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1 IL MODELLO COSMOLOGICO 1. La questione dell origine 2. Edwin Hubble e l universo che si espande 3. Big Bang, inflazione e prove a favore del Big Bang 4. Il futuro dell universo e i modelli di Fridmann 2 1. LA QUESTIONE DELL ORIGINE Edda Prosastica La Bibbia Il modello cosmologico Differenze? 3 EDDA IN PROSA Esisteva un grande «nulla» chiamato Ginnungagap. A Nord del nulla c era il ghiaccio (Nifheim) mentre a Sud c era il Fuoco (Muspelheim). Il fuoco sciolse parzialmente il ghiaccio dando vita al gigante Ymir. Per partogenesi nacquesro altrigiganti, che si nutrivano di quanto veniva prodotto dalla mucca Audumla. La mucca mangiava a sua volta la brina delle rocce, dalla quale spuntarono i capelli di un uomo, Buri, che accoppiandosi non si sa con chi diede vita a Bor, che sposò una gigantessa generando tre figli: Odino, Vili e Ve. I tre uccisero Ymir e dal corpo del gigante ebbe origine tutto: il sangue fu il mare, la carne la terra, le ossa le rocce. I tre presero il fuoco di Muspelheim e lo lanciarono in cielo a formare le stelle. 4 LA BIBBIA CATTOLICA In principio Dio creò il cielo e la terra. Ora la terra era informe e deserta e le tenebre ricoprivano l'abisso e lo spirito di Dio aleggiava sulle acque. Dio disse: Sia la luce! . E la luce fu. Dio vide che la luce era cosa buona e separò la luce dalle tenebre e chiamò la luce giorno e le tenebre notte. E fu sera e fu mattina: primo giorno. Dio disse: Sia il firmamento in mezzo alle acque per separare le acque dalle acque . Dio fece il firmamento e separò le acque, che sono sotto il firmamento, dalle acque, che son sopra il firmamento. E così avvenne. Dio chiamò il firmamento cielo. E fu sera e fu mattina: secondo giorno. Dio disse: Le acque che sono sotto il cielo, si raccolgano in un solo luogo e appaia l'asciutto . E così avvenne. Dio chiamò l'asciutto terra e la massa delle acque mare. E Dio vide che era cosa buona. E Dio disse: La terra produca germogli, erbe che producono seme e alberi da frutto, che facciano sulla terra frutto con il seme, ciascuno secondo la sua specie . E così avvenne: la terra produsse germogli, erbe che producono seme, ciascuna secondo la propria specie e alberi che fanno ciascuno frutto con il seme, secondo la propria specie. Dio vide che era cosa buona. E fu sera e fu mattina: terzo giorno. Dio disse: Ci siano luci nel firmamento del cielo, per distinguere il giorno dalla notte; servano da segni per le stagioni, per i giorni e per gli anni e servano da luci nel firmamento del cielo per illuminare la terra . E così avvenne: Dio fece le due luci grandi, la luce maggiore per regolare il giorno e la luce minore per regolare la notte, e le stelle. Dio le pose nel firmamento del cielo per illuminare la terra e per regolare giorno e notte e per separare la luce dalle tenebre. E Dio vide che era cosa buona. E fu sera e fu mattina: quarto giorno. Dio disse: Le acque brulichino di esseri viventi e uccelli volino sopra la terra, davanti al firmamento del cielo . Dio creò i grandi mostri marini e tutti gli esseri viventi che guizzano e brulicano nelle acque, secondo la loro specie, e tutti gli uccelli alati secondo la loro specie. E Dio vide che era cosa buona. Dio li benedisse: Siate fecondi e moltiplicatevi e riempite le acque dei mari; gli uccelli si moltiplichino sulla terra . E fu sera e fu mattina: quinto giorno. Dio disse: La terra produca esseri viventi secondo la loro specie: bestiame, rettili e bestie selvatiche secondo la loro specie . E così avvenne: Dio fece le bestie selvatiche secondo la loro specie e il bestiame secondo la propria specie e tutti i rettili del suolo secondo la loro specie. E Dio vide che era cosa buona. E Dio disse: Facciamo l'uomo a nostra immagine, a nostra somiglianza, e domini sui pesci del mare e sugli uccelli del cielo, sul bestiame, su tutte le bestie selvatiche e su tutti i rettili che strisciano sulla terra . Dio creò l'uomo a sua immagine; a immagine di Dio lo creò; maschio e