dell`allegato

1
IL MODELLO
COSMOLOGICO
STANDARD
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
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
2
1. LA QUESTIONE
DELL’ORIGINE
• Edda Prosastica
• La Bibbia
• Il modello cosmologico
• Differenze?
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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..
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
5
2. EDWIN HUBBLE E
L’UNIVERSO CHE SI
ESPANDE
• La scoperta di Hubble
• Il Principio Cosmologico
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
6
1916 – 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!
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
7
1929 – ANNATA SPECIALE
1.
2.
3.
4.
Crisi economica e crollo di Wall Street
Phoebus Levene isola il DNA
John Cockcroft inventa l’acceleratore di particelle
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»
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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)
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
12
COME SI MUOVE L’ESPANSIONE
ALLORA?
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.
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
14
3. BIG BANG,
INFLAZIONE E PROVE A
FAVORE
• Big Bang e inflazione
• Radiazione Cosmica di Fondo
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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)
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
18
IL BIG BANG – L’ERA DI PLANCK
Tutto parte dal momento 10-43 (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 1032 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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
19
IL BIG BANG – DOPO 10-35 SECONDI,
INFLAZIONE
Al momento 10-35 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 10-33 a 10-26 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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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!
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
25
IL BIG BANG – DOPO 380.000 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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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!
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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
380.000, la materia era più
presente o meno presente,
incubazione delle attuali strutture
cosmiche.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
30
4. FUTURO
DELL’UNIVERSO E
MODELLI DI FRIDMANN
• La questione della materia critica
• La forma dell’universo
• Quale futuro per l’universo
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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 lafuga.
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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 unosservasse.
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
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
uguale a zero ma alla fine queste non convergono di nuovo ma
continuano ad allontanarsi le une dalle altre ad una velocità
costante.
In tali ipotesi, l'universo è curvato negativamente assumendo
una forma a sella. In tal caso, l'universo avrebbe una curvatura
negativa.
La presenza di energia oscura provocherebbe addirittura una
espansione accelerata dell'universo. La fine di un universo in
continua espansione sarebbe data dalla morte termica o da
un Big Rip.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
35
TERZO MODELLO DI FRIEDMANN
La velocità di espansione dell'universo è appena sufficiente ad
evitare la contrazione dovuta all'attrazione gravitazionale, il che
equivale a dire che la densità reale dell'universo è pari
esattamente alla densità critica oltre la quale l'universo torna a
comprimersi.
Come nel secondo modello, la distanza tra le galassie parte da
zero ed aumenta all'infinito ma stavolta la velocità alla quale
l'allontanamento avviene tende a zero senza tuttavia
raggiungerlo mai.
In tali condizioni l'universo ha una forma piatta e la fine alla
quale può andare incontro è simile a quella vista nel secondo
modello solo che la morte termica si verifica all’infinito.
Si parla in tal caso di universo piatto: nello spazio a curvatura
nulla ha estensione infinita in ogni direzione, in tre dimensioni.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
36
IL PROBLEMA DELLA MATERIA
Basterebbe contare la materia visibile per fare i
calcoli e verificare se questa possa essere
abbastanza da far tornare indietro le galassie,
eppure non è così.
Dai calcoli risulta infatti che la materia visibile
costituisce soltanto una piccola percentuale di
quella esistente nell’universo, laddove materia
è inteso nel suo significato più ampio,
comprendendo l’energia.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
37
NECESSITA’ DELLA MATERIA OSCURA
I moti degli ammassi galattici e delle
stelle più periferiche delle galassie ci
insegnano che lo spazio è permeato
da una materia che non riusciamo a
vedere ma che si manifesta per effetto
gravitazionale, ad esempio tramite le
lenti gravitazionali. Si tratta della
MATERIA OSCURA.
Già ipotizzata da Zwicky nel 1933
durante lo studio degli ammassi
galattici, soltanto negli anni Settanta fu
presa in considerazione in modo serio.
Non è bello sostenere che il 21% della materia dell’universo ci sfugge, tuttavia
l’evidenza empirica ci dice che questa materia esiste davvero.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
38
1998 – ENERGIA OSCURA E COSTANTE
DI EINSTEIN Il 1998 un articolo di Saul Perlmutter del Berkeley Lab
spiega al mondo che l’universo è in accelerazione.
La costante cosmologica di Einstein, bocciata dallo
stesso Albert, fu ripristinata come elemento antigravitazionale per giustificare un qualcosa che spinge
l’universo ad espandersi in maniera accelerata. Questo
qualcosa è definito energia oscura e rappresenta ben il
75% dei costituenti dell’universo!
La teoria della nucleosintesi primordiale regola la formazione degli elementi
leggeri nell'universo primordiale, come l'elio, il deuterio ed il litio. La teoria della
struttura a grande scala dell'Universo regola la formazione della struttura
dell'universo, stelle, quasar, galassie e gruppi e ammassi di galassie. Entrambe
queste teorie suggeriscono che la densità dei barioni e della materia oscura fredda
nell'universo sia circa il 30% della densità critica per la chiusura dell'universo. Le
misurazioni della radiazione cosmica di fondo indicano che l'universo è molto
vicino ad una curvatura nulla. Quindi, sappiamo che alcune forme di energia
devono costituire il restante 70%.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
39
IL NOSTRO UNIVERSO
Da quel che risulta, quindi, il modello di Friedmann che si avvicina alla nostra
realtà è il terzo, che prevede una curvatura nulla o quasi.
Il nostro universo va quindi incontro ad una espansione senza fine che porterà le
galassie ad allontanarsi sempre di più l’una dalle altre. L’espansione inoltre è
anche accelerata dalla presenza di energia oscura.
BIG FREEZE O BIG RIP
La fine di un universo in continua
espansione è quella legata ad oggetti
sempre più distanti e ad una temperatura
sempre
più
in
calo,
quindi
un
raffreddamento generale che porterà alla
morte termica (BIG FREEZE) oppure, come
sostengono altri, allo spezzarsi di ogni
materia nelle sue particelle più elementari
(BIG RIP).
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
40
COSA RIUSCIRA’ A CAPIRE
L’ASTRONOMO
FUTURO?
• Con l’espansione accelerata, tra cento miliardi di anni la nostra Galassia sarà
fusa con M31 mentre tutte le altre si saranno allontanate e non saranno più
visibili;
• L’universo sarà formato per il 60% da elio, per il 20% da idrogeno e per il
resto da metalli;
• La Radiazione Cosmica di Fondo non sarà più a microonde ma nel radio e
non ci saranno motivi per andarla a cercare visto che non ci saranno galassie
visibili in allontanamento tali da far pensare ad un Big Bang.
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD
41
PROSSIMA SERATA 14
GIUGNO 2012
Teorie cosmologiche alternative
Teoria dell’universo stazionario – Teoria delle Superstringhe e MTheory
Universo a grande scala: universo frattale
Corso di Astronomia di Base - Serata 5 – MODELLO COSMOLOGICO
STANDARD