Astrofisica per tutti: nuova web serie

L'astrofisica è una materia affascinante che cerca di rispondere a tutte le domande che possono venirci in mente quando pensiamo all'Universo e ai suoi abitanti.
Purtroppo l'astrofisica non è una materia facile da comprendere, soprattutto perché si fonda su un linguaggio piuttosto astruso: la matematica. Certo, i concetti base e le conclusioni possono essere semplici da comprendere e accettare. Dire ad esempio che tutti i corpi celesti sentono e producono forza di gravità non presenta alcuna difficoltà di comprensione. Tuttavia, c'è molta differenza tra credere e capire, tra accettare quello che un astrofisico ci racconta e capire se effettivamente quello che ci è stato detto può essere vero o no.

Visto la scienza basa le conclusioni su fatti provati e non su opinioni, ho deciso di creare una web serie che cerchi di spiegare alcuni argomenti di fisica/astrofisica sotto un punto di vista differente. Non più il professore che recita agli alunni concetti indimostrabili che devono quindi essere accettati come un atto di fede, piuttosto un percorso comune che spesso parte da domande piuttosto semplici, le cui risposte verranno trovate insieme e soprattutto dimostrate con gli strumenti della matematica e della fisica. Non vi preoccupate, il linguaggio, la matematica, ce la metterò io. Insieme, però, dovremo (re)imparare a ragionare, a pensare, a fare ipotesi, a immaginare, a proporre deduzioni logiche ed esperimenti mentali per capire se le nostre supposizioni e le conclusioni possono essere corrette o meno.

Non impareremo quindi solo semplici nozioni teoriche ma un metodo per iniziare a scoprire con le nostre forze la straordinaria realtà che ci circonda.
La prima stagione della web serie è stata già girata. L'appuntamento è ogni lunedì sera alle 21:30 sul mio canale Youtube. Andremo avanti fino a settembre e poi, se la vostra risposta sarà stata positiva, verrà girata una seconda (e più impegnativa, per me e per voi!) serie.
Sono già online i primi 6 episodi. Guardateveli e non vi perdete i prossimi!

Infiniti universi o un'enorme simulazione cosmica?

Questo post è estratto dal mio ultimo libro: La straordinaria bellezza dell'Universo.

Perché questo Universo si è dotato di una struttura e di leggi fisiche tanto perfette da renderlo un luogo stabile al punto da riuscire a creare, dopo miliardi di anni di evoluzione, persino esseri senzienti, un capolavoro di complessità difficile da immaginare? Se è davvero frutto del caso, perché tra le possibili, infinite combinazioni con cui l’Universo poteva evolvere è stata scelta proprio l’unica che permettesse la vita? Basterebbe variare di pochissimo, anche di una parte su miliardi di miliardi di miliardi, qualche grandezza fisica, il tasso di espansione, la percentuale di materia oscura o di energia oscura, per scatenare dei cambiamenti mastodontici che con tutta probabilità non ci avrebbero visti nascere. In questa situazione stiamo portando di fatto all’estremo il cosiddetto effetto farfalla, che nella versione che più ci interessa è stato ben espresso dal genio matematico Alan Turing: “Lo spostamento di un singolo elettrone per un miliardesimo di centimetro, a un momento dato, potrebbe significare la differenza tra due avvenimenti molto diversi, come l'uccisione di un uomo un anno dopo, a causa di una valanga, o la sua salvezza.” Ecco, se l’elettrone avesse avuto una massa di un miliardesimo di volte diversa da quella attuale, tutto l’Universo sarebbe stato differente.

Com’è possibile vivere in un luogo che sembra quindi essere perfetto per la nascita e l’evoluzione di creature senzienti? La prima risposta, logica, è semplice: se qualcosa fosse stato diverso noi non ci saremmo stati a porci queste domande. In effetti l’intuizione è giusta e se la sviluppiamo meglio, magari con la consapevolezza dell'Universo e delle leggi che lo regolano che abbiamo acquisito nel corso dei secoli, possiamo arrivare a teorizzare un mondo che non richieda necessariamente la semplicistica spiegazione di un intervento divino cosciente chiamato Dio, almeno non nell’accezione antropocentrica a cui siamo stati abituati da gran parte delle religioni, perché di quel Dio, decantato da tutte le religioni monoteiste, non c'è traccia. Non solo, non c'è traccia alcuna del modo in cui gli esseri umani hanno immaginato il modo di agire del Dio che si sono inventati.