femmina li creò. Dio li benedisse e disse loro: Siate fecondi e moltiplicatevi, riempite la terra; soggiogatela e dominate sui pesci del mare e sugli uccelli del cielo e su ogni essere vivente, che striscia sulla terra . Poi Dio disse: Ecco, io vi do ogni erba che produce seme e che è su tutta la terra e ogni albero in cui è il frutto, che produce seme: saranno il vostro cibo. A tutte le bestie selvatiche, a tutti gli uccelli del cielo e a tutti gli esseri che strisciano sulla terra e nei quali è alito di vita, io do in cibo ogni erba verde . E così avvenne. Dio vide quanto aveva fatto, ed ecco, era cosa molto buona. E fu sera e fu mattina: sesto giorno. Così furono portati a compimento il cielo e la terra e tutte le loro schiere. Allora Dio, nel settimo giorno portò a termine il lavoro che aveva fatto e cessò nel settimo giorno da ogni suo lavoro. Dio benedisse il settimo giorno e lo consacrò, perché in esso aveva cessato da ogni lavoro che egli creando aveva fatto.. 5 2. EDWIN HUBBLE E L UNIVERSO CHE SI ESPANDE La scoperta di Hubble Il Principio Cosmologico EINSTEIN E LA COSTANTE COSMOLOGICA Le equazioni della Relatività Generale di Einstein, pubblicate nel 1916, implicavano un universo che non si trova in equilibrio ma che deve espandersi oppure contrarsi. Anche Einstein si spaventò di questo risultato ed introdusse un parametro nuovo per bloccare l universo in una situazione di staticità: la COSTANTE COSMOLOGICA Anni più tardi, lo stesso Einstein reputò questa sua introduzione come «il più grande errore della sua vita», ma in realtà la stessa costante è stata rivalutata! ANNATA SPECIALE 1. Crisi economica e crollo di Wall Street 2. Phoebus Levene isola il DNA 3. John Cockcroft inventa l acceleratore di particelle 4. Motonori Matuyama scopre la periodica inversione del campo magnetico terrestre Il 15 marzo 1929 il giornale «Proceedings of the National Academy of Science» pubblica l articolo di Edwin Hubble dal titolo «Una relazione tra la distanza e la velocità radiale delle nebulose extra-galattiche» 8 LA «SCOPERTA» DI HUBBLE Dove si parla di espansione dell universo? La velocità radiale esprime la velocità dei corpi celesti rispetto a noi e Hubble, nel suo studio, misurò proprio la velocità di 24 galassie rispetto a noi. La maggior parte erano in allontanamento. 1. Misurazione della distanza tramite metodo delle Cefeidi (prima serata) 2. Misurazione del moto radiale tramite Effetto Doppler (quarta serata) 9 FU DAVVERO UNA SCOPERTA? Già nel 1917, Vesto Slipher pubblicò un elenco di 25 galassie, ciascuna con la sua velocità, e quasi tutte risultavano in allontanamento. Lo stesso Hubble studiò i dati di Slipher, li trovò interessanti e ne continuò il lavoro giungendo alla sua famosa legge. 10 LEGGE DI HUBBLE Le galassie distanti si allontanano da noi, e quanto maggiore è la loro distanza tanto maggiore è la velocità di allontanamento. I valori di distanza e velocità sono legati in maniera diretta dalla costante H, detta costante di Hubble, dalla quale dipendono diverse cose. 1. La nostra galassia è al centro dell universo e tutto si allontana da noi 2. La nostra galassia è una delle tante dell universo e tutto è dovuto ad un fenomeno di espansione dell universo. 11 PRINCIPIO COSMOLOGICO Il posto che occupiamo nell universo non ha nulla di speciale rispetto a qualsiasi altro punto, su larga scala. L universo è quindi: ISOTROPO: ovunque guardiamo, a larga scala, l universo risulta sempre uguale e per provarlo basta osservare la Radiazione Cosmica di Fondo. OMOGENEO: l isotropia è vera da qualsiasi posto dell universo, non solo dal nostro. Per provarlo basta usare un po di buonsenso e mettere da parte l egocentrismo. La «grande scala» è quella offerta dagli ammassi galattici, quindi l universo è isotropo nelle scale di almeno 100 milioni di anni luce. 12 COME SI MUOVE L ESPANSIONE ALLORA? Stessa cosa per la pasta che lievita: quando si espande fa in modo che tutti i canditi si allontanino tra loro, senza un vero centro di partenza dell espansione. L esempio più classico è dato da alcuni puntini disegnati su un palloncino sgonfio. Quando soffiamo su un palloncino, non esiste un punto che resta fermo mentre gli altri se ne allontanano, ma tutti i punti si allontanano l uno dall altro. La superficie del palloncino si espande. 