STORIA DELL’UNIVERSO
di Luciano Porta
L’universo o cosmo è formato da centinaia di miliardi di galassie (cioè raggruppamenti di stelle). Ogni
galassia è solitamente formata da 100-200 miliardi di stelle. La Via Lattea è la galassia (formata da 200
miliardi di stelle) di cui fa parte il Sole, stella di modesta massa. La Via Lattea sembra un disco piatto il cui
diametro è di circa 100000 anni luce e il cui spessore è di circa 40000 anni luce. Il Sole ha una distanza di
circa 30000 anni luce dall’asse di rotazione della Via Lattea. Ricordiamo che l’anno luce è la distanza che la
luce percorre in un anno alla velocità di 300000 Km/s. La Terra è il 3° dei pianeti del sistema solare per
distanza dal Sole.
Per maggiore completezza descriviamo brevemente la nascita, la vita e la morte delle
stelle. Una stella nasce dal collasso gravitazionale di una nebulosa di gas e polveri e dal conseguente
innescarsi della reazione di fusione nucleare. Durante la sua vita la forza di espansione (dovuta alla fusione
nucleare) e quella di contrazione (la forza di gravitazione) si bilanciano. Quando vengono a scarseggiare gli
elementi leggeri (H, He,...) adatti per la fusione prevale la forza di gravitazione con conseguente morte della
stella. La durata della vita è maggiore nelle stelle con massa minore. Il tipo di morte dipende dalla massa
della stella.
- Stelle con massa simile al Sole, al termine della vita, diventano prima giganti rosse, poi nane bianche
(corpi celesti luminosi grandi come la Terra, ma con massa simile al Sole).
- Stelle con massa uguale ad alcune volte quella solare, al termine, diventano prima supergiganti rosse, poi
stelle di neutroni (la gravità è così forte da far degenerare gli atomi facendo combinare elettroni e protoni con
produzione di neutroni; il diametro finale di queste stelle è di una decina di Km pur avendo una massa
superiore a quella solare). Ruotando velocemente emettono impulsi radio molto regolari (si dicono pulsar)
come dei radiofari.
- Stelle con massa uguale a molte volte quella solare terminano la loro vita in modo drammatico (il
fenomeno è detto supernova). Dopo essere diventate supergiganti rosse, mentre la loro atmosfera ricca di gas
e polveri è scagliata nello spazio (da essa nasceranno nuove stelle), il nucleo collassa improvvisamente
dando origine a un buco nero da cui nulla, nemmeno la luce, può uscire e in cui “cade” tutta la materia che si
trova nelle vicinanze. Il fenomeno delle supernove permette la nascita di nuove generazioni stellari.
ORIGINE DELL’UNIVERSO: BIG BANG
Osserviamo al rallentatore l’esplosione di una bomba: i frammenti si allontanano sempre di più. Se
proiettiamo il filmato all’inverso vedremo che i frammenti si riavvicinano per formare nuovamente la
bomba. Attualmente le galassie si stanno allontanando le une dalle altre poiché l’universo è in espansione (in
seguito esamineremo 2 prove di ciò: il RED SHIF e la RADIAZIONE COSMICA. FOSSILE DI FONDO).
Se potessimo proiettare all’inverso il filmato dell’evoluzione dell’universo, vedremmo tutta la materia
concentrarsi in un punto circa 13,7 miliardi di anni fa quando avvenne i1 BIG BANG (la grande esplosione)
che diede origine all’universo. Non dobbiamo però pensare a un’esplosione avvenuta in uno spazio
preesistente (come quella di una bomba). Dal BIG BANG si originarono materia, spazio e tempo che nella
moderna fisica sono strettamente collegati (Newton riteneva invece che spazio e tempo esistessero
indipendentemente dalla materia). L’espansione di quel punto iniziale generò lo spazio. Si formarono
particelle atomiche che per la grande energia non potevano ancora legarsi per formare atomi. Poi le particelle
atomiche si unirono in atomi leggeri come idrogeno (H) e elio (He) quando l’espansione raffreddò
l’universo. Ancora adesso H (70 %) e He (27 %) sono gli elementi più diffusi nell’universo. Probabilmente
le stelle di prima generazione si formarono prima delle galassie quando una sufficiente quantità di idrogeno
si condensò a causa della forza di gravitazione e si innescò la fusione nucleare. Infine le stelle si
raggrupparono gravitazionalmente per formare le primitive galassie. Le galassie si stanno ancora
allontanando tra di loro per l’espansione dell’universo originatasi dal BIG BANG. Non si stanno però
allontanando da un punto fisso, ma le une dalle altre. Per capire ciò possiamo ricorrere a un rozzo modello a
2 dimensioni (mentre lo spazio-tempo dell’universo ha almeno 4 dimensioni). Disegniamo su di una tela
elastica delle galassie e tendiamola: le “galassie” si allontaneranno le une dalle altre perchè si è espanso il
tessuto su cui sono disegnate. Lo spazio si è espanso e le galassie si allontanano le une dalle altre.
