Il Big Bang non è stato l’inizio dell’Universo

Un universo come il nostro, che oggi si espande e si raffredda, deve essere stato più caldo e denso nel passato. Inizialmente, il Big Bang era considerato la singolarità da cui emergeva questo stato supremo, caldo e denso. Ma noi oggi abbiamo capito qualcosa di più.

L’Universo non è cominciato con un sussurro, ma con un botto! O almeno, questo è ciò che ci viene raccontato di solito: l’Universo, e tutto ciò che contiene, hanno cominciato a esistere al momento del Big Bang. Lo spazio, il tempo e tutta la materia e l’energia all’interno iniziarono da un singolo punto, per poi espandersi e raffreddarsi, dando origine nel corso di miliardi di anni ad atomi, stelle, galassie e ammassi di galassie, sparsi lungo i miliardi di anni luce che compongono l’Universo osservabile. È un’immagine bella e convincente, che spiega molto di ciò che vediamo, dalla presente struttura su vasta scala dei duemila miliardi di galassie dell’Universo alla radiazione residua che permea tutto l’esistente. Purtroppo è anche sbagliata e gli scienziati lo sanno da quasi 40 anni.

Vesto Slipher notò per primo che, maggiore è la distanza media di una galassia, più velocemente la si osserva allontanarsi da noi. Per anni questo fenomeno non ha trovato spiegazione, finché le osservazioni dell’Hubble ci hanno permesso di risolvere l’enigma: l’Universo si sta espandendo.

L’idea del Big Bang fu elaborata inizialmente negli anni ‘20 e ‘30. Guardando alle galassie distanti abbiamo scoperto qualcosa di insolito: più lontano si trovano da noi, più velocemente sembrano allontanarsi. Secondo le previsioni della Relatività Generale di Einstein, un Universo statico sarebbe instabile dal punto di vista gravitazionale: se il tessuto dello spazio-tempo obbedisse a queste leggi, tutto dovrebbe allontanarsi reciprocamente oppure collassare. L’osservazione di questa apparente recessione ci ha insegnato che l’Universo è tuttora in espansione e che, se le cose si allontanano con il passar del tempo, significa che nel passato remoto erano più vicine.

NASA / STScI / A. Felid
Guardando sempre più lontano si guarda anche sempre più verso un passato in cui l’Universo era più caldo e più denso, oltre che meno evoluto.

Un Universo in espansione non significa solo che le cose si allontanano con il passar del tempo, ma anche che la luce esistente nell’Universo aumenta di lunghezza d’onda se ci spostiamo in avanti nel tempo. Dato che la lunghezza d’onda determina l’energia  (un’onda più corta implica più energia), ciò significa che l’Universo si raffredda nel tempo e che pertanto le cose erano più calde in passato. Retrocedendo a sufficienza si giunge a un momento in cui tutto era così caldo che non potevano formarsi neanche gli atomi neutri. Se questa ricostruzione è corretta, dovremmo vedere un barlume residuo di radiazione, in tutte le direzioni, che si è raffreddato a solo qualche grado sopra lo zero assoluto. La scoperta della Radiazione Cosmica di Fondo nel 1964 da parte di Arno Penzias e Bob Wilson è stata la straordinaria conferma del Big Bang.

NASA / WMAP Science Team.  Secondo le osservazioni originali di Penzias e Wilson, il piano galattico presenta delle fonti astrofisiche di radiazione al centro. Tutto ciò che resta sopra e sotto è uno sfondo uniforme e pressoché perfetto di radiazione.

È forte la tentazione, quindi, di continuare a retrocedere nel tempo, a quando l’Universo era ancora più caldo, più denso e più compatto. Continuando ad andare indietro, si troverà:

• un momento in cui le temperature erano troppo elevate perché si formassero i nuclei atomici: la radiazione era così calda da spezzare qualsiasi legame protone-neutrone;

• un momento in cui potevano formarsi spontaneamente coppie di materia e antimateria: l’Universo era così energetico da far creare spontaneamente coppie di particelle e antiparticelle;

• un momento in cui i singoli protoni e neutroni si frammentavano in un plasma di quark e gluoni: temperature e densità erano così elevate che l’Universo era più denso dell’interno di un nucleo atomico;

• e infine, un momento in cui densità e temperatura salivano a valori infiniti, dato che tutta la materia e l’energia dell’Universo erano contenuti in un singolo punto: una singolarità.

  Questo punto finale assoluto – la singolarità che rappresenta il collasso delle leggi della fisica – viene considerato inoltre l’origine dello spazio e del tempo. Era questa l’idea centrale del Big Bang.

NASA / CXC / M.Weiss  Se compiamo l’intero cammino a ritroso, giungiamo a degli stati sempre più precoci, più caldi e più densi. Questo culmina in una singolarità, dove le leggi della fisica collassano?

Ovviamente, tutto è stato confermato come vero tranne l’ultimo punto! In laboratorio abbiamo creato dei plasma di quark e gluoni; abbiamo creato coppie di materia-antimateria; abbiamo calcolato quali e quanti elementi leggeri dovrebbero formarsi nelle prime fasi dell’Universo, abbiamo effettuato le misurazioni e riscontrato che coincidono con le previsioni del Big Bang. Muovendoci in avanti, abbiamo misurato le fluttuazioni nella Radiazione Cosmica di Fondo, vedendo in che modo si formano e crescono le strutture dei legami gravitazionali, come stelle e galassie. Ovunque guardiamo troviamo un’eccezionale coincidenza tra teoria e osservazioni. La teoria del Big Bang sembrava vincente.