13 DUE FONDAMENTALI IMPLICAZIONI 1. Se andando avanti nel tempo vediamo le galassie allontanarsi tra loro, tornando indietro nel tempo è intuitivo verificare che queste galassie un tempo erano più vicine tra di loro, fino ad arrivare ad un tempo in cui erano tutte nello stesso punto! 2. Se conosciamo la distanza della galassia più lontana, la costante di Hubble e la velocità di allontanamento, possiamo stabilire un limite all età dell universo. Infatti proprio calcolando correttamente la costante di Hubble si riesce a sapere che l universo ha poco meno di 15 miliardi di anni luce. 14 3. BIG BANG, INFLAZIONE E PROVE A FAVORE Big Bang e inflazione Radiazione Cosmica di Fondo 15 LA TEORIE CHE NASCONO DA HUBBLE In seguito alla scoperta dell espansione dell universo, si formarono vari partiti. Padre Lamaitre (Belgio) George Gamow (Russia) Fred Hoyle (Inghilterra) Halton Arp (USA) 16 IL BIG BANG Solitamente con Big Bang si intende una esplosione iniziale, tuttavia una esplosione è un evento che si verifica in un dato luogo e in un dato tempo. Ma tempo e spazio non esistevano all epoca. «Esplosione» è un termine improprio. Con Big Bang si intende il processo di espansione dell universo a partire da un qualcosa di infinitesimo in termini di dimensione e di infinitamente grande in termini di energia. Questo Big Bang esiste ancora oggi. 17 IL BIG BANG COSA C ERA PRIMA? Per non cadere nelle contraddizioni dell Edda Prosastica e dell Antico Testamento, la scienza risponde con «non si sa». Potrebbe esserci stato tutto o niente! Proprio per questa «ignoranza scientifica» e per questo «non sbilanciarsi», la Teoria del Big Bang è accettata dalla chiesa cattolica perché lascia ancora spazio all intervento divino, almeno fino a quando la teoria non riuscirà a risalire nel tempo fino all inizio di tutto. Ogni «rivelazione» è pura congettura, narrativa. 18 IL BIG BANG L ERA DI PLANCK Tutto parte dal momento (un decimilionesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo) secondi dopo l'inizio di tutto, detto Era di Planck. Diametro dell universo: un milione di miliardi più piccolo rispetto al diametro di un atomo di idrogeno. Temperatura intorno ai Kelvin. Struttura spugnosa. Quattro forze (gravità, elettromagnetismo, interazioni nucleari forte e debole) unificate. Quantistica e Relatività indistinguibili. Al termine dell'era di Planck, la gravità si separò dalle altre forze ed iniziò a vivere secondo le leggi che attualmente conosciamo. 19 IL BIG BANG DOPO SECONDI, INFLAZIONE Al momento anche interazione elettrodebole e interazione nucleare forte ottennero l'indipendenza, e poco più tardi la prima si scisse in elettromagnetica e nucleare debole, dando vita alle attuali quattro forze e quindi ad un universo noto in piena regola. Si formarono i quark, i leptoni (elettroni, neutrini) e le loro antiparticelle, ovvero tutta quella serie di elementi che sono noti come brodo primordiale o zuppa di quark. Proprio in questo momento, da a secondi, l universo ha avuto una espansione velocissima nota come INFLAZIONE, che ha spianato lo spazio consentendo l aspetto di omogeneità che riscontriamo oggi a larga scala. 20 IL BIG BANG DOPO 10-6 SECONDI ASIMMETRIA BARIONICA I leptoni persero il loro equilibrio e l'universo iniziò ad essere governato dai fotoni (era radiativa). Con temperature tanto elevate i fotoni potevano convertire la propria energia in coppie particella-antiparticella in grado di annichilarsi a vicenda, restituendo l'energia di nuovo sottoforma di fotoni. Viene a crearsi una asimmetria (una parte su un miliardo) tra materia e antimateria ed è proprio per questo che oggi esistono le strutture cosmiche che vediamo. Senza questa asimmetria avremmo un universo di energia pura, senza materia barionica. 