La domanda su come l'Universo sia nato e come finirà ha tormentato l'umanità per millenni. Gli antichi Greci e molte altre civiltà credevano che il nostro Universo fosse eterno. Aristotele fu uno dei primi a pensare diversamente, suggerendo che l'Universo fosse contenuto in quella che chiamava una "sfera celeste". Con sorpresa di tutti, intorno al 1930 fu scoperto che l'Universo non è infinitamente vecchio ma ha un'età finita. L'astronomo Edwin Hubble fece la straordinaria osservazione che tutte le galassie si allontanano l'una dall'altra. Bisogna quindi supporre che fossero più vicine 1000 anni fa di quanto non siano oggi, ancora più vicine 1 milione di anni fa e così via. Infine, in qualche momento del passato, circa 13,7 miliardi di anni fa, tutta la materia dell'Universo deve essere stata compressa a una densità e una temperatura enormemente elevate.

Il Big Bang. Fonte dell'immagine: Counterbalance Foundation

Poiché l'espansione da questo stato iniziale procede come un'esplosione gigantesca, questa teoria divenne presto nota come il Big Bang. Originariamente, il nome "Big Bang" fu usato in modo ironico e coniato dagli oppositori della teoria, perché negli anni '30 sembrava inconcepibile a molte persone che l'Universo non fosse infinitamente vecchio. Il nome Big Bang è tuttavia usato da allora perché ha colpito l'immaginazione di scienziati e profani allo stesso modo.

Al momento, la teoria del Big Bang è la teoria più accettata sull'origine dell'Universo — ma è tutt'altro che completa. La teoria del Big Bang spiega come l'Universo potrebbe essersi evoluto dopo la sua creazione, ma ci sono molte altre domande cosmologiche. Come è avvenuto il Big Bang? E se il nostro Universo si sta espandendo, in cosa si sta espandendo? Alcune di queste domande sono nuove ed entusiasmanti sfide per gli astronomi, mentre altre sono semplicemente sconcertanti. Ad esempio, sappiamo cosa è successo all'Universo da una frazione di secondo dopo il Big Bang, ma non riusciamo a spiegare completamente la prima frazione di secondo, in cui lo spazio e il tempo furono creati. Quindi, se chiedete cosa c'era prima del Big Bang? Beh, nulla, perché lo spazio e il tempo non esistevano fino al Big Bang, quindi non c'è nessun prima del Big Bang e non c'era nessun luogo in cui qualcosa potesse trovarsi.

La teoria del Big Bang afferma che tutta la materia esisteva fin dall'inizio, ma si trovava tutta in un unico luogo. Prima del Big Bang non c'era né tempo né spazio. Hubble scoprì che le galassie si allontanavano l'una dall'altra, il che portò all'idea dello spazio in espansione. Ciò significa che non è il moto delle galassie stesse a spingerle l'una lontano dall'altra. È lo spazio stesso che allontana le galassie.

Nella Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, egli spiega come ogni oggetto nello spazio sia immerso nello spazio stesso, e che è lo spazio stesso a espandersi, aumentando la distanza tra gli oggetti. Tutti i punti di materia e spazio si trovavano in un unico punto prima del Big Bang, il che significa che il Big Bang è avvenuto ovunque.

Può essere più facile pensare a un palloncino di gomma. Il palloncino rappresenta lo spazio (in questo caso bidimensionale). Sul palloncino si posizionano centinaia di segni che rappresentano le galassie. Gonfiando il palloncino, i segni sembrano allontanarsi l'uno dall'altro, ma in realtà la superficie del palloncino tra ogni segno si è allungata e ha allontanato tutte le "galassie".

Edwin Hubble si rese conto che tutte le galassie si allontanavano l'una dall'altra osservando la luce di sorgenti estremamente distanti. Scoprì che questa luce si era spostata verso l'estremità rossa dello spettro visibile. Questo si spiega con l'Effetto Doppler, che afferma che la luce emessa da una sorgente che si allontana dall'osservatore viene osservata a una frequenza inferiore.