Chris Blake e Sam Moorfield . Le fluttuazioni di densità nella radiazione cosmica di fondo forniscono i semi per la formazione delle moderne strutture cosmiche, fra cui stelle, galassie, ammassi di galassie, filamenti e vuoti cosmici su vasta scala.

 Tranne, però, che in alcuni aspetti. Tre cose specifiche che ci si aspetterebbe dal Big Bang non sono successe. Vediamole nel dettaglio.

1. L’Universo non presenta diverse temperature in differenti direzioni, anche se un’area vasta miliardi di anni luce verso un’unica direzione non avrebbe mai avuto tempo (a partire dal Big Bang) di interagire o scambiare informazioni con un’area estesa per miliardi di anni luce nella direzione opposta

2. L’Universo non possiede una curvatura spaziale misurabile che sia diversa da zero, anche se un Universo perfettamente piatto spazialmente richiede un equilibrio perfetto tra l’iniziale espansione e la densità di materia e radiazione.

3. L’Universo non presenta alcun residuo dell’esistenza di energia ultra-elevata risalente ai primi tempi della sua esistenza, anche se le temperature create da tali residui avrebbero dovuto manifestarsi in un Universo  arbitrariamente caldo. 

Considerando questi problemi, i teorici hanno cominciato a pensare alle alternative a una singolarità per il Big Bang e a cosa potrebbe ricreare quello stato caldo, denso, in espansione e raffreddamento, evitando tali problemi. Nel dicembre del 1979, Alan Guth trovò una soluzione.

Ethan Siegel / Oltre la galassia In un Universo in inflazione, c’è energia inerente allo spazio stesso, che causa un’espansione esponenziale. C’è sempre una probabilità diversa da zero che l’inflazione termini (indicata da una “X” rossa) in qualsiasi momento, dando luogo a uno stato caldo e denso in cui l’Universo è pieno di materia e radiazione. Ma nelle regioni dove non termina, lo spazio continua a espandersi.

Invece di uno stato arbitrariamente caldo e denso, l’Universo potrebbe avere avuto inizio da uno stato in cui non erano presenti affatto materia, radiazione, antimateria, neutrini e particelle. Tutta l’energia presente nell’Universo sarebbe invece racchiusa nel tessuto dello spazio stesso: una forma di energia del vuoto, che fa espandere l’Universo a una velocità esponenziale. In questo stato cosmico le fluttuazioni quantiche esistono comunque quindi, con l’espandersi dello spazio si sarebbero espanse in tutto l’Universo, creando regioni con densità energetiche leggermente superiori o leggermente inferiori alla media. E infine, quando questa fase dell’Universo – il periodo dell’inflazione – giunse al termine, tale energia sarebbe stata convertita in materia e radiazione, creando quello stato caldo e denso sinonimo del Big Bang.

Ethan Siegel, con immagini di ESA/Planck e del gruppo interagenzia DoE/NASA/NSF di ricerca sulla radiazione cosmica di fondoLe fluttuazioni quantiche inerenti allo spazio, espanse in tutto l’Universo durante l’inflazione cosmica, diedero luogo alle fluttuazioni di densità impresse nella radiazione cosmica di fondo, che a sua volta fece nascere stelle, galassie e le altre strutture di vasta scala dell’Universo odierno.

Quest’idea fu ritenuta attraente ma fantasiosa. C’era comunque un modo per metterla alla prova. Si trattava di misurare le fluttuazioni nel bagliore residuo del Big Bang e di vedere se esibivano un andamento coerente con le previsioni dell’inflazione. Inoltre tali fluttuazioni avrebbero dovuto essere abbastanza piccole perché l’Universo non potesse mai raggiungere le temperature necessarie per creare residui ad alta energia e molto più piccole delle temperature e densità in cui lo spazio e il tempo emergerebbero da una singolarità. Dagli anni ‘90 a oggi abbiamo misurato tali fluttuazioni riscontrando proprio quanto previsto.

Gruppo scientifico NASA / WMAP Le fluttuazioni nella radiazione cosmica di fondo misurate dal COBE (su grandi scale), dal WMAP (su scale intermedie) e dal Planck (su piccole scale), sono tutte coerenti, non solo con il fatto di derivare da una serie di fluttuazioni quantiche a invarianza di scala, ma anche con il fatto di non essere derivate da uno stato arbitrariamente denso e caldo.

 La conclusione è ineludibile: il Big Bang è accaduto di sicuro, ma non lo si può far risalire fino a uno stato arbitrariamente caldo e denso. Invece, il primissimo Universo attraversò un periodo in cui tutta l’energia che sarebbe finita nella materia e nella radiazione presenti oggi era racchiusa nel tessuto dello spazio stesso. Tale periodo, detto Inflazione Cosmica, giunse a una fine e diede luogo al Big Bang, ma non creò mai uno stato arbitrariamente caldo e denso, né creò una singolarità. Quello che successe prima dell’Inflazione – o se l’Inflazione fosse eterna nel passato – è ancora un punto di domanda, ma una cosa è certa: il Big Bang non è stato l’inizio dell’Universo!

Un articolo di Ethan Siegel pubblicato da Forbes il 21 settembre 2017

Traduzione di FAUSTO MESCOLINI

Editing di ROBERTO FLAIBANI