Cronologia dell'Universo

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La storia dell'universo o cronologia dell'universo secondo la tesi ad oggi più accreditata nella comunità scientifica si può far iniziare con un evento spiegato dalla «teoria del Big Bang», espressione questa coniata dallo scienziato George Gamow. Secondo tale teoria l'universo, durante la sua nascita, da un punto di infinita densità si sarebbe espanso autogenerandosi (una metafora molto usata, sebbene impropria, per descrivere questo fenomeno è quella di una colossale esplosione), fenomeno questo detto "Big Bang".
Una delle prove a sostegno di questa ipotesi è la radiazione diffusa che ancora persiste dall'ipotetico inizio dell'universo.

Lo stato della materia prima del Big Bang non è descrivibile in termini fisici, trovandosi essa in uno stato chiamato dai fisici "singolarità".
Mentre le ipotesi sul futuro dell'universo variano dall'espansione illimitata ad un fenomeno oscillante di espansione-contrazione, possibile conseguenza di un universo chiuso, niente si conosce di ciò che è accaduto prima del Big Bang: probabilmente il tempo è nato in quel momento.
L'interpretazione sulle origini dell'universo è una questione al confine tra scienza e filosofia: la possibilità di una validazione empirica delle varie ipotesi risulta spesso ardua se non impossibile. Alcune di queste teorie postulano cicli infiniti di morte e rinascite dell'universo, altre addirittura postulano l'esistenza non solo del nostro ma di altri universi.

Prima del principio

La galassia M101, uno dei più begli esempi di galassia a spirale.

Sebbene la concezione dell'astrofisico e biologo Paul Davies abbia solo in parte a che fare con il Dio che secondo la concezione religiosa ha creato l'universo a partire dal nulla, probabilmente non molti sarebbero gli scienziati disposti a sottoscrivere le affermazioni del loro collega. Poiché, peraltro, le scienze fisiche si fondano sulla osservazione empirica, esse non possono, per definizione, che limitarsi a fornire spiegazioni parziali, ancorché progressivamente più complete e articolate, circa l'esistenza e la storia dell'universo. Il limite del metodo scientifico moderno, basato sulla ripetibilità delle esperienze verificabili o attraverso i sensi oppure mediante l'uso di apparati strumentali, costringe, quindi, inevitabilmente chi voglia affrontare domande circa la ragione ultima per la quale l'universo esiste ad andare oltre la verifica empirica, utilizzando il metodo filosofico, che fornisce risposte esclusivamente su base logico-deduttiva. La filosofia e la religione, sono quindi, espressioni del medesimo pensiero razionale nel quale si colloca la scienza moderna, differendo da questa unicamente nel metodo applicato.

Modelli di universo

L'universo da giovane

Per definire al meglio la storia dell'universo, scientificamente, è innanzitutto indispensabile conoscere quale tipo, quale modello occorre prendere in esame affinché ci si possa avvicinare il più possibile alla realtà, alla veridicità degli eventi che sono stati la base del passato, formano il presente e domani rappresenteranno il futuro. In questi anni molte teorie si sono avvicendate ed ognuna di esse ha rappresentato la base di quelle che poi si sono susseguite. Oggi è vero che la più accreditata è quella del Big Bang ma è anche vero che presa così da sola non riesce a dare tutte le risposte che necessitano.

La storia dell'universo è composta dalle origini e dall'evoluzione che è parte integrante della cosmologia. Prima di svilupparsi in una scienza, la cosmologia era considerata una sotto branca della filosofia. Anche le religioni, con le loro cosmogonie cercarono di dare una risposta alla grande questione dell'origine del cosmo, elaborando grandi costruzioni fantastiche di tipo mitologico. Nel XX secolo vennero formulati tre tipi di modello:

Tre tipi di universo: chiuso, aperto e piatto

Quello dell'universo chiuso che si evolve verso un destino di collasso della materia che finirà con un gigantesco evento, il Big Crunch.

Quello stazionario che comporta un universo statico, che non cambia.

