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L’astrofisica e le sonde temporali - Il Big Bang

Stabilire con certezza l'eta' e le condizioni vigenti nell’universo attraverso le sue fasi evolutive è una sfida avvincente che l’astrofisica e la cosmologia vincono con stratagemmi sempre nuovi e spesso molto “esotici”.

Secondo la teoria del Big Bang, la materia che compone l’universo venne per così dire alla luce a temperature e pressioni inimmaginabili per poi iniziare a raffreddarsi e organizzarsi in strutture durante l’espansione. Tale espansione, ad un certo punto, portò la temperatura a valori sufficientemente bassi perchè gli elettroni si legassero ai nuclei formando atomi neutri. Una simile “transizione” rese l’universo trasparente lasciando quindi che tutti i fotoni fluissero liberamente negli spazi cosmici (prima, trovandosi fra particelle cariche, i fotoni interagivano continuamente con esse e non erano “liberi”). Ecco quindi un modo per verificare se la teoria è azzeccata o no: cercare quell’antico “flash” corrispondente alla formazione degli atomi neutri e alla liberazione della luce (il… “Fiat Lux”) circa 300,000 anni dopo il Big Bang.

nella foto piccola a sinistra: Penzias e Wilson davanti all’antenna “a corno” con la quale scoprirono la radiazione fossile a microonde

Dallo studio della radiazione fossile e’ stato possibile determinare la “curvatura” a grande scala dell’Universo.

Tale radiazione primordiale, nota anche con il nome di radiazione cosmica di fondo a microonde o “radiazione fossile” fu ipotizzata da Gamow all’inizio degli anni ‘50 e scoperta nel 1965 da Penzias e Wilson ed è stata studiata con sempre maggiore accuratezza all’inizio degli anni novanta dal satellite COBE e, nel ‘99, dal pallone stratosferico Boomerang.

Tali osservazioni non solo confermano clamorosamente la teoria del Big Bang, ma ci danno informazioni preziose su quello che succedeva nell’universo in una fase estremamente precoce della sua evoluzione: infatti la luce che lasciava quella palla di fuoco cosmico veniva perturbata dalla concentrazione di materia da cui usciva. Così, misurando accuratamente le differenze di temperatura e di intensità di quella radiazione veniamo a conoscenza di parametri fondamentali quali la quantità della materia cosmica, la sua densità e distribuzione e perfino la geometria stessa dell’universo, ossia la sua curvatura, un concetto che merita un approfondimento.

Come è noto, la relatività generale descrive la gravità come una proprietà geometrica dello spazio-tempo che viene “curvato” dalla massa. Ebbene, la massa totale della materia contenuta nell’universo ne determina un’analoga curvatura “globale”, la cui conoscenza equivale a quella di come morirà l’universo: studiando la debole “radiazione fossile” emessa 300.000 anni dopo il Big Bang siamo in grado di conoscere il futuro remoto del cosmo.

Le osservazioni compiute con l’esperimento italo-americano

Boomerang
hanno consentito ai cosmologi di scoprire che la curvatura dell’universo a grande scala è nulla, cioè che l’universo è “piatto”, ovvero che la sua geometria complessiva è quella a noi più consueta: l’euclidea, scartando le altre due possibilità:

1) curvatura positiva —> geometria sferica —> universo “chiuso” e destinato a collassare su se stesso.

2) curvatura negativa —> geometria iperbolica —> universo “aperto” e in eterna espansione.

Grazie ad altri studi sappiamo anche che esiste una energia piuttosto esotica che “forza” il nostro universo “piatto” ad accelerare la propria espansione: prevediamo quindi che esso continuerà ad espandersi per sempre.

Ma ora ci chiediamo: in che modo potremmo osservare l’universo *prima* della formazione degli atomi neutri e quindi dell’epoca della “radiazione fossile”?

Come abbiamo detto, la luce prima d’allora era invischiata tra gli ioni come in un fluido caotico e di conseguenza non conserva alcuna memoria di tali epoche: non possiamo risalire, con la radiazione elettromagnetica, più indietro di 0.3 milioni di anni dopo il Big Bang. Viene allora spontaneo chiedersi: cos’è che, prima ancora della luce, si svincolò dal legame viscoso con il resto della materia e può darci informazioni su fasi precedenti? La risposta è vertiginosa: le onde gravitazionali e i neutrini.