Il Padre del Big Bang - IW6ON - C.I.S.A.R. - Associazione Italiana Radioamatori Giulianova

Cerca
Vai ai contenuti

Menu principale:

Il Padre del Big Bang

Radioastronomia
 
A partire dal 1924 Edwin Hubble, utilizzando il telescopio “Hooker” dell'Osservatorio di Monte Wilson, mise a punto una serie di indicatori di distanza che sono i precursori dell'attuale scala delle distanze cosmiche. Questo gli permise di calcolare la distanza di nebulose a spirale il cui redshift era già stato misurato, soprattutto da Slipher, e di mostrare che quei sistemi si trovano a enormi distanze e sono in realtà altre galassie. Nel 1927 Georges Lemaître, fisico e sacerdote cattolico belga, sviluppò le equazioni del Big Bang in modo indipendente da Friedmann e ipotizzò che l'allontanamento delle nebulose fosse dovuto all'espansione del cosmo. Infatti egli osservò che la proporzionalità fra distanza e spostamento spettrale, oggi nota come legge di Hubble, era parte integrante della teoria ed era confermata dai dati di Slipher e di Hubble. Nel 1931 Lemaître andò oltre e suggerì che l'evidente espansione del cosmo necessita di una sua contrazione andando indietro nel tempo, continuando fino a quando esso non si può più contrarre ulteriormente, concentrando tutta la massa dell'universo in un volume quasi nullo, del diametro della lunghezza di Planck, detto da Lemaître "l'atomo primitivo". Il nome "atomo" è da intendersi in senso etimologico come un riferimento all'indivisibilità di questo volume, prima del quale lo spazio e il tempo, ovvero lo Spaziotempo della teoria della relatività, non esistono. Nel 1929 Hubble pubblicò la relazione tra la distanza di una galassia e la sua velocità di allontanamento formulando quella che oggi è conosciuta come legge di Hubble. Per spiegare le osservazioni di Hubble negli anni trenta furono proposte altre idee, note come cosmologie non standardcome per esempio il modello di Milne, l'universo oscillante, ideato originariamente da Friedmann e supportato da Einstein e da Richard Tolman, e l'ipotesi della luce stanca di Fritz Zwicky. Dopo la seconda guerra mondiale emersero due differenti teorie cosmologiche: La prima era la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle, in base alla quale nuova materia doveva essere creata per compensare l'espansione. In questo modello l'universo è approssimativamente lo stesso in ogni istante di tempo. L'altra è la teoria del Big Bang di Georges Lemaître, supportata e sviluppata da George Gamow che nel 1948 assieme a Ralph Alpher introdusse il concetto di nucleosintesi. Questa pubblicazione segnò l'inizio della cosmologia del Big Bang come scienza quantitativa. Sempre Alpher, con Robert Herman, ipotizzò nello stesso anno l'esistenza di una radiazione cosmica di fondo.


APPUNTI DI RADIOASTRONOMIA
a cura di Giovanni Lorusso IK0ELN
IARA Group, SAIt, SdR Radioastronomia UAI