Certo, la cosa più semplice è ammettere l’esistenza di un Dio dalle sembianze umane che ha creato un unico Universo secondo questa perfetta ricetta, proprio per ospitare noi esseri senzienti, fatti a sua immagine e somiglianza. Ma ormai che conosciamo la vastità e la complessità del Cosmo, sappiamo quanto sia limitata una risposta del genere; limitata nella logica, nello spazio e nel tempo. Può non piacerci questa affermazione, come da piccoli non ci è piaciuto scoprire che Babob Natale non esisteva, però questa è la realta. È quindi davvero sensato immaginare l’intervento di una mente superiore che ha dovuto inventarsi tutto questo caos per creare esseri senzienti? Sarebbe bastato molto meno se dietro ci fosse stata la mano cosciente di un creatore.

Una delle più interessanti deduzioni logiche di un Universo che tra le infinite combinazioni possibili ha scelto quella che ci vede coscienti di poterlo ammirare è che in realtà di Universi ve ne siano tanti, tantissimi, forse infiniti. In pratica, se la combinazione vincente per noi ha una probabilità quasi nulla di realizzarsi, basta giocarsele tutte e prima o poi qualcuno vincerà. Non diventa più una questione di una sfacciata sfortuna (o fortuna) tipica delle umane interpretazioni, ma qualcosa di inevitabile e ben più plausibile con quello che conosciamo sul funzionamento del Cosmo.

Sotto questo punto di vista la teoria dei multiversi appare molto logica e persino plausibile. Alla fine, tutto sembra rientrare nella solita affermazione: se qualcosa sembra funzionare, questa potrà ripetersi infinite volte. Anche la nascita del nostro Universo, a prescindere dalle regole particolari che si è dato, potrebbe essere solo un evento che si è ripetuto, si ripete e si ripeterà infinite volte. Forse stiamo parlando di un unico Universo che a un certo punto inverte l’espansione e torna quel punto indefinito, pronto per un nuovo Big Bang, oppure dell’esistenza contemporanea di infinite bolle, ognuna diversa dalle altre. Questi infiniti universi posseggono proprietà differenti, leggi della fisica diverse, variabili con altri valori, fino a provare di fatto tutte le combinazioni possibili. È allora normale, anzi, inevitabile, che tra uno di questi infiniti universi esistano specie senzienti in grado di ammirare tutto questo capolavoro.
Ma se gli Universi paralleli sono davvero infiniti, esistono anche infinite specie senzienti, infinite versioni di noi che potrebbero differire di pochissimo. Potrebbe esistere un Universo in cui i nazisti hanno vinto la seconda guerra mondiale, uno in cui l’umanità si è annientata con una guerra nucleare, uno in cui i dinosauri non si sono mai estinti. Il concetto di infinito è molto potente, perché rende tutto… infinito, quindi infinite sono le possibili combinazioni e nulla diventa impossibile!

C’è un’ipotesi alternativa a questa infinita sequenza di Universi leggermente diversi l’uno dall’altro, che asseconda l’idea di un creatore senza renderlo umanamente irrazionale e si basa su una possibile proiezione di un nostro lontano futuro. Il nostro Universo, dominato da rigide regole matematiche, privo di contraddizioni, senza eccezioni, che non sbaglia mai un calcolo. Questo Universo che alle scale piccolissime diventa indistinto, al punto che non possiamo più identificare l’esatta posizione delle particelle, come se ci fosse una scala al di sotto della quale non possiamo più scendere (vedi meccanica quantistica), ma che non è in grado di provare sentimenti, sensazioni, emozioni… assomiglia al comportamento che ci aspetteremmo da un computer.

L’idea, folle ma di certo più razionale di un divino creatore con il dito magico, è che il nostro Universo sia il risultato di una mastodontica simulazione di un computer potentissimo. Noi non saremmo allora reali ma una parte di codice che ha preso coscienza di sé stesso. Che sia un’idea molto forte e particolare non c’è dubbio, però allo stesso tempo potrebbe essere più sensata di quanto immaginiamo ora.
Pensiamoci bene. Noi esseri umani in meno di un secolo siamo stati in grado di sviluppare computer tanto potenti da poter simulare l’evoluzione dell’Universo a grande scala. Le più potenti simulazioni hanno riprodotto la nascita e lo sviluppo di milioni di galassie a partire da quel primordiale brodo identificato come radiazione cosmica di fondo. Dall’osservazione di quel dettaglio e dall’applicazione delle leggi della fisica, con un po’ di materia ordinaria e tanta materia oscura, siamo riusciti a ricreare un Universo in miniatura che ha generato ammassi di galassie, galassie, stelle. Un Universo che evolve attraverso gli scontri galattici, che modifica le proprie componenti, che vive. La nostra capacità di calcolo ancora non è sufficiente per simulare tutto l’Universo con una risoluzione microscopica in grado di spiegare anche il comportamento dell’infinitamente piccolo, eppure potrebbe essere possibile un giorno. Il dubbio si è insinuato, vero?