21 IL BIG BANG DOPO UN MILIONESIMO DI SECONDO La temperatura scend sotto i mille miliardi di gradi Kelvin con conseguente impossibilità di cuocere i quark che, quindi, riuscirono a trovarsi un compagno per dar vita a particelle più pesanti chiamate adroni (era adronica). Le asimmetrie esistenti passarono quindi a particelle più grandi con grandi conseguenze: la temperatura più bassa implica impossibilità di dar vita alla creazione spontanea di particelle-antiparticelle, che quindi andò sempre più diminuendo. Ogni miliardo di annichilazioni lasciava un miliardo di fotoni ed un solo adrone (eccesso di materia su antimateria), che un giorno darà luogo alle galassie che vediamo. 22 IL BIG BANG DOPO UN SECONDO La temperatura scende a 10 miliardi di gradi: l'universo contiene soprattutto fotoni, elettroni e neutrini e le loro antiparticelle, insieme a pochi neutroni e protoni. Con l'espansione e la diminuzione di temperatura, il ritmo con cui venivano prodotte le coppie elettrone-antielettrone nelle collisioni scese al di sotto del ritmo con cui le coppie stesse venivano distrutte per annichilazione. La maggior parte di elettroni e positoni si devono essere annichilati tra loro per produrre altri fotoni, lasciando un esiguo numero di elettroni residui. Sopravvive un elettrone su un miliardo. Neutrini ed antineutrini, invece, interagiscono pochissimo con la materia ed esistono ancora oggi: non diedero vita a nessun processo di annichilazione, o quasi. Nel cosmo resta un elettrone per ogni protone. 23 IL BIG BANG DOPO TRE MINUTI La temparatura è di 1 miliardo di gradi, che è la temperatura vigente all'interno delle stelle più calde: protoni e neutroni iniziano a combinarsi per dar vita a nuclei di atomi di deuterio, contenenti un protone ed un neutrone (nucleosintesi primordiale). I nuclei di deuterio si combinarono con altri protoni a formare nuclei di elio, litio e berillio. La temperatura era ancora tanto alta da consentire agli elettroni di girare liberamente per lo spazio urtando continuamente i fotoni. I neutroni rimanenti decaddero in protoni, formando il nucleo degli atomi di idrogeno. Chi pensò questo sistema teorico, si sbilanciò sostenendo che la radiazione (espressa come fotoni) di questa espansione avrebbe dovuto esistere ancora oggi, con una temperatura di poco superiore allo zero assoluto, circa 2,7 K. 24 IL BIG BANG DOPO QUALCHE ORA Dopo poche ore, la produzione di elio e degli altri elementi si arrestò e tutto continuò ad espandersi così, senza note di spicco. Tutto quello che doveva essere creato, era già stato creato! 25 IL BIG BANG DOPO ANNI I fotoni sono liberi di muoversi ora e di uscire dai ripetuti scontri con gli elettroni liberi. Termina la cosiddetta «dark age» e l universo diventa trasparente alla luce. 26 IL BIG BANG LE PRIME STRUTTURE L'universo è creato, e l'asimmetria farà il resto d'ora in poi seguendo le leggi della Relatività. In alcune zone, una attrazione gravitazionale più forte ha fatto si che, a fronte del resto dell'universo che continuava ad espandersi, le zone stesse furono oggetto di arresto dell'espansione ed addirittura di contrazione. Questa asimmetria di espansione dovrebbe aver innescato il processo di rotazione internamente alle zone a gravità maggiore. Più le zone si contraevano e più la rotazione diventava forte, esattamente come una ballerina su ghiaccio ruota più velocemente nel momento in cui stringe le braccia al corpo. Dovrebbero essere nate così le galassie a spirale. All interno delle galassie nascono le prime stelle. Le stelle più grandi esplodono come supernovae e forniscono all'universo materiali pesanti in una nube di gas. Da queste nubi sono nati stelle e sistemi planetari come il nostro. 27 IL BIG BANG QUELLO CHE DOVREBBE RIMANERE Si è detto che una temperatura come quella iniziale deve essere presente ancora oggi, anche se l espansione dell universo ha fatto diminuire la temperatura stessa e quindi l energia. Nel 1965, Robert Dicke, James Peebles e David Wilkinson, a Princeton, decisero di verificare una teoria di George Gamow che prevedeva la presenza di un residuo di radiazione a circa 2,7 K (-270 C), quindi nello spettro delle microonde. 