LA COSMOLOGIA CONTEMPORANEA

LE BASI DELLA COSMOLOGIA MODERNA

Abbiamo detto che la
“via scientifica” della Cosmologia è di fatto iniziata con Newton nel XVIII secolo. Da allora l’approccio comincia a diventare rigoroso e scientifico, e si cercano prove sperimentali o fisiche che accreditino le diverse teorie.

La cosiddetta
cosmologia contemporanea nasce fra il 1915 ed il 1929: nel 1915 Einstein pubblicò il primo articolo riguardo alla teoria della relatività generale, mentre nel 1929 Hubble scoprì la sua famosa legge, che implica che l'Universo è in espansione.

Lo Studio del Cosmo diventa vera e propria scienza osservativa solo a partire dal 1930.

Le basi della nuova cosmologia furono le scoperte fatte in
fisica nucleare e le solide Teorie di scienziati quali Friedmann, Einstein e Hubble.
L'ORIGINE DELL'UNIVERSO - LE TRE TEORIE PRINCIPALI

L'età dell'Universo è stata calcolata attraverso la Costante di Hubble, e risulta aggirarsi tra i 13 ed i 15 miliardi di anni, più verosimilmente 13,8 miliardi di anni.

Sono tre le Teorie principali che riguardano l’origine dell’Universo:

- L’Universo Stazionario
- Il modello del Big Bang
- Il modello Inflazionario.
LA "VECCHIA" TEORIA DELL'UNIVERSO STAZIONARIO

Questa teoria fu una delle prime. In forma scientifica fu enunciata nel 1948 da parte di Bondi, Gold e Hoyle.

La sua base filosofica è il cosiddetto principio cosmologico perfetto, che afferma che il nostro punto di osservazione dell'Universo non sarebbe per nulla particolare, non solo dal punto di vista della posizione, ma anche da quello temporale: non solo l'uomo, la Terra, il Sole o la Via Lattea non sono al centro dell'Universo, né in alcun'altra posizione privilegiata, ma su scala cosmologica anche l'epoca in cui viviamo non sarebbe significativamente differente da ogni altra. L'universo su grande scala sarebbe quindi eterno ed immutabile.

Questo principio può essere conciliato con la cosiddetta Legge di Hubble (i.e. l'osservazione del moto di recessione delle galassie, le quali si allontanano da noi ad una velocità proporzionale alla loro distanza) solo assumendo che si abbia una continua creazione di materia, in modo da mantenere costante la densità media. Siccome il tasso a cui la materia dovrebbe essere creata è molto basso (1 atomo di Idrogeno per metro cubo ogni miliardo di anni) la mancata osservazione di questo fenomeno non costituisce un vero problema per la teoria, anche se alcuni suoi seguaci hanno ipotizzato che i nuclei galattici attivi sarebbero i luoghi dove la materia sarebbe creata.

Per quanto il Big Bang fosse forse la teoria più accreditata, lo stato stazionario rimase una seria alternativa fino alla fine degli anni sessanta, quando furono ottenute osservazioni che dimostravano che le proprietà dell'universo su larga scala evolvono nel tempo: si osservò infatti che la densità "locale" di quasar e radiogalassie era sostanzialmente inferiore a quella che si poteva misurare ad alto redshift, ovvero a grandi distanze, cioè, dato che la velocità della luce è finita, nel lontano passato. Questa interpretazione fu contestata da alcuni sostenitori dello stato stazionario  che suggerirono che il redshift dei quasar non fosse di origine cosmologica, ma legato alle proprietà fisiche di questi oggetti.

La prova che ha portato ormai all'abbandono della teoria dello stato stazionario venne dalla scoperta della Radiazione cosmica di fondo nel 1964. Questa radiazione era stata predetta teoricamente come una naturale conseguenza di un Big Bang. Per quanto non fosse completamente in contraddizione con lo stato stazionario, quest'ultima osservazione convinse quasi tutti ad abbandonare questa teoria. Fra le eccezioni ci furono lo stesso Hoyle, Arp, Narlikar e Geoffrey Burbidge, ed alcuni di loro continuano a lavorare a varianti della teoria dello stato stazionario.