Una frequenza inferiore significa che la luce osservata appare più rossastra rispetto alla luce emessa dalla sorgente, e questo effetto è chiamato spostamento verso il rosso.

Illustrazione dell'Effetto Doppler. Fonte dell'immagine: epicphysics.com

L'Effetto Doppler si applica a tutti i tipi di onde, ma è più facile da spiegare usando il suono. Immaginate una moto che si avvicina a un osservatore B. Il suo motore emette onde sonore (rumore) in tutte le direzioni, ma, mentre la moto si muove in avanti, raggiunge le onde sonore rilasciate in precedenza, il che significa che il divario tra ogni fronte d'onda successivo diventa più piccolo. Ciò aumenta la frequenza delle onde sonore, il che significa che B sente un rumore più acuto. Dietro la moto, l'effetto è inverso, con la distanza tra i fronti d'onda che aumenta man mano che la moto si allontana dall'osservatore A, che sente un rumore più basso.

La luce subirà un effetto simile. Per gli oggetti emittenti luce che si avvicinano all'osservatore, le onde saranno compresse, il che significa una frequenza più alta e lunghezze d'onda più corte che appaiono bluastre. Per le galassie che si allontanano da noi, la luce sarà spostata a frequenze inferiori (lunghezze d'onda maggiori) e apparirà più rossastra.

Questa immagine mostra che la luce delle galassie lontane è rossa invece che gialla perché si stanno allontanando da noi. Fonte: ESA/NASA

Le teorie su come fosse l'Universo nelle sue primissime fasi sono altamente speculative, poiché è molto difficile conoscere nei dettagli cose accadute 13,7 miliardi di anni fa.

Sappiamo che all'inizio dell'Universo la temperatura era così alta che tutta la materia era dissolta in particelle elementari come quark, elettroni e fotoni. Non c'erano nuclei atomici, atomi, corpi solidi, pianeti o stelle. In quel momento solo le particelle elementari potevano esistere.

Circa un millisecondo dopo il Big Bang, le temperature si erano abbassate abbastanza da permettere la formazione di protoni e neutroni attraverso l'unione di tre quark elementari.

Esistono sei diversi tipi di quark. Due di essi costituiscono quasi tutta la materia: il quark up e il quark down. Tre quark possono unirsi per formare un protone (2 up + 1 down) o un neutrone (1 up + 2 down).

Nel 1965 due scienziati americani, Penzias e Wilson, costruirono una nuova antenna radio di sensibilità senza precedenti per misurare i segnali satellitari. Scoprirono accidentalmente una misteriosa radiazione a microonde proveniente dallo spazio profondo, ma non avevano idea della sua origine. Si scoprì in seguito che questa radiazione fu creata nel Big Bang. È chiamata radiazione cosmica di fondo a microonde e innalza la temperatura dello spazio da zero a 2,7 K. La radiazione è quasi perfettamente uniforme in tutte le direzioni.

Potete persino osservare voi stessi la radiazione di fondo! Chiunque abbia visto un televisore analogico prima che fosse correttamente sintonizzato sa che mostrerà "interferenze" sullo schermo. Circa il 10% dello sfarfallio che si vede è dovuto alla radiazione di fondo. Naturalmente, questo non accade nel caso dei televisori digitali.

Da dove viene?

Dopo la creazione dei primi nuclei atomici di idrogeno, elio e tracce di litio, questi elementi leggeri rimasero immersi in un mare di elettroni che si era originato in momenti ancora più antichi della storia dell'Universo. Ogni elettrone porta una carica elettrica negativa, mentre ogni protone è carico positivamente. Questi protoni ed elettroni si attraggono a vicenda a causa delle loro cariche opposte, e così gli elettroni cercano di formare nuvole attorno ai protoni.

Tuttavia, l'alta temperatura dissolse immediatamente le nuvole e inviò protoni ed elettroni su percorsi casuali. Ci vollero 300.000 anni perché l'Universo si espandesse e si raffreddasse abbastanza da raggiungere una temperatura alla quale una nuvola di elettroni rimanesse stabile. I nuclei con gli elettroni che li accompagnano sono ciò che conosciamo oggi come atomi.