28 IL BIG BANG QUELLO CHE E STATO TROVATO Sempre nel 1965, Arno Penzias e Robert Wilson scoprono quasi accidentalmente ciò che i tre scienziati di Princeton stavano cercando: un eccesso di radiazione a 3 Kelvin provenire da tutto il cielo. In realtà stavano soltanto testando una strumentazione della Bell, e prima di confermare questo rumore le provarono tutte, compreso ripulirlo da escrementi di piccioni, ma molto spesso i testi fanno passare i due tecnici della Bell per due incapaci pieni di fortuna, cosa non vera. La scoperta valse loro il Nobel! 29 IL BIG BANG LA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO La CBR, a prima vista, presenta delle note non uniformi in quantità di una parte su mille in ciascuna direzione, ma si tratta di un effetto Doppler legato al movimento della nostra galassia. Tolta questa impurità di calcolo, la radiazione appare uniforme con uno scarto di uno ogni centomila con radiazioni leggermente maggiori o leggermente minori corrispondenti alle zone dove, all'età universale , la materia era più presente o meno presente, incubazione delle attuali strutture cosmiche. 30 4. FUTURO DELL UNIVERSO E MODELLI DI FRIDMANN La questione della materia critica La forma dell universo Quale futuro per l universo 31 DOVE VA L UNIVERSO Abbiamo detto che Einstein sbagliò ad introdurre una costante cosmologica al fine di mantenere l universo statico. Se lanciamo una pietra in aria, la normalità è vederla ricadere a Terra oppure (con forza incredibilmente grande) vederla fuggire dalla nostra gravità (non è molto normale ma è accettabile teoricamente!) Strano invece sarebbe vedere il sasso fermarsi in aria! Il «viaggio» del sasso dipende dalla gravità terrestre e dalla forza che abbiamo impresso al lancio rispetto alla velocità di Possiamo sostituire la fuga. Terra con la massa dell universo e il sasso con le galassie distanti per vedere se queste, data la loro velocità, tendono a tornare indietro oppure a perdersi per sempre. 32 I MODELLI DI FRIEDMANN Aleksandr Friedmann è un fisico russo che ebbe il merito di prendere le equazioni della Relatività Generale e non contaminarle con costanti cosmologiche. Sulla scia di quanto già intuito da De Sitte, Friedmann giunse ad una soluzione delle equazioni di Einstein avanzando ipotesi sulla densità critica dell universo giungendo ad ipotizzare che le galassie più distanti si allontanassero a velocità maggiori. Era il 1922 e Friedmann ipotizzò un universo in espansione ben prima che Hubble lo Friedmann elaborò un osservasse. solo modello, ma modificando la variabile relativa alla densità critica dell universo è possibile estrarne altri due e ciascuno dei tre modelli porta ad un futuro dell universo differente. 33 PRIMO MODELLO DI FRIEDMANN L'espansione avviene ad una velocità non sufficientemente a mantenere l'espansione in eterno. Verrà quindi il momento in cui l'espansione sarà arrestata dall'attrazione gravitazionale esercitata dalla massa che compone l'universo prima che le galassie saranno costrette a tornare ad avvicinarsi in una fase di contrazione dell'universo. Importante implicazione: l'universo è finito ma, espandendosi fino al punto di massimo verso ogni direzione, assume una forma sferica che fa si che non abbia un confine. Lo spazio, in tal caso, viene ad assumere una curvatura positiva dove il centro della sfera è presente nella terza dimensione e non sulla superficie che rappresenta lo spazio. Un universo simile avrebbe come fine possibile quella di un ritorno alla singolarità di partenza, un Big Crunch. 34 SECONDO MODELLO DI FRIEDMANN L'espansione avviene ad una velocità talmente elevata che l'attrazione gravitazionale esercitata dalla massa dell'universo non può arrestarla, ma al massimo rallentarla. Anche in questo modello, la distanza iniziale tra le galassie era ugual