Fatte queste poche eccezioni, la controversia sullo stato stazionario ha oggi un interesse prevalentente storico: occasionalmente i modelli "stazionari" segnano qualche punto a loro favore, ad esempio la cosiddetta cosmologia dello stato quasi-stazionario spiega con naturalezza la recente e inattesa scoperta che l'espansione dell'universo starebbe accelerando, ma questi non sembrano essere paragonabili ai successi delle teorie "standard" del Big Bang.

Per questo motivo la teoria Big Bang viene ormai considerata un fatto acquisito da quasi tutti gli astronomi, ed il dibattito in campo cosmologico riguarda ormai solo quale delle sue numerosissime varianti sia la più corretta. In particolare, alcune di queste teorie (ad esempio i modelli inflazionari) vanno oltre il Big Bang stesso e cercano di spiegare quello che molti considerano il principale punto debole della teoria, ovvero la sua incapacità di spiegare che cosa abbia "causato" il Big Bang stesso, e di conseguenza la formazione del nostro universo.

Le teorie conseguenti dall'assunzione di un Universo Stazionario sono:
- lo spazio è aperto ed infinito
- in conseguenza all'espansione dell'universo, nuova materia deve essere creata dal nulla
- lo Spazio è tutto uguale.

Le contraddizioni più evidenti alla veridicità della presente teoria sono:
- contraddizione del principio fisico per cui nulla si crea e nulla si distrugge
- presenza della radiazione di fondo, che altrimenti non esisterebbe
- dall'osservazione si evidenzia inequivocabilmente che l’Universo non è uniforme
- non si riesce giustificare l’abbondanza sperimentale di deuterio, elio e litio.
LA TEORIA DEL BIG BANG

Il Big Bang è il modello cosmologico riguardante lo sviluppo e l'espansione dell'universo predominante nella comunità scientifica e che ha le maggiori conferme dal punto di vista delle prove e delle osservazioni. Con il termine Big Bang i cosmologi si riferiscono generalmente all'idea che l'universo iniziò ad espandersi a partire da una condizione iniziale estremamente calda e densa e che questo processo di espansione è durato per un intervallo di tempo finito e continua tuttora.

Le prime ipotesi di una teoria che prevedesse l'espansione del cosmo furono formulate da Georges Lemaître con quella che lui chiamò "ipotesi dell'atomo primitivo", che si basa sulle equazioni della relatività generale di Albert Einstein nella formulazione proposta da Alexander Fridmann e su ipotesi semplificatrici, come l'omogeneità e l'isotropia dello spazio, unitamente al principio cosmologico. Un ulteriore sviluppo a tale teoria fu dato quando Edwin Hubble scoprì che la distanza delle galassie più lontane è proporzionale al loro spostamento verso il rosso, come ipotizzato da Lemaître nel 1927, e tale osservazione fu usata come prova del fatto che le galassie e gli ammassi hanno una velocità apparente di allontanamento rispetto ad un determinato punto di osservazione: tanto più sono lontane, tanto più è elevata la loro velocità apparente. Se la distanza fra gli ammassi di galassie sta aumentando oggi, ciò suggerisce che tutti gli oggetti spaziali fossero più vicini in passato; andando a ritroso nel tempo, densità e temperatura tendono all'infinito, e si arriva pertanto a teorizzare un istante in cui tali valori sono così elevati che le attuali teorie fisiche non sono più applicabili. Infatti, per esempio, alcune grandezze fisiche assumono valore infinito nell'istante iniziale.

La costruzione di acceleratori di particelle ha permesso di verificare il comportamento della materia in condizioni estreme e ha permesso di trovare conferme alla teoria; tuttavia questi acceleratori non hanno la possibilità di esaminare a fondo il regime di energie più elevato. Senza alcun dato sperimentale relativo alle condizioni fisiche associate ai primissimi istanti dell'espansione, la teoria del Big Bang non è adeguata per descrivere tale condizione iniziale, tuttavia essa fornisce un'ottima descrizione dell'evoluzione dell'universo da un determinato periodo di tempo in poi.

L'abbondanza degli elementi leggeri come l'idrogeno e l'elio presenti nel cosmo è in buona corrispondenza con i valori previsti per la produzione di questo tipo di atomi in seguito al processo di nucleosintesi, avvenuto nei primi minuti successivi all'istante iniziale.