DUE PROVE DEL BIG BANG: a) RED SHIFT b) RADIAZIONE COSMICA FOSSILE DI FONDO
a) RED SHIFT (spostamento verso il rosso, scoperto dall‘americano Hubble nel 1929):
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Se in laboratorio scaldiamo un elemento (es. Na, K, Ca ...) sulla fiamma di un gas e applichiamo un prisma
di Newton osserviamo, tra i colori dello spettro della luce, delle righe in posizione fissa tra i diversi colori:
ogni linea corrisponde all’elemento presente. Viceversa se non conosciamo l’elemento presente possiamo
scoprirlo dalle righe caratteristiche tra i colori dello spettro. In questo modo possiamo applicando un prisma
di Newton a un telescopio determinare la composizione dell‘atmosfera di una stella riconoscendo le righe
caratteristiche di ogni elemento presente. Se esaminiamo stelle della nostra galassia le righe sono solitamente
nella stessa posizione osservabile in laboratorio: se invece osserviamo altre galassie le righe degli elementi
presenti sono tutte spostate verso il colore rosso dello spettro (RED SHIFT). Possiamo spiegare ciò
ricordando che ad ogni colore corrisponde un’onda elettromagnetica di diversa lunghezza: più lunga per il
rosso, più corta per il blu e intermedia per gli altri colori. L’espansione dell’universo originata dal BIG
BANG ha “teso” le onde elettromagnetiche che si sono allungate diventando “più rosse” e le righe degli
elementi presenti nelle galassie sono state spostate verso il rosso. Per analogia consideriamo l’effetto
Doppler: una sirena montata su un veicolo emette un suono più acuto (frequenza maggiore e lunghezza
d’onda minore) se il veicolo si avvicina a noi e un suono più grave (frequenza minore e lunghezza d’onda
maggiore) se il veicolo si allontana da noi.
b) RADIAZIONE COSMICA FOSSILE DI FONDO
Nel 1965 due ingegneri americani Penzias e Wilson esperti in radiocomunicazioni, futuri premi Nobel,
provando un’antenna per microonde notarono che in qualunque direzione fosse orientata si manifestava un
fastidioso rumore di fondo molto uniforme. I fisici ebbero così la prova di ciò che avevano già previsto
teoricamente: la RADIAZIONE COSMICA DI FONDO (detta FOSSILE) che è il messaggio che arriva
ancora a noi delle fasi immediatamente successive al BIG BANG. All’origine era un’onda elettromagnetica
molto corta (quasi come quella luminosa), ma l’espansione dell’universo l’ha “allungata” (come una molla
tirata alle estremità) diventando una radioonda percepibile come un fastidioso rumore di fondo da un
radioricevitore.
IPOTESI SULLA FINE: a) UNIVERSO APERTO b) UNIVERSO CHIUSO (o OSCILLANTE)
Attualmente l’universo è in espansione e pertanto le galassie si stanno allontanando le une dalle altre.
Continuerà ad espandersi per sempre o no? Vi sono due forze contrastanti che agiscono sull’universo: una
tende a farlo espandere e si è originata dal BIG BANG e una tende a farlo contrarre (la forza di gravitazione
che dipende dalla massa dell‘universo). Se prevale la forza di espansione avremo un UNIVERSO APERTO;
se è maggiore la forza di gravitazione avremo un UNIVERSO CHIUSO (o OSCILLANTE). Se prevale la
forza di gravitazione le galassie che attualmente si stanno allontanando le une dalle altre si riavvicineranno in
un punto (questo fenomeno è detto BIG CRUNCH o GRANDE IMPLOSIONE). avverrà poi un nuovo BIG
BANG e così via ..., come un pattinatore legato a una fune elastica prima sullo slancio si allontana, poi però
viene tirato verso il punto di partenza. Il verificarsi dell’ipotesi dell ‘universo APERTO o CHIUSO dipende
dal la massa dell’universo. La materia osservabile con telescopi o radiotelescopi (stelle, polveri, ...) sembra
relativamente scarsa e quindi insufficiente a chiudere l’universo con la forza di gravitazione. Sembrerebbe
così vera l’ipotesi dell’universo aperto in perenne espansione. Tuttavia gli astronomi hanno fatto
un’importante scoperta: le galassie, gli ammassi di galassie ... ruotano intorno al loro asse più velocemente di
quanto calcolato tenendo presente la materia attualmente osservabile. Perché una galassia ruota intorno al
suo asse? La rotazione genera una forza centrifuga diretta verso l’esterno che impedisce alla forza di
gravitazione di far avvicinare le stelle con conseguente collassamento della galassia. Più è grande la massa
della galassia, più ruota velocemente per non collassare. Pensiamo ad una giostra rotante: se la velocità di
rotazione è insufficiente, i seggiolini non si allontanano verso l’esterno. Qual è il significato dell’eccessiva
velocità di rotazione in rapporto alla scarsa materia osservata? Deve esistere una massa di cosiddetta
MATERIA OSCURA (cioè solitamente non osservabile) molto maggiore di quella della MATERIA
OSSERVABILE. Secondo alcuni la materia oscura è contenuta in buchi neri, in stelle nascoste alla
osservazione, in nubi di polveri ... Secondo però opinioni più autorevoli si tratta di materia non
convenzionale (la materia convenzionale è formata da atomi).
Potrebbe quindi essere vera l’ipotesi dell‘universo chiuso (o oscillante) che espandendosi e contraendosi
ritmicamente non avrebbe mai una fine.
Ma se l’universo non avrà una fine, avrà mai avuto un inizio?
“da cose a caso sparse l’armonia bellissima del cosmo “ Eraclito 550 - 480 a.C.
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