La prova, ritenuta incontestabile, vuole ridare credito e unicità alla teoria del big bang come il momento iniziale dei tempi che segna l’inizio del nostro Universo. Davanti a questo fatto, però, danzano numerosi dubbi e perplessità che fanno porre serie domande.
Questa prova è data dalla radiazione cosmica di fondo. Questa onda elettromagnetica (una sorta di luce) è la più lontana nel tempo e nello spazio che possiamo osservare.
La radiazione cosmica di fondo (CMBR dall’inglese Cosmic Microwave Background Radiation), è la radiazione elettromagnetica che permea tutto l’universo osservabile, considerata come prova fondamentale del modello del Big Bang.
Scoperta della radiazione cosmica di fondo (CMBR)
George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman nel 1948 predissero la radiazione cosmica di fondo.
- G. Gamow, The Origin of Elements and the Separation of Galaxies, in Physical Review, vol. 74, n. 4, 1948, pp. 505–506.
- G. Gamow, The evolution of the universe, in Nature, vol. 162, 1948, pp. 680–682.
- R. A. Alpher e R. C. Herman, On the Relative Abundance of the Elements, in Physical Review, vol. 74, n. 12, 1948, pp. 1737–1742.
I risultati del 1948 di Alpher e Herman vennero discussi fino al 1955 poi tutto venne messo a tacere.
Jakov Zel’dovič all’inizio degli anni 1960 riscoprì la predizione di Alpher e Herman e, indipendentemente, predetta contemporaneamente da Robert Dicke. La prima pubblicazione della radiazione di fondo apparve in un breve elaborato degli astrofisici sovietici A. G. Doroshkevich e Igor Novikov, nella primavera del 1964.
A. A. Penzias, The origin of elements (PDF), su Nobel lecture, Nobel Foundation, 2006. A. A. Penzias, The origin of elements (PDF), su Nobel lecture, Nobel Foundation, 2006.).
Nel 1964/1965 Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson misurano una temperatura di circa 3 °K. James Peebles e David Todd Wilkinson interpretano questa radiazione come una firma del Big Bang.
Per questi studi Penzias e Wilson vinsero il Premio Nobel per la fisica nel 1978.
L’interpretazione della radiazione cosmica di fondo fu oggetto di controversia negli anni 1960 con alcuni sostenitori della teoria dello stato stazionario. Negli anni 1970 venne stabilito che la radiazione cosmica di fondo è un residuo del Big Bang che rimase l’unica teoria accettata. Il modello dello stato stazionario non giustificava le nuove misurazioni realizzate.
P. J. E. Peebles et al., The case for the relativistic hot big bang cosmology, in Nature, vol. 352, 1991, pp. 769–776.
La scoperta non ha immediato successo
Ancora un lungo silenzio per quasi 20 anni, bisogna aspettare il 1983 quando l’Unione Sovietica lancia la sonda RELIKT-1 per lo studio della CMB.
Altri 9 anni (1992) e, finalmente. l’Unione Sovietica lancia la sonda RELIKT-1 per lo studio della CMB. L’anisotropia è stata innanzitutto rilevata attraverso l’analisi dei dati del RELIKT-1, come è stato riportato nel gennaio del 1992.
Con i risultati degli studi eseguiti sui dati ricevuti e su quanto ipotizzato e dimostrato precedentemente gli scienziati concretizzarono, in modo più attendibile, la previsione che l’espansione dell’universo lascia dietro di sé la radiazione di fondo, fornendo così un modello per la teoria del Big Bang.
Varie misurazioni hanno dimostrato che la forma dell’universo è approssimativamente piatta, piuttosto che curva. Esse suggeriscono che l’inflazione cosmologica è la teoria giusta per spiegare la formazione delle strutture (vedi figura).
Quindi qual è la storia dell’Universo?
Nelle sue primissime fasi di vita tutto l’Universo era estremamente denso e compatto, in una dimensione minuscola era condensata tutta l’energia del Cosmo. Alcune teorie hanno calcolato che la temperatura di quell’agglomerato era di 10miliardi di °C. Una temperatura così elevata era legata ad una pressione interna altrettanto elevata in corrispondenza di un volume molto piccolo.