Quello aperto che prevede un universo che tende ad espandersi all'infinito.

Einstein nel 1917 propose un modello basato sulla teoria della relatività generale; un modello statico dove la gravità creava una curvatura nello spazio-tempo; e per avvalorare meglio questo suo concetto introdusse la Costante cosmologica, una forza che bilanciava la forza d'attrazione gravitazionale.

Aleksandr Aleksandrovič Fridman disse che l'universo si espande, e le modalità di questa espansione dipendono dalla densità media della materia in esso contenuta: se essa fosse troppo piccola la reciproca attrazione delle galassie causerebbe un rallentamento dell'espansione stessa ma non tale da fermarla, quindi si parla di un universo aperto.

Al contrario se la densità della materia fosse maggiore del valore critico (5 x 10^-3 g/cm³), l'espansione sarebbe destinata a fermarsi e si avrebbe una contrazione fino ad arrivare al collasso (Big Crunch), si parla quindi di universo chiuso; inoltre la teoria sostiene che potrebbe di nuovo esplodere per riespandersi per di nuovo ricollassare in un ciclo infinito, si parla di Universo oscillante.

Universo in espansione

George Gamow forte della teoria di Fridman e quella di Georges Lemaître riguardante l'atomo primordiale, ipotizzò l'idea di una grande esplosione (Big Bang), dove la materia trovandosi in condizioni di temperatura e densità estreme, causò il Grande botto che portò all'espansione ed alla creazione dell'odierno universo.

Interessante è anche la teoria di Andrej Linde che vuole dopo il fatidico Big Bang, la formazione di molti universi ognuno racchiuso in se stesso dentro una specie di bolla, ognuna delle quali al proprio interno ha leggi fisiche diverse; questa teoria è chiamata dei Multiversi.

Oggi i cosmologi sono portati a considerare la teoria dell'Inflazione, espressa da Alan Guth come quella che si addice maggiormente alla realtà, considerandola alla luce delle odierne scoperte e conoscenze; partendo dalla teoria di Gamow che inserisce concetti della Fisica delle particelle elementari, si arriva ad una ipotesi, mai fatta prima, su ciò che sarebbe successo durante il primo secondo di vita dell'universo, perché poco si sapeva della proprietà della materia a tali estreme condizioni, ma Guth, partendo dalle ricerche fatte da Stephen Hawking, ideizzò un processo di espansione oltremodo veloce; utilizzando la teoria dei campi gravitazionali pensò che una regione di quello stato caotico cominciasse a gonfiarsi (to inflate, gonfiarsi, quindi il termine inflazione), così velocemente da dare origine al nostro universo.

Linea del tempo per l'espansione dell'universo

In definitiva al momento la teoria accettata è quella inflazionistica, che vede alle origini una singolarità, che causa un'esplosione in un preuniverso caotico, che con grande rapidità nel primo secondo si espande, per poi continuare sempre più, non rallentata abbastanza dalla forza gravitazionale delle galassie e dalla presenza massiccia della materia oscura.

Saul Perlmutter annunciò che i dati in suo possesso, basati su osservazioni di supernove di tipo Ia in galassie lontane,^[1] vedevano un universo in espansione con moto accelerato, come se esistesse una forza antigravitazionale a fare da motore; questa forza è stata chiamata Energia oscura e porterà in futuro ad un aumento dei valori del volume dell'universo ed a una disgregazione delle galassie nel cosiddetto Big Rip.

Brevi note cronologiche sulla storia dell'universo

Nota: le date devono essere considerate, anche se non specificato, come approssimative. I cosmologi hanno suddiviso la "storia" dell'Universo in 9 ere, che variano da poche frazioni di secondo a miliardi di anni. Ciascuna di queste ere è caratterizzata da un avvenimento particolare - che può essere la separazione di una forza fondamentale dalle altre, oppure la formazione dei primi nuclei.

Big Bang

13,7 miliardi di anni fa: ha luogo il Big Bang che segna la nascita dell'Universo.