I percorsi dei fotoni (particelle di luce) possono essere modificati dalle collisioni con cariche elettriche, ma non interagiscono con gli atomi neutri. Pertanto, i fotoni originali del Big Bang continuarono indisturbati sui loro percorsi una volta che tutti gli elettroni furono incorporati negli atomi, e vediamo questi fotoni oggi come la radiazione cosmica di fondo. Quindi, questa radiazione fornisce un'istantanea dell'Universo alla sua età "infantile" di 300.000 anni.

La figura mostra un'immagine dettagliata dell'intera volta celeste del giovane Universo, creata da nove anni di dati WMAP. I diversi colori in questa immagine mostrano che l'Universo 300.000 anni dopo il Big Bang non era uguale ovunque. Le differenze di colore indicano fluttuazioni di temperatura che corrispondono ai semi che sono cresciuti fino a diventare le galassie. Fonte: NASA/WMAP

Ci sono prove a sostegno della Teoria del Big Bang? Infatti, questa teoria è supportata dalle seguenti osservazioni:

1. L'espansione dell'Universo, in cui le galassie si allontanano l'una dall'altra. Ciò significa che tutta la materia dell'Universo deve essere stata compressa a una temperatura e una densità enormemente grandi al momento del Big Bang.
2. L'abbondanza di nuclei leggeri ²H, ³He, ⁴He e ⁷Li può essere spiegata solo assumendo che siano stati creati nei primi minuti dopo il Big Bang.
3. L'osservazione della radiazione cosmica di fondo proveniente dallo spazio profondo. L'origine di questa radiazione può essere spiegata assumendo che si sia originata poco dopo il Big Bang.

Per circa un miliardo di anni dopo il Big Bang, l'Universo era composto solo da idrogeno ed elio in forma gassosa. Non c'erano stelle né pianeti. Alla fine, alcune nubi di gas cominciarono a collassare su se stesse formando protostelle che alla fine divennero abbastanza calde da accendersi, creando le primissime stelle. Da stelle si formarono poi galassie e pianeti. Tuttavia, il nostro Sole non si formò fino a quando generazioni di stelle non erano apparse e scomparse, 8-9 miliardi di anni dopo il Big Bang.

Un singolo granello di polvere dall'inizio del Sistema Solare. Fonte: NASA

La polvere e il gas circostanti si fusero lentamente sotto l'effetto della gravità, poiché i pezzi più grandi attirarono quelli più piccoli. Man mano che crescevano, il loro peso li rese infine sferici e divennero pianeti.

Siamo fortunati che il nostro Sistema Solare si sia formato piuttosto tardi. Il nostro pianeta è fatto di roccia che non esisteva nei tempi precedenti dell'Universo. Questi elementi pesanti dovevano essere prodotti da altre stelle e poi espulsi nello spazio alla morte delle stelle. Questa materia si è poi raccolta attorno al nostro Sole e ha formato non solo la Terra, ma anche Mercurio, Venere e Marte.

Il Sistema Solare, composto dal Sole e dai pianeti, si è formato da una nube di gas e polvere che assomigliava a qualcosa del genere. Fonte: NASA

Anche se si può misurare quanto velocemente le galassie si allontanano l'una dall'altra, non è facile prevedere cosa accadrà nel futuro dell'Universo. L'espansione dell'Universo è alimentata principalmente dal Big Bang, ma la materia nell'Universo può gravitazionalmente attrarre tutto verso il centro.

Ci sono diverse possibilità e tutto dipende dalla densità dell'Universo:

1. Se la densità dell'Universo è bassa, allora l'attrazione gravitazionale della materia nell'Universo non riuscirà a vincere l'espansione, quindi l'Universo continuerà ad espandersi per sempre. Minore è la densità, più velocemente può espandersi. Questo è noto come il modello dell'Universo Aperto.
2. Se la densità dell'Universo è alta, allora l'Universo si espanderà per un po' ma rallenterà fino a raggiungere una dimensione massima. Poi la gravità attirerà tutto indietro fino a quando l'Universo collasserà di nuovo nella singolarità da cui è partito — il cosiddetto Grande Collasso. Questo si chiama Universo Chiuso, poiché ha una dimensione finita e può portare a un altro Big Bang che produce un nuovo Universo.
3. Se la densità è esattamente al confine tra i due modelli — quella che chiamiamo densità critica — l'Universo continuerà comunque a espandersi, ma la velocità di espansione rallenterà.