La pressione interna era così elevata da renderlo estremamente denso al punto tale che neanche la luce era in grado di attraversarlo o di uscirne. I fotoni (portatori di energia) erano legati alla materia. Se ce n’era qualcuno che riusciva a distaccarsi veniva immediatamente assorbito da parte della materia. Allo stesso tempo, la materia non riusciva a formarsi perché l’energia di questi fotoni era talmente elevata che gli atomi non riuscivano a unirsi in molecole poiché i loro elettroni, fortemente eccitati, uscivano dalle loro orbite non permettendo l’accoppiamento.
Accadde il Big Bang e l’Universo iniziò ad espandersi: aumentando il volume, la pressione iniziò a diminuire e man mano che l’Universo conquistava sempre più volume anche la temperatura iniziò a diminuire.
I fotoni riuscirono a muoversi trasportando la loro energia nello spazio sempre più grande e permettendo agli atomi ad accoppiarsi formando le molecole, prime forme di materia.
Era solo passato un brevissimo periodo di tempo che gli scienziati hanno calcolato in 380.000 anni.
Passarono secoli, millenni, milioni di anni e poi miliardi di anni, fino ad oggi. Da allora sono stati calcolati 13,8 miliardi di anni e l’Universo si è tanto raffreddato che ha raggiunto la temperatura di 2,724 °K (ovvero circa – 270 °C).
Da questa narrazione resta evidente che senza il Big Bang e la conseguente espansione dell’Universo, tutto questo racconto non avrebbe significato.
Furono proprio Penzias e Wilson che intercettarono questa luce che viene da 400mila anni dopo il Big Bang.
Cosa dice la radiazione cosmica di fondo
Oltre a provare il Big Bang, la Radiazione Cosmica di Fondo è una sorgente inesauribile di informazioni sulle prime fasi di vita dell’Universo. Sono stati lanciati, nel corso del tempo, ben tre satelliti per studiarla a definizioni sempre maggiori: COBE, WMAP e PLANCK. Nelle mappe della Radiazione Cosmica, la prima cosa che colpisce è quella certa granularità dissusa; ci sono piccolissime differenze di temperatura (frazioni di grado) tra i diversi punti del cielo, le cosiddette anisotropie. Queste testimoniano che nell’Universo iniziale era cotituito da zone con diverse temerature.
Le anisotropie ci dicono che la temperatura dell’Universo primordiale non era uguale in tutti i punti del cielo. Queste differenze corrispondono a piccole variazioni di densità della materia che costituiva l’Universo primordiale. Queste piccole variazioni di temperatura hanno innescato processi dinamici tali da costituire i cosiddetti semi di tutte le strutture esistenti nel cosmo (galassie, stelle, pianeti, …).
Per comprendere meglio l’origine delle anisotropie dovremo indagare nella meccanica quantistica perché quando l’Universo era piccolo e compatto, le sue componenti seguivano le leggi del mondo microscopico (appunto, le leggi della meccanica quantistica), che prevedono che le variazioni possano insorgere spontaneamente in maniera causale. Quindi piccoli addensamenti di materia con temperature di poco diverse innescavano dinamicità al complesso della struttura. Tali micromovimenti, nei primissimi istanti di vita dell’Universo, avrebbero procurato quell’esplosione seguita istantaneamente da un’improvvisa e rapida espansione nota come inflazione. Questa avrebbe portato in pochi frammenti di secondo l’Universo da scale microscopiche a scale macroscopiche.
Ma questa, però, è un’altra storia che un giorno racconterò.
Conclusione e nota dell’autore
Ho voluto chiarire ulteriormente la questione del big bang perché le ultime scoperte dei satelliti spaziali ne stanno dimostrando la fallacia. Se tutti i dati reperiti in questi ultimi anni sono corretti (come sembra che lo siano) il big bang ha vita breve, ma non tutto è sbagliato, bisognerà probabilmente spostare all’indietro l’asse del tempo e applicare qualche aggiustamento di natura quantistica per quanto riguarda le fasi iniziali dell’Universo. Insomma bisognerà riscrivere molti capitoli dei libri che oggi studiamo e diamo all’università ai nostri studenti.
Già negli Stati Uniti sono stati pubblicati testi all’avanguardia, forse anche troppo all’avanguardia, che stanno presentando realtà diverse, alcune volte anche fantasiose.
Bisogna fare attenzione a non trasformare questi testi scientifici in libri di fantascienza!