Con il progredire della scienza e della tecnologia è solo questione di tempo prima che la potenza di calcolo dei nostri supercomputer sia in grado di simulare un numero maggiore di galassie, con una risoluzione che dapprima vedrà le stelle, poi i pianeti e infine, chissà, si spingerà sempre più nel dettaglio. Sotto questo punto di vista, il bizzarro comportamento della meccanica quantistica, che invito ad approfondire in altri lidi, sembrerebbe allora un espediente informatico per mettere un limite alla risoluzione di questa immane simulazione cosmica, come se fossero i pixel di un sensore digitale che non potranno mai mostrare dettagli più piccoli di una certa scala.
Non sappiamo se una specie aliena abbia creato la simulazione di questo Universo; se questa sia a immagine e somiglianza di quello esistente davvero, o solo uno dei tanti modelli matematici che funzionano. Non sappiamo se siamo l’esperimento informatico di un ragazzino con cui vincerà il concorso di scienze a scuola o la più grande simulazione mai tentata nella storia delle simulazioni. Non sappiamo se siamo la simulazione di un mondo a sua volta simulato da un'altra specie e se creeremo a nostra volta una nuova simulazione, un giorno, in cui compariranno pezzi di codice autocoscienti, in grado di creare a loro volta altre simulazioni. Non sappiamo nulla ma forse un giorno capiremo, quando anche noi riusciremo a creare un universo, com’è possibile sentirsi vivi pur restando in un ambiente che per altri è virtuale, in uno spazio matematico e in un tempo che scorre secondo le regole imposte dai programmatori.

A questo punto delle nostre conoscenze, anche un’ipotesi del genere può sembrare accettabile, sebbene, come l’altra degli infiniti universi, sia ancora lungi dall’essere provata o smentita. Probabilmente è frutto della nostra voglia di trovare uno scopo in tutto quello che siamo e che vediamo; uno scopo che anche se diluito come un rimedio omeopatico, arrivati a questo punto della conoscenza facciamo ancora fatica ad abbandonare fino in fondo. L’unica cosa di cui abbiamo la certezza, giunti alle ultime parole del nostro viaggio, è la grandiosa  potenza della nostra mente, capace di viaggi interminabili attraverso la straordinaria bellezza del Cosmo. Guardare l’Universo per capire chi siamo. È sempre stato così, sin dalla notte dei tempi.

Astronomia per i più giovani: che cos'è il Big Bang?

Questo post è tratto dal mio libro "Sulle spalle di un raggio di luce", disponibile in ebook Kindle e in versione cartacea.

Quando ho scoperto che la traduzione italiana di questo termine era grande botto sono scoppiato a ridere… Com’è possibile chiamare una teoria così importante con un termine che sembra addirittura farle perdere significato?

Anche in questa circostanza c’è lo zampino degli astronomi, in particolare di un signore di nome Fred Hoyle, accanito avversario di quella che per lui era una strampalata teoria al punto da darle questo nome proprio per ridicolizzarla.

Eppure, a distanza di diversi decenni, il Big Bang è di gran lunga il modo migliore per descrivere le proprietà che stiamo osservando dell’Universo.

La descrizione più semplice e sintetica di cosa sia stato quel grande botto di tanto, tanto tempo fa, lo vede come un’esplosione che a un certo punto, per motivi che non conosciamo, ha dato inizio a tutto l’Universo.

Ma a essere più precisi, questa visualizzazione non è proprio corretta.

Il Big Bang, in effetti, è qualcosa che non si può immaginare, proprio come un elettrone che “orbita” attorno a un atomo, perché non somiglia a niente di quello che abbiamo potuto osservare nella nostra vita.

E quando bisogna immaginare qualcosa che non abbiamo mai osservato, la nostra mente fallisce inevitabilmente. Puoi provare quanto vuoi, ma questa sembra essere una legge dell’Universo, che quindi non ammette eccezioni per quanto siano grandi i nostri sforzi per superarla.