Era di Planck

Nessuna delle attuali teorie fisiche può descrivere correttamente cosa sia accaduto nell'era di Planck, che prende il nome dal fisico tedesco Max Planck. In questa era le quattro forze fondamentali – elettromagnetica, nucleare debole, nucleare forte e gravità – hanno la stessa intensità, e sono forse unificate in una sola forza fondamentale.

Era di grande unificazione

Diametro dell'Universo: ?

Temperatura: 10³⁰ K

Tempo dopo il Big Bang: 1 decimiliardesimo di miliardesimo di yoctosecondo (10^-43 secondi)

Chiamata anche Era di Gut. Le forze fondamentali, eccetto la gravità, erano unite in una sola "superforza" costituita dalla forza elettromagnetica e dalle forze nucleari debole e forte. Secondo le conoscenze attuali è precisamente a questo momento che si può far risalire la nascita dello spazio-tempo così come lo conosciamo.

Era dell'inflazione

Diametro dell'Universo: 10^-26 metri

Temperatura: 10²⁷ K, pari ad un miliardo di miliardi di miliardi di °C

Tempo dopo il Big Bang: 1 centimiliardesimo di yoctosecondo (10^-35 secondi)

Nell'era dell'inflazione, le oscillazioni dell'inflatone diedero origine ad una rapida ma drastica espansione dell'Universo. L'energia sotto forma di radiazione liberata da questo particolare campo di Higgs diede origine a coppie particella-antiparticella.

Era elettrodebole

Diametro dell'Universo: da 10 metri a 10¹² metri (un miliardo di chilometri): l'Universo è diventato enormemente più grande a causa dell'inflazione

Temperatura: da 10²⁷ K a 10¹⁵ K, pari ad un milione di miliardi di gradi Celsius

Tempo dopo il Big Bang: da un centimilionesimo di yoctosecondo (10^-32 secondi) a 1 nanosecondo, ossia 10^-9 secondi (un miliardesimo di secondo)

In quest'era, il campo di Higgs forte aveva già separato l'interazione forte da quella elettro debole, determinando la formazione di gluoni e di coppie quark-antiquark dalla radiazione liberatasi in seguito all'inflazione. Si ipotizza che i bosoni X e Y (se mai sono esistiti) siano comparsi in questa era. L'era elettrodebole durò circa 10^-27 secondi. La sua fine fu caratterizzata dalla separazione della forza elettrodebole in interazione debole ed elettromagnetica, fenomeno determinato dalle oscillazioni del campo di Higgs elettrodebole.

Era degli adroni

Diametro dell'Universo: 100 miliardi di chilometri

Temperatura: 10¹³ K (pari a 10.000 miliardi di gradi Celsius)

Tempo dopo il Big Bang: 1 microsecondo (10^-6 secondi, un milionesimo di secondo)

Durante l'era degli adroni, l'energia termica divenne sufficientemente bassa da consentire l'interazione fra quark mediante la forza forte. I quark e gli antiquark si legarono così a formare i primi adroni.

Era dei leptoni

Diametro dell'universo: ?

Temperatura: 10¹² K

Tempo dopo il Big Bang: 10^-4 secondi dal Big-Bang

Arrivati a questo punto della storia dell'universo la temperatura è di circa 1 trilione di gradi.

1 secondo dopo il Big-Bang: la temperatura è di 10 miliardi di gradi Celsius.
100 secondi dopo il Big-Bang: la temperatura è di 1 miliardo di gradi.

Era della nucleosintesi

Diametro dell'Universo: più di 1000 miliardi di chilometri

Temperatura: 10¹⁰ K

Tempo dopo il Big Bang: 100 secondi

In quest'era, la maggior parte dei neutroni decaddero in protoni. L'energia si abbassò tanto da permettere ai nucleoni di legarsi attraverso pioni formando così i primi nuclei di elio-4 e di deuterio.

Era dell'opacità

Diametro dell'Universo: fra 10 e 10.000 anni luce

Temperatura: 10⁸ K

Tempo dopo il Big Bang: 200 secondi.