La figura illustra i tre modelli di espansione dell'Universo. Le osservazioni attuali sembrano supportare il modello dell'Universo Aperto.

La Terra ha circa 4.600 milioni di anni. All'inizio, la Terra era così calda che tutto era fuso. Dopo 500 milioni di anni la Terra si era raffreddata abbastanza da permettere la formazione degli oceani e il pianeta divenne abitabile. Poi comparvero le prime forme di vita primitive negli oceani. Ci volle poi un tempo enormemente lungo (circa 4.000 milioni di anni) affinché la vita si sviluppasse dalle prime forme di vita primitive alle piante, poi agli animali e infine agli esseri umani.

Gli esseri umani vivono sulla Terra solo negli ultimi 4 milioni di anni. E solo da meno di 100 anni l'umanità ha capito come è strutturato l'Universo e come è venuto all'esistenza nel Big Bang.

Le condizioni sulla Terra erano esattamente giuste per la vita. La temperatura è esattamente giusta per l'acqua liquida, abbastanza vicina al Sole da usarne l'energia, c'è ossigeno per respirare e una Luna per stabilizzare il nostro clima.

Questa illustrazione rappresenta i fenomeni naturali che hanno creato la vita come la conosciamo sulla Terra. Fonte: California Space Institute

Molti scienziati pensano che ci sia vita al di fuori della Terra. Con miliardi di altri sistemi stellari, sembra assurdo credere che la Terra sia l'unico pianeta capace di ospitare la vita. Nel nostro sistema solare i luoghi più probabili dove potrebbe esistere vita primitiva sono Marte e una delle lune di Giove. Su Marte c'è evidenza che l'acqua fosse presente in passato, e gli scienziati pensano che su Europa, sotto la superficie ghiacciata, si nasconda un gigantesco oceano.

A partire dal 2011, sono stati scoperti oltre 500 pianeti al di fuori del Sistema Solare e altri se ne trovano continuamente. Su alcuni di essi potrebbero esserci esattamente le giuste condizioni per la vita. Forse ci sono civiltà tecniche molto più avanzate della nostra. Tuttavia, alcune persone ritengono che se ci fossero così tanti extraterrestri, ne avremmo già visti alcuni. Questo si chiama paradosso di Fermi, perché fu Enrico Fermi a formulare per primo questa idea. Una delle spiegazioni più plausibili è che le enormi distanze tra le diverse civiltà avanzate non permettano il contatto. Anche se ci fossero 1000 civiltà avanzate, se siamo tutte a 1000 anni luce di distanza l'una dall'altra, è improbabile che qualcuno venga a visitare la Terra.

Alcuni scienziati ritengono che sia incredibilmente fortunato che, tra tutte le infinite possibilità di come il nostro Universo avrebbe potuto evolversi, sia accaduto proprio questo: che si sia evoluto creando esattamente le condizioni giuste perché noi potessimo sopravvivere. Ad esempio, al momento del Big Bang c'era solo un piccolo surplus (un miliardesimo) di materia rispetto all'antimateria nell'Universo. Se le quantità fossero state esattamente uguali, tutta la materia e l'antimateria si sarebbero annichilite trasformandosi in radiazione, portando a un Universo noioso senza nulla di solido, noi compresi. Se il surplus di materia fosse stato solo leggermente più grande o più piccolo del valore effettivo, la vita non sarebbe stata possibile. Se fosse stato un po' più grande, l'Universo si sarebbe collassato a causa dell'attrazione gravitazionale. Semplicemente non ci sarebbe stato abbastanza tempo per sviluppare la vita. D'altra parte, se il surplus di materia fosse stato solo un po' più piccolo, l'espansione sarebbe stata così rapida che non avrebbero potuto formarsi strutture legate e l'Universo conterrebbe solo particelle elementari.