Puoi sbizzarrirti a creare mostri e forme fantasiose, ma non saranno altro che dei puzzle costruiti prendendo in prestito immagini modificate che hai già visto da qualche parte.

Se vorrai provare potrai farlo nei prossimi giorni, ora hai un viaggio ancora più importante da terminare…

Non è proprio corretto definire il Big Bang come un’esplosione, perché significa localizzarla in un punto dello spazio e del tempo. Invece il Big Bang è molto di più, è un evento iniziale che ha creato, oltre alla materia e all’energia, anche il tempo e lo spazio, quindi l’intera struttura dell’Universo.

Possiamo immaginare, in maniera sicuramente più corretta ma ancora lontana dalla realtà, che il Big Bang possa essere stato un evento che non solo ha creato la materia per la formazione di pianeti, stelle, galassie, ma ha anche costruito la struttura sulla quale poi tutto questo ha potuto svilupparsi, proprio come le automobili hanno bisogno dapprima di una strada piana e asfaltata per potersi muovere.

Le leggi fisiche che governano l’Universo e i suoi abitanti sono nate a seguito del Big Bang, al punto che nell’istante zero, nel momento esatto di questa specie di esplosione, avevano valori tutti nulli o infiniti.

In effetti, nessuno riesce a descrivere l’ambiente nel momento preciso del Big Bang, perché tutte le quantità fisiche perdono di significato. Le dimensioni avrebbero dovuto essere nulle, densità, temperatura e massa infinite. Si parla allora di singolarità, un concetto elaborato per dire che grandezze e leggi fisiche non valgono più. E d’altra parte non potrebbe essere altrimenti: se le regole sono nate dopo, come possiamo pensare di utilizzarle per descrivere ciò che esisteva prima della loro creazione?

Questo punto senza dimensioni, contenente tutta l’energia e la materia, per cause che ancora non conosciamo ha cominciato a espandersi. Nel nostro ambito diciamo che qualcosa ha dato il calcio iniziale, una breve scarica così forte che l’ha fatto espandere. Terminato il “kick” durato un istante infinitesimo, l’Universo ha proseguito la sua espansione, proprio come un’astronave mantiene la velocità quando non più spinta dai razzi.

A me piace pensare, ma questa non è più scienza, perché non ho le prove, che quel punto contenesse al suo interno tutte le infinite combinazioni che potevano essere provate. Non so bene come spiegarti; infiniti modi per creare la materia e l’energia, infinite leggi matematiche, molte, molte di più di quelle che conosciamo.

All’interno di questo punto si susseguivano velocissime le estrazioni dei singoli ingredienti per trovare la combinazione che potesse funzionare. Infiniti tentativi che, però, non davano alcun risultato: il punto continuava a restare uguale, privo di spazio e tempo e pieno di energia.

Non conoscendo problemi di tempo, quella capocchia di spillo provava e riprovava, senza fretta, mescolando tutti gli ingredienti, spazio e tempo compresi, come in un calderone senza fondo.

Magari quel punto aveva provato a evolversi senza la gravità, oppure con montagne di zucchero al posto delle infuocate stelle, oppure ancora con lo spazio che aveva una forma strana, tipo il percorso delle montagne russe.

Infinite possibilità che però non funzionavano… fino a quando, proprio come una persona che gioca alla lotteria e vince, anche quel punto ha trovato la combinazione che per noi, ora, è sicuramente quella vincente.

Il premio?

Un cambiamento epocale.

Quell’incastro perfetto probabilmente era l’unico che permetteva l’evoluzione che c’è stata, dalla creazione della prima particella allo sviluppo di menti intelligenti. La nascita dell’Universo così come lo conosciamo; l’inizio di un’avventura straordinaria che noi uomini possiamo goderci in prima fila, perché abbiamo la possibilità di comprenderla.

Da quel momento in poi, da quando il punto ha trovato la combinazione che l’avrebbe trasformato, la storia dell’Universo ha seguito semplicemente le istruzioni già scelte, niente di più semplice.

Il peggio, infatti, era dietro le spalle. Anche tu di fronte a un tema che ti ha dato la maestra perdi molto tempo ed energie all’inizio, quando devi decidere cosa scrivere e in che modo. Nel momento in cui trovi la storia che per te va bene, metterla su carta è semplice e spesso divertente.