 
Il termine "Big Bang" fu coniato proprio da Fred Hoyle durante una trasmissione radiofonica della BBC Radio del marzo 1949 in senso dispregiativo, riferendosi ad esso come "questa idea del grosso botto". Successivamente Hoyle diede un valido contributo al tentativo di comprendere il percorso nucleare di formazione degli elementi più pesanti a partire da quelli più leggeri. Inizialmente la comunità scientifica si divise tra queste due teorie; in seguito, grazie al maggior numero di prove sperimentali, fu la seconda teoria ad essere più accettata. La scoperta e la conferma dell'esistenza della radiazione cosmica di fondo a microonde nel 1964 indicarono chiaramente il Big Bang come la migliore teoria sull'origine e sull'evoluzione dell'universo. Le conoscenze in ambito cosmologico includono la comprensione di come le galassie si siano formate nel contesto del Big Bang, la comprensione della fisica dell'universo negli istanti immediatamente successivi alla sua creazione e la conciliazione delle osservazioni con la teoria di base. Importanti passi avanti nella teoria del Big Bang sono stati fatti dalla fine degli anni novanta a seguito di importanti progressi nella tecnologia dei telescopi, nonché dall'analisi di un gran numero di dati provenienti da satelliti come COBE, il telescopio spaziale Hubble e il WMAP. Questo ha fornito ai cosmologi misure abbastanza precise di molti dei parametri riguardanti il modello del Big Bang e ha permesso anzi di intuire che si sta avendo un'accelerazione dell'espansione dell'universo. Dopo il tramonto della teoria dello stato stazionario quasi nessun scienziato nega il Big Bang come espansione dell'universo, anche se molti ne forniscono interpretazioni diverse (vedi Formulazioni avanzate della teoria). L'estrapolazione dell'espansione dell'universo a ritroso nel tempo utilizzando la relatività generale conduce ad una condizione di densità e temperatura talmente elevate numericamente da tendere all'infinito; questa condizione si è mantenuta in un tempo di durata infinitesima, talmente breve da risultare difficile da studiare con la fisica attuale. Questa singolarità indica il punto in cui la relatività generale perde validità. Si può continuare con questa estrapolazione fino al tempo di Planck, che è il più piccolo intervallo di tempo misurabile con le attuali leggi fisiche. La fase iniziale calda e densa denominata "Big Bang" è considerata la nascita dell'universo. In base alle misure dell'espansione riferite alle supernovae di tipo LA, alle misure delle fluttuazioni di temperatura nella radiazione cosmica di fondo, alle misure della funzione di correlazione delle galassie e agli ultimi e più attendibili dati forniti dal telescopio-sonda spaziale Planck Surveyor dell'Agenzia Spaziale Europea, l'universo ha un'età calcolata di 13,798 ± 0,037 miliardi di anni. Il risultato di queste quattro misurazioni indipendenti è in accordo con il cosiddetto modello ΛCDM. Sulle primissime fasi del Big Bang esistono molte speculazioni. Nei modelli più comuni l'universo inizialmente era omogeneo, isotropo, con una densità energetica estremamente elevata, temperature e pressioni altissime e si stava espandendo e raffreddando molto rapidamente. All'incirca 10−37 secondi dopo l'istante iniziale, una transizione di fase causò un'inflazione cosmica, durante la quale l'universo aumentò le sue dimensioni esponenzialmente. Quando il processo di inflazione si fermò il cosmo era formato da un plasma di quark e gluoni, oltre che da tutte le altre particelle elementari. Le temperature erano così alte che il moto casuale delle particelle avveniva a velocità relativistiche e coppie particella-antiparticella di ogni tipo erano continuamente create e distrutte nelle collisioni. Ad un certo istante una reazione sconosciuta, chiamata bariogenesi, violò la conservazione del numero barionico portando ad una leggera sovrabbondanza dell'ordine di 1 parte su 30 milioni dei quark e dei leptoni sugli antiquark e sugli antileptoni. Questo processo potrebbe spiegare il predominio della materia sull'antimateria nell'universo attuale. L'universo continuò ad espandersi e la sua temperatura continuò a diminuire, quindi l'energia tipica di ogni particella andò diminuendo.
 


IL PADRE DEL BIG BANG
 
Premessa
I progressi della fisica degli ultimi decenni hanno portato alla scoperta che il nostro Universo avrebbe potuto essere molto diverso se non si sarebbero coniugati tutti i parametri necessari a comporre lo “spartito musicale” utile alla nostra esistenza. Ma non è tutto! Ci vorranno ancora tanti millenni per capire meglio le dinamiche che compongono il “brano melodioso” del nostro Universo. A noi, ci sembra di aver capito tutti i meccanismi che diedero luogo al Big Bang e quindi alla nascita dell’Universo che conosciamo. Ma quali fatti lo confermano? Ad oggi soltanto teorie! Forse non riusciremo mai a capire fino in fondo che cosa è davvero esploso 13,800 milioni di anni fa; o forse, tra chissà quando, ci arriveremo.
 
