Penzias e Robert Wilson scoprirono la radiazione di fondo per caso con un‘antenna per ricevere le microonde. Tale radiazione non poteva avere origine da eventi che si verificavano solo sulla Terra o solo in una piccola parte  dell‘universo perché veniva ricevuta ovunque si puntassero i radiotelescopi. Si capì che questa emissione, di 2.7° K, era il fossile del Big Bang che si era verificato 15 miliardi di anni prima.

 A partire da questo periodo, sembrando il Big Bang una certezza, si evolvettero tre teorie:

  1. l‘universo avrebbe continuato ad espandersi fino ad un certo punto e poi avrebbe arrestato il proprio ingrandimento restando così com’era;

  2.  la velocità alla quale l‘universo si espande si sarebbe dovuta ridurre e l‘accelerazione arrivata a 0 sarebbe diventata negativa portando ad un Big Crunch e ritornando allo stato di singolarità(questo fenomeno sarebbe già potuto accadere molte volte prima che fosse creato il nostro universo e dopo il Big Crunch il procedimento si sarebbe potuto verificare nuovamente);

  3.  l‘universo avrebbe continuato ad espandersi all‘infinito.

Fu proprio quest‘ultima teoria, proposta da Alan Guth nel 1984, a soddisfare tutte le verifiche sperimentali e ad essere accolta con favore dai più. Solo adesso si è riusciti a trovare le verifiche sperimentali del Big Bang inflattivo. Questa teoria sostiene che immediatamente dopo l‘esplosione l‘universo assunse una velocità esponenziale immensamente superiore da quella deducibile oggi dallo spettro luminoso delle galassie. La prova che conferma questa teoria si è avuta trovando delle infinitesimali variazioni della temperatura nell‘ordine di qualche milionesimo di grado della radiazione di fondo presente nell‘universo e traccia della fluttuazione quantistica che ha innescato l‘esplosione. Proprio questa distribuzione della temperatura di tipo gaussiano (ovvero non uniforme) conduce ad un universo “piatto” che continuerà ad espandersi all‘infinito senza ripiegarsi su se stesso a causa della forza di gravità. Tale forza viene infatti contrastata da una non meglio definita forza repulsiva che aumenta all‘aumentare della distanza tra due corpi che spinge l‘universo ad accelerare la propria espansione. Queste disomogeneità della temperatura è la traccia di quella verificatasi nei primi 35 secondi tempo che viene definito come tempo di Planck. Se anziché la curva statistica delle temperature fosse stata di tipo irregolare questo avrebbe fatto ipotizzare un universo con dei difetti topologici.

 

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