Quel punto aveva coscienza di quello che stava facendo? Penso proprio di no; e se devo essere sincero penso che nella sua infinitesima estensione stava pure bene. Probabilmente espandersi e trasformarsi è qualcosa che non aveva previsto e quasi sicuramente non ha scelto. È successo; doveva succedere alla fine, perché a forza di tentare, anche se le possibilità sono tantissime, prima o poi le giochi tutte.

Domande e risposte: Se l’Universo si espande, perché ci sono galassie che si scontrano?

Il valore della costante di Hubble, quindi il tasso con cui si espande lo spazio attorno a noi, ci suggerisce la risposta a questa domanda, una delle più frequenti in merito al complesso concetto di espansione dell’Universo.

La costante di Hubble afferma che ogni milione di parsec, quindi ogni circa 3 milioni di anni luce dal punto di osservazione, la velocità di allontanamento rispetto all’osservatore aumenta di circa 70 km/s.

Questo sembra proprio un valore estremamente piccolo: basti pensare a quanto sia grande una distanza di oltre 3 milioni di anni luce!

In effetti, è sufficiente fare qualche semplice calcolo per capire meglio. 

Nel caso di una stella distante da noi circa 1000 parsec (3260 anni luce), la velocità di recessione sarebbe pari a circa 0,07 km/s, un valore piccolissimo se confrontato con il moto attorno al centro della Galassia, pari a oltre 200 km/s!

La situazione è ancora più chiara se consideriamo i pianeti. Anche il più distante dalla Terra, Nettuno, a causa dell’espansione dell’Universo si allontanerebbe da noi a circa 10 nm, 10 miliardesimi di metro, al secondo! Questo valore è così piccolo da risultare assolutamente trascurabile, di gran lunga sopravanzato dalle interazioni gravitazionali con il Sole, gli altri pianeti, i suoi stessi satelliti. 

Siamo arrivati a un’importante conclusione: l’espansione dell’Universo non si nota per piccole scale, perché è svariati ordini di grandezza sopravanzata da molte altre variabili, prima su tutti la forza di gravità. Per osservare l’effetto dobbiamo rivolgere il nostro sguardo necessariamente verso galassie estremamente lontane, affinché lo spazio che ci separa sia sufficientemente vasto da notare velocità di recessione comparabili, o superiori, con quelle gravitazionali. 

Il limite per il quale l’espansione dell’Universo si fa sentire può essere identificato come la distanza alla quale competono velocità di espansione superiori ai 1.000 km/s. Questo limite si trova a circa 50 milioni di anni luce. Entro questa distanza, l’espansione dell’Universo può essere trascurata.

Quando i moti gravitazionali all’interno di un certo spazio sono maggiori dell’espansione dell’Universo, allora le interazioni gravitazionali sono ancora possibili. 

Gli ammassi di galassie hanno diametri di qualche decina di milioni di anni luce, quindi da un estremo all’altro la velocità di recessione tra due galassie potrebbe superare i 1000 km/s. I moti gravitazionali attorno al centro di massa, però, possono essere anche dieci volte superiori e di fatto l’ammasso non viene disperso. 

Per distanze inferiori, le cose sono ancora più semplici. La galassia di Andromeda, distante 2,3 milioni di anni luce, si dovrebbe allontanare da noi a una velocità di circa 50 km/s, ma la reciproca attrazione gravitazionale è così forte che, sebbene lo spazio di espanda, le due galassie si avvicinano a circa 100 km/s. Questo non significa che lo spazio non si espande, ma solamente che per piccole distanze prevale l’effetto risultante delle interazioni gravitazionali, quindi i moti attraverso lo spazio.

Domande e risposte: quanto è grande l'Universo?

A questa domanda si può rispondere in molti modi diversi, alcuni corretti, altri frutto di mere ipotesi.

Cominciamo dai punti fermi, poi potremo lasciarci andare a qualche congettura.

L’Universo che possiamo vedere ha un raggio di circa 13,4 miliardi di anni luce, delimitato inevitabilmente dalla radiazione cosmica di fondo che ci impedisce di osservare regioni più lontane, semplicemente perché la luce non ha ancora fatto in tempo ad arrivarci. In effetti, l’Universo è troppo giovane per mostrarsi tutto.

Si potrebbe dire, quindi, che il diametro della porzione osservabile di cosmo sia di 13,4 X 2 = circa 26,5 miliardi di anni luce. 