 
Lo spostamento verso il rosso, (in inglese: Redshift) è il fenomeno per cui la luce o un'altra radiazione elettromagnetica emessa da un oggetto ha una lunghezza d'onda maggiore rispetto a quella che aveva all'emissione (Fig.1) Fu così che, nel 1929, Hubble scoprì che tutte le galassie sembrano allontanarsi da noi, infatti la radiazione che esse emettono è spostata verso il lato rosso dello Spettro Elettromagnetico (Fig2); cioè presentano il fenomeno del Redshift: nello spettro della luce visibile, il colore è funzione della lunghezza d'onda. Intorno ai 4.000 Angstrom la luce ha un colore violetto, il quale al crescere della lunghezza d'onda, passa al verde, al giallo e poi, intorno ai 7.000 Angstrom, passa al rosso. Per cui, quando una sorgente si avvicina o si allontana da un osservatore, la luce che essa emette si comporta come le onde acustiche. Facciamo un esempio: quando un treno si avvicina, il suo fischio diventa più acuto, perché le onde arrivano ad intervalli sempre più brevi man mano che la sorgente si avvicina; viceversa il fischio diventa più grave quando il treno si allontana. Questo è il cosiddetto "effetto Doppler". Ecco come Edmond Halley aveva scoperto che l’Universo si espande in ogni direzione. Questo ci fa capire che se ricompattiamo tutte le galassie e gli oggetti celesti presenti nell’Universo, ricomponiamo un unico nucleo; cioè un evento avvenuto 13,800 miliardi di anni fa chiamato Big Bang, già ipotizzate da Albert Einstein nelle sue equazioni. Ma Einstein non fu l’unico ha formulare questa teoria, perché gli anni Venti videro il presbitero belga Georges Lamaitre (Fig3) confrontarsi con la teoria di Einstein, interpretando le osservazioni sul Redschift delle galassie come un indizio di un Universo in espansione. Siamo all’inizio del 1927 e pur divulgando la scoperta alla Comunità Scientifica dell’epoca, nessuno ci fece caso! Ma tre anni dopo, nel 1930, il famoso astronomo Arthur Stanley Eddington prende in seria considerazione la teoria di Lemaitre. Nel 1931 Lamaitre pubblica un articolo intitolato “Report on the Relativity Theory of Gravitation” in cui, per la prima volta, viene sostenuta l’idea per la quale, se le galassie si allontanano, se si prova ad andare indietro nel tempo, tali galassie dovevano necessariamente stare più vicine, fino ad arrivare, nel momento iniziale vicinissime, tale da essere considerato un Atomo Primordiale. La metafora di Lamaitre fu: “Grande fuoco d’artificio”. Quindi Lemaitre può essere considerato il vero padre del Big Bang? Ma anche Einstein e Willem de Sitter raggiungono gli stessi risultati di Lamaitre; così che nel 1932 postulano insieme un documento, nel quale ipotizzano la curvatura spaziale e costante cosmologica dell’Universo che si espande con enorme velocità e all’infinito. Ritardano così l’affermazione teorica del prete belga! Giunti nel 1948 la Cosmologia ha un nuovo sussulto. La scena vede i due principali modelli antagonisti. Il primo è quello che prende definitivamente il nome di Big Bang, sostenuto dal fisico ucraino Georgiy Antonovich Gamov, che da circa due anni ha approfondito gli studi sulla teoria di Lamaitre, sviluppando l’idea che, in uno spazio così piccolo, tutta la materia doveva trovarsi ad una temperatura di enorme densità, tale da rendere possibili le reazioni di fusioni nucleare. Quindi Georges Edouard Lemaître è stato il primo a capire che il Redschift della luce delle stelle era la prova dell'espansione dell'Universo e a proporre la relazione di proporzionalità fra la distanza delle galassie e la loro velocità di recessione, confermata poi da osservazioni di Hubble. Nel 1927 pubblicò l’articolo “l’Ipotesi dell'Atomo Primigenio” oggi nota come teoria del Big Bang. Oggi è comunemente accettato che l’Universo, iniziò ad esistere 13,800 milioni di anni fa, a partire da un enorme evento esplosivo a cui venne dato il nome di Big Bang. Quando un sistema con dimensioni estremamente piccole, con una densità ed una temperatura altamente elevata, diede luogo ad una espansione che ancora oggi dura nel tempo. In questo articolo ho voluto mettere in mostra i personaggi (Einstain, Lemaitre,Gamov) che dedicarono il loro tempo allo studio dell’inizio dell’Universo. Il Big Bang, la teoria più ambiziosa mai pensata. Georges Lamaitre incontrò per la prima volta Albert Einstein nell'ottobre del 1927, durante il Quinto Congresso Solvay di Fisica a Bruxelles, suggellato da una poderosa stretta di mano in segno di stima reciproca (Fig.4).
 
Dott. Giovanni Lorusso (IK0ELN)

La rottura della simmetria della transizione di fase portò le quattro interazioni fondamentali della fisica e i parametri delle particelle elementari nella loro forma attuale. All'incirca dopo 10−11 secondi il quadro d'insieme diventa meno speculativo, visto che le energie delle particelle diminuiscono fino a valori raggiungibili negli esperimenti di fisica delle particelle. Arrivati a 10−6 secondi quark e gluoni si combinarono per formare barioni, come protoni e neutroni. La piccola differenza presente nel numero di quark e antiquark portò ad una sovrabbondanza dei barioni sugli antibarioni. La temperatura non era più sufficientemente alta per formare nuove coppie protoni-antiprotoni e nuove coppie di neutroni-antineutroni, perciò seguì immediatamente un'annichilazione di massa che lasciò soltanto uno ogni 1010 dei protoni e neutroni originali e nessuna delle loro antiparticelle. Un processo simile avvenne al tempo di un secondo per gli elettroni e i positroni. Dopo questi due tipi di annichilazione i protoni, i neutroni e gli elettroni rimanenti non stavano più viaggiando a velocità relativistiche e la densità di energia del cosmo era dominata dai fotoni con un contributo minore dovuto ai neutrini. Qualche minuto dopo l'istante iniziale, quando la temperatura era all'incirca 109 kelvin (un miliardo di kelvin) e la densità paragonabile a quella dell'aria, i neutroni si combinarono con i protoni, formando i primi nuclei di deuterio e di elio in un processo chiamato nucleosintesi. La maggior parte dei protoni non si combinò e rimase sotto forma di nuclei di idrogeno. Quando l'universo si raffreddò il contributo della densità energetica della massa a riposo della materia arrivò a dominare gravitazionalmente il contributo della densità di energia associata alla radiazione del fotone. Dopo circa 379 000 anni gli elettroni e i vari nuclei si combinarono formando gli atomi, soprattutto idrogeno, e a partire da questo istante la radiazione si disaccoppiò dalla materia e continuò a vagare libera nello spazio. Questa radiazione fossile, che ancora oggi è visibile, è conosciuta come radiazione cosmica di fondo.
 
Torna ai contenuti | Torna al menu