In quest'era, l'energia calò abbastanza da permettere la manifestazione dell'interazione elettromagnetica. Le particelle cariche interagivano fra loro e con i fotoni rimasti dall'inflazione e dall'annichilazione delle coppie particella-antiparticella. In quest'era si ebbe la formazione dei primi atomi, soprattutto di idrogeno, elio, litio ed isotopi dell'idrogeno. Alla fine dell'era dell'opacità, la temperatura calò abbastanza da ridurre la produzione di coppie quark-antiquark o leptone-antileptone di generazioni massicce (vedi Modello Standard).

Dopo il big Bang

Era della materia (Universo attuale)

Diametro dell'Universo: 100 milioni di anni luce

Temperatura: 3000 kelvin

Tempo dopo il Big Bang: 300 000 anni

Nell'era della materia, i fotoni rimasti dall'era dell'inflazione si diffusero in tutto l'Universo, formando la radiazione cosmica di fondo presente anche nell'Universo attuale. L'intera materia era per lo più costituita da atomi e da leptoni di prima generazione. Tutte le particelle massive che, con le alte temperature, continuamente si formavano a coppie particella-antiparticella dalla radiazione erano già decadute in particelle leggere di prima generazione, quali elettroni e neutrini e, fra gli adroni, neutroni e protoni. L'era della materia perdura ancora da circa 13,7 miliardi di anni.

1 milione di anni dopo il Big-Bang: la temperatura è di 300 000-400 000 °C. Si forma il primo atomo, l'atomo di idrogeno costituito da 1 protone e 1 elettrone.

La formazione delle prime stelle

Le irregolarità nella distribuzione della materia da parte dell'inflatone furono causate da fluttuazioni quantistiche in questo particolare campo di Higgs. Verso l'inizio dell'era della materia, le irregolarità si manifestavano soprattutto in zone di materia più condensate rispetto ad altre. La forza gravitazionale agì su queste irregolarità formando agglomerati di materia sempre maggiori: ciò portò alla formazione delle prime stelle, 200 milioni di anni dopo il Big Bang, e delle prime galassie attive (per lo più quasar). Gli astrofisici ipotizzano che le prime stelle formatesi nell'Universo fossero ben più massicce di quelle attuali. I processi di fusione nucleare innescatesi nel nucleo di queste stelle portò alla formazione di elementi pesanti come l'ossigeno, il carbonio, il neon, il ferro e l'azoto, che si diffusero nello spazio interstellare in seguito alle esplosioni delle stelle in supernovae, con la conseguente formazione di buchi neri.

13,2 miliardi di anni fa (500 milioni di anni dopo il Big-Bang) nasce HE 1523-0901, la stella più vecchia a noi nota. Con la loro esplosione, le stelle massicce formatesi 13,5 miliardi di anni fa, dette "megastelle" diedero origine ad una radiazione elettromagnetica particolarmente intensa, responsabile, probabilmente, della ionizzazione degli atomi di idrogeno che si riscontra fra gli ammassi di galassie nell'Universo attuale.

12,7 miliardi di anni fa : forse, ma è una delle informazioni più discusse della cosmologia, si producono le condensazioni delle galassie (protogalassie) e inizia la formazione delle stelle.
10 miliardi di anni fa: formazione della nostra galassia, la Via Lattea.

L'accelerazione dell'energia oscura

Circa 7 miliardi di anni dopo il Big Bang, l'Universo, che stava rallentando la sua espansione a causa della forza gravitazionale (come mostrato nella Figura precedente^[2]), subì un'accelerazione nella sua espansione, tuttora rilevabile nell'Universo attuale. Questa accelerazione potrebbe essere stata causata dall'energia oscura, la forza lambda anti-gravitazionale^[3]. Questa porterà probabilmente l'Universo a terminare in un Big Rip o Big Freeze.