L'Universo è una speciale sfera dalle dimensioni inimmaginabili

Tuttavia, queste non sono dimensioni reali, perché le varie porzioni che stiamo osservando nello spazio, quindi anche nel tempo, nel corso dei miliardi di anni si sono dilatate a causa dell'espansione dell'Universo, di conseguenza in questo nostro istante non si troveranno più alla distanza che ci appare da queste misurazioni. 

Una galassia distante 10 miliardi di anni luce lo era altrettanti anni fa, ma nel corso di questo lungo intervallo di tempo lo spazio tra noi ed essa si è continuato a espandere. Attualmente, quindi, non si troverà più alla distanza misurata.

Se si considera il tasso medio con cui si è espanso l’Universo, le regioni che noi vediamo a 13,4 miliardi di anni luce, quindi quelle che ci inviano il segnale della radiazione cosmica di fondo, si trovano attualmente a non meno di 40 miliardi di anni luce di distanza. 

Il diametro dell’Universo osservabile, quindi, rapportato al nostro tempo attuale, dovrebbe essere vicino agli 80 miliardi di anni luce!

Ora complichiamo a piacere lo scenario.

Secondo alcuni modelli, questa potrebbe essere una parte infinitesima dell’Universo, che negli istanti iniziali ha conosciuto una super espansione ben più veloce della luce. 

Nessuno sa con certezza quanto sia in realtà grande l’Universo, alcuni pensano che possa essere miliardi di miliardi di miliardi di volte più esteso del valore che abbiamo poco sopra trovato!

Questo numero potrebbe essere vicino al concetto di infinito o addirittura diventare infinito qualora vengano avvalorati altri modelli che prevedono un’infinita generazione di universi osservabili a partire dalla super espansione di parte dello spazio a seguito di un fenomeno chiamato inflazione.

Infinito o meno, quello che sembra mettere d’accordo molti cosmologi è il fatto che l’Universo sia comunque indefinito.

Questo concetto è più facile da immaginare perché ce lo abbiamo sotto gli occhi continuamente.

La superficie della Terra, ad esempio, è naturalmente finita ma sferica. Se potessimo prendere un aereo o una macchina senza problemi di carburante, potremmo percorrere all’infinito la superficie del nostro pianeta senza mai trovare un confine, ma raggiungendo ogni volta il punto d’inizio.

Questo è il concetto di indefinito: una superficie che non ha dei confini. 

Si pensa che l’intera struttura dell’Universo sia una speciale sfera a quattro dimensioni (tre dello spazio e una del tempo) priva di un confine netto.

E d’altra parte uno scenario del genere, oltre a essere comune, è in perfetto accordo con il fatto che non esistono luoghi privilegiati dell’Universo che possano sperimentare proprietà diverse. Se esistesse un confine netto si aprirebbero molti paradossi: perché quella zona si dovrebbe comportare in modo diverso rispetto al resto? Cosa c’è fuori?

Dopo l’esperienza di Cristoforo Colombo, che sbagliando aveva dimostrato in modo pratico che la Terra non aveva confini netti perché sferica, nessuno scienziato immagina più una struttura, o l’Universo stesso, con dei bordi delimitati dalle mitologiche colonne d’Ercole.

Qualche cosmologo ha pure cercato di replicare, su scala decisamente maggiore, l’esperienza di Colombo. Se l’Universo è una specie di sfera senza confini, allora la luce delle stelle potrebbe “fare il giro” e presentarsi anche nella parte opposta. Di nuovo, benché questa ipotesi sia plausibile, l’Universo è troppo giovane e troppo vasto affinché la luce di qualche corpo celeste, anche quelli più lontani, abbia avuto il tempo di fare un giro completo.

Cos'è la radiazione cosmica di fondo?

Questo post è estratto dal mio libro "Nella mente dell'Universo", disponibile in formato ebook a soli 2,99 euro, e in versione cartacea

 

Nel 1964 due ingegneri della società telefonica Bell Telephone, Arno Penzias e Robert Wilson, stavano conducendo degli esperimenti per testare il disturbo causato dall’atmosfera terrestre in previsione del lancio del primo satellite per telecomunicazioni (Telestar).

Durante questi test la loro antenna captò uno strano rumore di fondo, un segnale debole ma sempre presente. I due tecnici si misero subito all’opera per capire la ragione di questo segnale. Smontarono e rimontarono l’antenna, addirittura trovarono un nido di piccione al suo interno, ma nulla cambiò l’esito delle misurazioni, il rumore di fondo era sempre presente.

