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Origini: CERN: Idee: Il Big Bang | Exploratorium

Storia dell'Universo
foto: CERN
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Sapevi che la materia del tuo corpo ha miliardi di anni?
Secondo la maggior parte degli astrofisici, tutta la materia che si trova nell’universo oggi – compresa la materia nelle persone, nelle piante, negli animali, nella terra, nelle stelle e nelle galassie – è stata creata nel primissimo momento del tempo, che si pensa sia stato circa 13 miliardi di anni fa.
L’universo iniziò, secondo gli scienziati, con ogni granello della sua energia stipato in un punto molto piccolo. Questo punto estremamente denso esplose con una forza inimmaginabile, creando materia e spingendola verso l’esterno per creare i miliardi di galassie del nostro vasto universo. Gli astrofisici hanno soprannominato questa titanica esplosione il Big Bang.
Il Big Bang era come nessuna esplosione a cui si potrebbe assistere oggi sulla terra. Per esempio, l’esplosione di una bomba all’idrogeno, il cui centro registra circa 100 milioni di gradi Celsius, si muove nell’aria a circa 300 metri al secondo. Al contrario, i cosmologi credono che il Big Bang abbia scagliato energia in tutte le direzioni alla velocità della luce (300.000.000 metri al secondo, un milione di volte più veloce della bomba H) e stimano che la temperatura dell’intero universo fosse di 1000 trilioni di gradi Celsius in una piccola frazione di secondo dopo l’esplosione. Anche i nuclei delle stelle più calde dell’universo di oggi sono molto più freddi di così.
C’è un’altra importante qualità del Big Bang che lo rende unico. Mentre l’esplosione di una bomba artificiale si espande attraverso l’aria, il Big Bang non si è espanso attraverso nulla. Questo perché non c’era spazio per espandersi all’inizio del tempo. Piuttosto, i fisici credono che il Big Bang abbia creato e allungato lo spazio stesso, espandendo l’universo.

Un universo in espansione e in raffreddamento

Hubble Deep Field
foto: Space Telescope Science Institute
Quando il primo universo si raffreddò, la materia prodotta nel Big Bang si raccolse in stelle e galassie.

Per un breve momento dopo il Big Bang, l’immenso calore creò condizioni diverse da quelle che gli astrofisici vedono oggi nell’universo. Mentre oggi i pianeti e le stelle sono composti da atomi di elementi come l’idrogeno e il silicio, gli scienziati credono che l’universo di allora fosse troppo caldo per qualsiasi altra cosa che non fossero le particelle più fondamentali, come i quark e i fotoni.
Ma con la rapida espansione dell’universo, l’energia del Big Bang si è sempre più “diluita” nello spazio, causando il raffreddamento dell’universo. Aprire una bottiglia di birra provoca un effetto di raffreddamento ed espansione approssimativamente simile: il gas, una volta confinato nella bottiglia, si diffonde nell’aria e la temperatura della birra scende.
Il rapido raffreddamento ha permesso alla materia come la conosciamo di formarsi nell’universo, anche se i fisici stanno ancora cercando di capire esattamente come sia successo. Circa un decimillesimo di secondo dopo il Big Bang, si formarono protoni e neutroni, ed entro pochi minuti queste particelle si attaccarono insieme per formare nuclei atomici, soprattutto idrogeno ed elio. Centinaia di migliaia di anni dopo, gli elettroni si sono attaccati ai nuclei per formare atomi completi.
Circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, la gravità fece sì che questi atomi si riunissero in enormi nubi di gas, formando collezioni di stelle note come galassie. La gravità è la forza che tira qualsiasi oggetto con massa verso l’altro – la stessa forza, per esempio, che fa cadere una palla lanciata in aria verso la terra.
Da dove vengono i pianeti come la terra? Nel corso di miliardi di anni, le stelle “cuociono” atomi di idrogeno ed elio nei loro nuclei caldi per produrre elementi più pesanti come il carbonio e l’ossigeno. Le grandi stelle esplodono nel tempo, lanciando questi elementi nello spazio. Questa materia si condensa poi nelle stelle, nei pianeti e nei satelliti che compongono i sistemi solari come il nostro.

Come sappiamo che il Big Bang è avvenuto?
Gli astrofisici hanno scoperto una grande quantità di prove convincenti negli ultimi cento anni a sostegno della teoria del Big Bang. Tra queste prove c’è l’osservazione che l’universo si sta espandendo. Osservando la luce emessa da galassie lontane, gli scienziati hanno scoperto che queste galassie si stanno rapidamente allontanando dalla nostra galassia, la Via Lattea. Un’esplosione come il Big Bang, che ha fatto volare la materia da un punto verso l’esterno, spiega questa osservazione.


Sapevi che l’elettricità statica della tua televisione è causata dalle radiazioni rimaste dal Big Bang?

Un’altra scoperta fondamentale è stata l’osservazione di bassi livelli di microonde nello spazio. Gli astronomi credono che queste microonde, la cui temperatura è di circa -270 gradi Celsius, siano i resti della radiazione ad altissima temperatura prodotta dal Big Bang.
Interessante, gli astronomi possono farsi un’idea di quanto caldo fosse l’universo guardando nuvole di gas molto lontane attraverso telescopi ad alta potenza. Poiché la luce di queste nubi può impiegare miliardi di anni per raggiungere i nostri telescopi, vediamo tali corpi come apparivano eoni fa. Ecco, queste antiche nubi di gas sembrano essere più calde delle nubi più giovani.
Gli scienziati sono stati anche in grado di sostenere la teoria del Big Bang misurando le quantità relative di diversi elementi nell’universo. Hanno scoperto che l’universo contiene circa il 74% di idrogeno e il 26% di elio in massa, i due elementi più leggeri. Tutti gli altri elementi più pesanti – compresi gli elementi comuni sulla terra, come il carbonio e l’ossigeno – costituiscono solo una piccola traccia di tutta la materia.
Come fa questo a dimostrare qualcosa sul Big Bang? Gli scienziati hanno dimostrato, usando calcoli teorici, che queste abbondanze potrebbero essere state fatte solo in un universo che è iniziato in uno stato molto caldo e denso, e poi si è rapidamente raffreddato ed espanso. Questo è esattamente il tipo di universo che la teoria del Big Bang prevede.
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