5 miliardi di anni fa: nasce il sistema solare e quindi anche la stella che noi chiamiamo Sole.
4,5 miliardi di anni fa: formazione del pianeta Terra.
4-3,5 miliardi di anni fa: sulla Terra compaiono le prime forme di vita.

Fine dell'universo

Le teorie basate sul Big Bang possono essere divise in tre gruppi principali:

quelle per cui, nonostante le osservazioni, l'universo è eterno come prima si pensava: la teoria dello stato stazionario e l'Universo oscillante
quelle per cui l'Universo ha avuto un inizio, ma non avrà una fine vera e propria: la morte termica dell'Universo e il Big Rip (Grande Strappo)
quelle per cui l'Universo ha avuto un inizio, ed avrà una fine ben definita: il Big Crunch.

Note

↑ Goldhaber, G and Perlmutter, S, A study of 42 type Ia supernovae and a resulting measurement of Omega(M) and Omega(Lambda), Physics Reports-Review section of Physics Letters, 307 (1-4): 325-331, Dec. 1998.
↑ File:Linea temporale della radiazione di fondo.png
↑ Se il vuoto non è “vuoto” ovvero l’energia dal nulla e l’espansione dell’Universo

Bibliografia

"Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo" (1988) di Stephen Hawking
"Il cosmo intelligente. Le nuove scoperte sulla natura e l'ordine dell'universo" (1988) di Paul Davies.
"Breve storia della scienza" di Eirik Newth.
"Prima dell'Inizio", (1998) di Martin Rees
"Enciclopedia della scienza (vol 1)" Federico Motta Editore (2005)

Voci correlate

Voci di argomento generale

L'evoluzione dell'universo

Concezioni mitico-religiose e filosofiche sulle origini e sulla fine dell'universo

[0] Goldhaber, G and Perlmutter, S, A study of 42 type Ia supernovae and a resulting measurement of Omega(M) and Omega(Lambda), Physics Reports-Review section of Physics Letters, 307 (1-4): 325-331, Dec. 1998.

[1] File:Linea temporale della radiazione di fondo.png

[2] Se il vuoto non è “vuoto” ovvero l’energia dal nulla e l’espansione dell’Universo

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[2]

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 [[Aleksandr Aleksandrovič Fridman]] disse che l'universo si espande, e le modalità di questa espansione dipendono dalla densità media della [[materia (fisica)|materia]] in esso contenuta: se essa fosse troppo piccola la reciproca attrazione delle [[galassia|galassie]] causerebbe un rallentamento dell'espansione stessa ma non tale da fermarla, quindi si parla di un ''universo aperto''.
-Al contrario se la densità della materia fosse maggiore del valore critico (5 x 10<sup>-3</sup> g/cm<sup>3</sup>), l'espansione sarebbe destinata a fermarsi e si avrebbe una contrazione fino ad arrivare al collasso ([[Big Crunch]]), si parla quindi di ''universo chiuso''; inoltre la teoria sostiene che potrebbe di nuovo esplodere per riespandersi per di nuovo ricollassare in un ciclo infinito, si parla di [[Universo oscillante]].
+Al contrario se la densità della materia fosse maggiore del valore critico (5 x 10<sup>-3</sup> g/cm<sup>3</sup>), l'espansione sarebbe destinata a fermarsi e si avrebbe una contrazione fino ad arrivare al collasso ([[Big Crunch]]), si parla quindi di ''universo chiuso''; inoltre la teoria sostiene che potrebbe di nuovo esplodere per riespandersi per di nuovo ricollassare in un ciclo infinito, si parla di [[Big Bounce|Universo oscillante]].
 [[Immagine:Universe expansion-de.png|Universo in espansione|thumb|350px|right]][[George Gamow]] forte della teoria di '''Fridman''' e quella di [[Georges Lemaître]] riguardante l'[[atomo primordiale]], ipotizzò l'idea di una grande esplosione (''Big Bang''), dove la materia trovandosi in condizioni di temperatura e densità estreme, causò il ''Grande botto'' che portò all'espansione ed alla creazione dell'odierno universo.