Ben presto arrivarono alla conclusione che doveva trattarsi di qualcosa esterno all’atmosfera terrestre, addirittura allo stesso sistema solare, che permeava tutto lo spazio indistintamente, visto che non era sensibile all’orientazione dell’antenna, ne alla posizione della Terra attorno al Sole durante l’anno.

I due scienziati ottennero anche un primo spettro di questa misteriosa sorgente, raccogliendo l’intensità del segnale luminoso in funzione della lunghezza d’onda, scoprendo che si trattava di un segnale prodotto da un corpo nero praticamente perfetto alla temperatura di circa 3 K.

Il loro lavoro si limitò a escludere meticolosamente qualsiasi fonte di disturbo locale; una volta eseguiti tutti i possibili test, che risultarono negativi, pubblicarono i risultati il 13 maggio 1965 nella rivista Astrophysical Journal, senza fare alcuna ipotesi fisica sulla natura di questa radiazione elettromagnetica.

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Spettro della radiazione cosmica di fondo: la temperatura dell'Universo

Appena letto l’articolo, gli astronomi dell’università di Princeton, alla ricerca di questa radiazione come prova dei loro modelli di Universo, subito capirono che quello che avevano teorizzato e si accingevano a cercare era stato già scoperto in modo inequivocabile (e incredibilmente fortuito) da Penzias e Wilson. Questa radiazione divenne la prova decisiva e più forte della nascita dell’Universo attraverso il Big Bang. 

Le misurazioni pionieristiche di Wilson e Penzias valsero ai due ingegneri il premio nobel per la fisica. La loro scoperta si rivelò essere una delle più importanti del secolo, al pari dell’espansione dell’Universo da parte di Hubble 35 anni prima. 

Il cielo è permeato da una radiazione elettromagnetica, uguale in ogni direzione, piccata alla lunghezza d’onda di circa 0,2 centimetri, che corrisponde alla parte dello spettro elettromagnetico centrata nelle microonde. Il profilo è perfettamente sovrapponibile a quello di un corpo nero con temperatura di 2,725 K.

Questa è la temperatura dell’Universo lontano da stelle, galassie e qualsiasi sorgente di calore.

La radiazione cosmica di fondo rappresenta l’eco del Big Bang, l’atto iniziale di formazione dell’Universo stesso. Essa è la prova che l’Universo ha avuto un’origine da un punto e si è poi espanso come confermato dall’osservazione del redshift cosmologico delle galassie.

La radiazione che osserviamo è giustificata in modo preciso da un modello che prevede la nascita dell’Universo attraverso il Big Bang e la successiva evoluzione seguendo le semplici e ben conosciute leggi della termodinamica, come se l’Universo stesso fosse un enorme contenitore di energia e gas in espansione. In perfetto accordo con i dati teorici, la radiazione cosmica di fondo è stata emessa dall’Universo quando aveva un’età compresa tra 300.000 e 400.000 anni, al tempo in cui la materia si disaccoppiò dalla radiazione. In altre parole, l’Universo, a quel tempo giovanissimo, divenne trasparente alla radiazione, che non interagì più con la materia e fu libera di scappare e vagare senza praticamente venirne più alterata. 

Al tempo del disaccoppiamento la radiazione aveva, a causa delle interazioni numerose con le particelle dell’Universo (in particolare gli elettroni), uno spettro di corpo nero perfetto alla temperatura dell’Universo nel momento appena antecedente il disaccoppiamento. Questa temperatura era di circa 4.000 K, con un’emissione piccata nel vicino infrarosso.

Perché la radiazione cosmica di fondo ora ci appare molto più fredda? Perché il picco dello spettro si è spostato da 950 nm a 0,2 cm? 

Semplice: l’espansione dell’Universo ha “redshiftato”, cioè spostato verso il rosso, anche questa radiazione e proprio in conseguenza all’espansione esso si è gradualmente raffreddato fino alla temperatura attuale. 

La radiazione cosmica di fondo rappresenta il dettaglio più giovane che possiamo osservare (attualmente) del nostro Universo.

Poiché guardando lontano nello spazio si guarda anche lontano nel tempo, non è possibile osservare a una distanza superiore a quella della radiazione cosmica di fondo, posta a circa 13,4 miliardi di anni luce.

L’Universo è sicuramente più grande, ma poiché la luce si propaga a velocità finita, noi non possiamo vedere oltre questo limite. Questo è il nostro orizzonte, limitato dall’età dell’Universo.