Dopo la scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde nel 1964 e soprattutto quando il suo spettro, cioè la quantità di radiazione emessa per ogni lunghezza d'onda, risultò corrispondere allo spettro di corpo nero, la maggior parte degli scienziati fu convinta che i dati sperimentali confermavano che un evento simile al Big Bang aveva veramente avuto luogo.

Le teorie conseguenti dall'assunzione del Big Bang sono:
- tutto nacque da un Uovo Cosmico contenente tutta la materia
- la cosiddetta esplosione iniziale interessò tutto l’Universo
- con l'esplosione iniziarono ad esistere lo Spazio ed il Tempo.

le principali prove a favore del presente modello sono:
- lo spostamento verso il rosso, ovvero la prova dell'allontanamento delle galassie fra loro
- la presenza della radiazione di fondo come "ricordo" dell'antica esplosione.

La teoria del Big Bang si porta comunque dietro delle pesanti contraddizioni:
- il problema dell’orizzonte e dell'omogeneità dell'universo
- il problema della curvatura nulla dell'universo
- il problema dell’origine delle Galassie
- il problema dei monopoli magnetici.

Più in particolare:

Il problema dell'orizzonte nasce dalla premessa che non esiste alcuna interazione capace di trasmettere informazione a velocità superiore a quella della luce. In un universo con un'età finita ciò comporta un limite, detto orizzonte di particella, sulla massima distanza tra due qualsiasi regioni di spazio che sono in rapporto causale tra loro. L'isotropia osservata nella radiazione cosmica di fondo mette di fatto in crisi il modello del Big Bang, dato che, se l'universo fosse stato dominato dalla radiazione o dalla materia per tutto l'arco di tempo che arriva fino all'istante dell'ultimo scattering, l'orizzonte di particella relativo a quell'istante dovrebbe corrispondere a solo due gradi nel cielo. Il Big Bang da solo non spiega quindi come sia possibile che l'intero universo presenti di principio la stessa temperatura.

Il problema della curvatura nulla dell'universo nasce da un puro dato osservativo, che ci ha confermato che la curvatura del nostro universo, detta Omega, è praticamente "nulla". Ma cosa sarebbe concretamente questa curvatura ? Un universo chiuso avrebbe una curvatura positiva, un universo aperto o iperbolico avrebbe una curvatura negativa, mentre un universo piatto presenterebbe una curvatura nulla. L'universo può avere una curvatura spaziale positiva, negativa o nulla in funzione della sua densità totale di energia. Avrà curvatura negativa se la sua densità è inferiore alla densità critica, positiva se è maggiore e nulla se la densità coincide con quella critica, nel qual caso lo spazio viene definito piatto. Il problema nasce dal fatto che la condizione di universo piatto dovrebbe essere estremamente instabile, e quindi estremamente improbabile, dato che ogni minima divergenza dalla densità critica aumenterebbe con il tempo e porterebbe inevitabilmente a cadere in una condizione di universo chiuso o aperto. L'osservazione ci rivela invece che il nostro universo permane a tutt'oggi in una condizione molto vicina a quella di essere perfettamente piatto, e tutto questo non trova realisticamente una spiegazione all'interno del puro modello del Big Bang.

Il problema dell'origine delle galassie nasce dal fatto che la teoria del Big Bang da sola non riesce a spiegare come possano essersi generate le galassie da un universo in espansione. Più in particolare i fautori della teoria indicano le presunte origini dell’universo come un modello di perfezione matematica, tutto perfettamente regolare, un vero e proprio Eden di simmetria le cui caratteristiche si conformano alla pura ragione, come dice Lerner. Ma l’universo di oggi è tutt’altro che perfettamente simmetrico: è irregolare, contraddittorio, "grumoso". Uno dei problemi è quindi stato quello di capire perché il Big Bang non abbia prodotto un universo omogeneo. Perché la materia e l’energia semplici dell’origine non si sono diffuse in modo uniforme nello spazio come un’immensa nube di polvere e gas ? Da dove provengono tutte queste stelle e galassie ? Come è potuto succedere che la pura simmetria dell’universo primitivo abbia dato origine a quello irregolare che vediamo davanti ai nostri occhi ?

L'obiezione riguardante il problema dei monopoli magnetici fu sollevata alla fine degli anni settanta. Le teorie della grande unificazione prevedevano un difetto topologico nello spazio, che si sarebbe manifestato sotto forma di monopoli magnetici. Questi oggetti, secondo il modello del Big Bang, avrebbero dovuto  essere prodotti in maniera efficiente ed in grande quantità nelle primissime fasi di vita dell'universo, quando le temperature erano estremamente elevate. Il problema nasce dal fatto che l'osservazione diretta non ci conferma in alcun modo l'esistenza dei monopoli magnetici.

Tutti i succitati limiti della teoria del Big Bang sono stati successivamente superati da un'evoluzione della presente teoria, nota con il nome di Teoria Inflazionaria dell'Universo.
Il problema dell’orizzonte si risolve in quanto, durante l'inflazione, l'universo subì un'espansione esponenziale e l'orizzonte delle particelle si espanse molto più rapidamente di quanto supposto in precedenza, perciò anche quelle regioni, che sono attualmente poste su lati opposti dell'universo osservabile, si sono originariamente trovate all'interno del reciproco orizzonte delle particelle. L'isotropia osservata nella radiazione di fondo deriva dal fatto che tutto l'universo osservabile era in rapporto causale prima dell'inizio dell'inflazione, e perciò si era già portato in una condizione di equilibrio termico.

Il problema della curvatura nulla si risolve anch'esso in quanto l'enorme espansione causata appunto dall’inflazione avrebbe gonfiato l’universo talmente tanto da farcelo ora apparire piatto. Pertanto, si ritiene che l'inflazione portò l'universo ad uno stato spaziale sostanzialmente piatto, con all'incirca l'esatta densità critica.

Il problema dell’origine delle Galassie sarebbe spiegato dal fatto che queste deriverebbero da una sorta di congelamento di alcune strutture quantistiche. Più in particolare il principio di indeterminazione di Heisenberg prevede che durante la fase inflazionaria ci fossero state delle fluttuazioni termiche quantistiche, che si sarebbero successivamente ingrandite su scala cosmica. Queste fluttuazioni sono i fondamenti di tutti gli attuali modelli sulla struttura dell'universo. L'inflazione prevede che le fluttuazioni primordiali siano all'incirca invarianti di scala e gaussiane; ciò è stato accuratamente confermato dalle misure della radiazione di fondo.

Il problema del numero di monopoli magnetici rimasto estremamente piccolo può essere in pratica spiegato dalla violenta espansione e conseguente “dispersione”, il che ci fa comprendere il motivo per cui di fatto non ne osserviamo.
Scienza e Cosmologia
Edwin Hubble
La geometria dell'universo è determinata dal parametro cosmologico Omega
LA TEORIA INFLAZIONARIA DELL'UNIVERSO

Per aggirare questo e altri problemi, il fisico statunitense Alan Guth ha esposto la sua teoria dell'Universo Inflazionario. Secondo questa teoria, la temperatura diminuì in modo talmente rapido che non ci fu tempo sufficiente per la separazione dei diversi campi o la formazione delle diverse particelle. La differenziazione avvenne solo più tardi, quando l’universo era molto più esteso.

Ecco, dunque, la versione più recente del Big Bang. Essa afferma che, quando si verificò il Big Bang, l’universo subì un’espansione esponenziale, nel corso della quale raddoppiò di grandezza ogni 10-35 secondi (di qui il termine "inflazione"). Mentre le versioni precedenti del modello standard immaginavano tutto l’universo compresso in un volume pari alle dimensioni di un pompelmo, Guth andò oltre: stimò che l’universo non fosse iniziato come un pompelmo, bensì miliardi di volte più piccolo del nucleo di un atomo di idrogeno. In seguito si sarebbe espanso ad una velocità incredibile - molte volte superiore a quella della luce - fino a raggiungere 1090 volte il volume originario, ovvero un 1 seguito da 90 zeri.

Questa nuova "visione" consente di fatto di superare le contraddizioni della precedente teoria tramite le seguenti spiegazioni.
Modello Inflazionario
Grafico riassuntivo dell’evoluzione dell’universo
Fred Hoyle
Hermann Bondi
Penzias e Wilson alla scoperta della radiazione cosmica di fondo
Georges Edouard Lemaître
La Nuova Cosmologia
Thomas Gold
La Teoria del Big Bang
I due punti indicati nel diagramma non sarebbero stati in grado di entrare in contatto poiché le loro sfere di causalità non si sovrappongono
Il problema dell'origine delle galassie
Il problema dei monopoli magnetici
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