In questo stesso istante un osservatore posto a 13,5 miliardi di anni luce dalla Terra non vedrebbe il nostro pianeta, ma un’epoca che corrisponde al disaccoppiamento materia-radiazione. Egli osserverebbe esattamente quello che vediamo noi in questo momento nella direzione dello spazio dove dovrebbe trovarsi: la radiazione cosmica di fondo. 

La simultaneità nell’Universo è un concetto molto elastico; quello che per noi è adesso diventa un istante passato per ogni altro punto dell’Universo che stiamo osservando, maggiore quanto più lontano gettiamo lo sguardo.

Negli anni novanta del secolo scorso un satellite (COBE) fu lanciato dalla NASA per studiare in dettaglio forma e distribuzione della radiazione cosmica di fondo, alla scoperta di indizi che potessero gettare uno sguardo migliore sulle proprietà dell’Universo.

E’ naturale pensare, infatti, che se la radiazione che osserviamo era fino a quel momento accoppiata alla materia, interagendo continuamente con essa, e poi ne è uscita quasi completamente inalterata, allora deve conservare le proprietà e le caratteristiche della materia a quel tempo, deve contenere gli indizi per la futura evoluzione dell’Universo.

Possiamo infatti immaginare la radiazione cosmica di fondo come una specie di codice genetico dell’Universo (DNA): in essa è scritto tutto quello che riguarda l’evoluzione e il destino stesso, compresa la nascita di stelle e galassie.

Osservando e interpretando nel modo migliore questo codice genetico, possiamo avere un quadro di come si è evoluto l’Universo e di quale, probabilmente, sarà il suo destino.

Le immagini ricevute mostrarono un fondo cosmico presente e in perfetto accordo con quanto misurato da Terra fino a quel momento, con uno spettro tipico di un corpo nero, ma con delle leggerissime disuniformità spaziali, dette anisotropie: insomma, guardando più in dettaglio, la radiazione cosmica di fondo non era perfettamente omogenea come si era pensato e osservato fino a quel momento.

Differenze della temperatura della radiazione cosmica di fondo

Rimuovendo il disturbo causato dalla nostra galassia, anche essa emettitrice di microonde che possono disturbare l’emissione cosmica di fondo, e il contributo causato dal moto relativo a essa, la situazione apparve molto chiara. Benché a una temperatura di 2,725 K , erano evidenti piccolissime fluttuazioni di temperatura, dell’ordine di una parte su un milione: estremamente ridotte ma fondamentali per lo sviluppo dell’Universo così come lo conosciamo.

Queste piccolissime perturbazioni rappresentano i segni dell’evoluzione dell’Universo.

Crescendo nel tempo a causa della forza di gravità, le perturbazioni hanno dato origine alle galassie, alle stelle e a tutto quello che possiamo osservare. 

Se il fondo di radiazione, quindi l’Universo, non avesse avuto queste piccole increspature, non si sarebbe creata neanche una stella e non si sarebbe mai evoluto.

Una piccola perturbazione di una parte su un milione è invece sufficiente per trasformare l’Universo da un mare oscuro di particelle a un luogo pieno di galassie e stelle.

Coincidenza o parte di un disegno cosmico? I credenti vedranno la mano del creatore, gli atei lo vedranno solo come l’unico risultato che ha reso possibile la nostra stessa esistenza e il fatto che ora ci stiamo ponendo altre domande: se ci sono state altre combinazioni noi non lo sapremo mai, perché solo questa ci ha dato la vita.

Online la bellissima conferenza di Corrado Lamberti

Sabato 12 Novembre al POST di Perugia, Corrado Lamberti, ospite dell'associazione astrofili Paolo Maffei, ha tenuto un'interessantissima e avvincente conferenza sui grandi temi della cosmologia moderna.
L'intera serata è stata registrata ed è disponibile online a questo indirizzo: http://www.ustream.tv/channel/astrofilimaffei . Consiglio a tutti di seguirla ed apprezzare la chiarezza ma allo stesso tempo il rigore scientifico del relatore, a cui vanno di nuovo e pubblicamente i miei più sinceri complimenti.
Grazie Corrado!

Il prossimo 26 Novembre sarà ospite Bruno Moretti Turri che ci parlerà del progetto SETI e della ricerca (seria) di vita extraterrestre.
Ingresso gratuito, ore 21:30 al POST in piazza del Melo, Perugia.