L'universo e le sue galassie

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LA NASCITA DELL’UNIVERSO

Il 29 dicembre 1998 nei pressi del monte Erebus In Antartide, un potente telescopio montato su un pallone stratosferico veniva fatto volteggiare sopra il continente bianco; i suoi sensori quasi congelati per una maggiore precisione, avevano il compito di “vedere” la radiazione cosmica di fondo.
I sensori del telescopio hanno rilevato uno spicchio di cielo nella costellazione dell’orologio, dov’è stata fotografata la nascita dell’Universo. Allora l’universo era una palla di fuoco ed erano passati 300mila anni dal big bang. L’immagine fotografata è di 12 miliardi di anni fa, quando, appunto l’Universo era “appena nato”.
I dati raccolti hanno permesso di stabilire che l’universo è piatto ed obbedisce ad una geometria euclidea; la materia continuerà quindi ad espandersi senza limiti.

LA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO

Se si estrapolano nel passato i moti delle galassie, si giunge dunque all’uovo cosmico che sarebbe esploso nel cosiddetto big bang (grande scoppio); questo evento segna l’origine dell’Universo. Se la velocità di recessione delle galassie non è cambiata, il big bang è avvenuto un tempo di Hubble fa; in realtà, quasi certamente, tale velocità non è rimasta costante, ma ciò non contraddice il big bang, semplicemente ne sposta la data.
In questo modello cosmologico la radiazione cosmica di fondo è una conseguenza naturale delle condizioni primitive dell’Universo. La parte più interessante di questa radiazione è compresa tra le lunghezze d’onda di 60 cm e 0,6 mm, con un massimo per, k = 1 mm: questa radiazione corrisponde a quella prodotta da un corpo alle temperature di 2,7 K (si usa pertanto dire che questa è la temperatura attuale dell’Universo). lo stato iniziale doveva essere caratterizzato da temperature e densità infinite; gli atomi non esistevano ancora, c’erano esclusivamente particelle tra loro separate. Gli elettroni liberi nello spazio diffondevano fotoni, e ciò consentiva il mantenimento dell’equilibrio termodinamico tra particelle e radiazioni. Con l’espansione seguita al big bang, si verificò un raffreddamento. raggiunta la temperatura di 5000 K, si poterono formare i primi atomi, quindi diminuirono progressivamente gli elettroni liberi.
Spezzatosi l’equilibrio, la radiazione iniziò ad espandersi liberamente nello spazio, dapprima con lunghezza d’onda minore (corrispondente a temperatura maggiore); con il raffreddamento successivo si giunse alla temperatura di 2,7 k. Già nel 1946 Gamow aveva previsto teoricamente l’esistenza di una radiazione di fondo di tipo termico, deducendola dal modello del big bang , e calcolò che essi avrebbe dovuto avere all’incirca una temperatura di 5 K, valore molto prossimo a quello poi effettivamente misurato. Secondo la teoria del big bang, dunque, l’Universo nato da uno stato a densità infinita circa un fa; lo spazio, il tempo e tutta la materia dell’Universo furono in quell’istante. Perciò non ha senso domandarsi che cosa ci fosse prima del big bang, perché il tempo viene computato a partire da quell’attimo; allo stesso modo non ha neppure senso domandarsi dove è avvenuto lo scoppio, poiché esso è avvenuto ovunque, essendo quell’Universo l’intero Universo.

LA MATERIA OSCURA

Per cominciare dobbiamo calcolare la massa di tutta la materia visibile utilizzando come unità di misura la massa solare che conosciamo molto bene.
La Via Lattea contiene circa 500 miliardi di masse solari. Poi stimiamo il numero complessivo di galassie visibili, circa 50 miliardi. Il risultato in chili è un 5 seguito da 52 zeri. Se non ci fosse altra materia nel cosmo il destino dell’universo sarebbe di gelo inarrestabile, infatti la materia non basterebbe a chiuderlo. Sappiamo anche che gran parte della massa dell’universo è composta da dieci o addirittura 100 volte più di quella osservabile sotto forma di materia invisibile. Ce ne accorgiamo solo perchè ne avvertiamo i suoi effetti gravitazionali. Un gruppo di ricercatori italo - svizzeri ha proposto che le galassie siano circondate da un alone di nane brune, stelle troppo piccole per innescare reazioni termonucleari.
secondo un esperimento giapponese i neutrini, particelle ritenute prive di massa, una massa ce l ’hanno e danno anche loro un contributo al cosmo.
un’altra ipotesi è che la materia oscura sia formata dalle Wimp (Weakly Interactive Massive Particels cioè particelle massicce debolmente interagenti). Fino a che non avremo più informazioni sulla natura e la quantità di materia oscura che riempie il nostro universo non potremmo dire con ragionevole certezza quale sarà il suo destino. Le attuali misure sulla velocità di espansione sono abbastanza incerte, sebbene molti astrofisici che anche il contributo della materia oscura non sia sufficiente ad arrestare l’espansione dell’universo. Non solo recenti studi sulla luminosità di supernove lontane sembrano indicare che non solo l’universo si sta espandendo ma lo fa con un accelerazione maggiore del previsto probabilmente grazie nad una foeza repulsiva di nuovo tipo non prevista dalle teorie.

IL FUTURO DELL'UNIVERSO
Il destino dell'universo dipende dalla sua massa (o densità).
Se questo dovesse essere superiore ad un determinato valore chiamato S (omega) l'universo sarebbe chiuso, e potrebbe essere rappresentato da una sfera ( vedi fig. 1) che nasce da un punto (Big Bang) che si espande per un certo periodo di tempo, si ferma e poi inizia a comprimersi fino a ritornare in un punto(Big Crunch).
Mentre se la massa (o densità) fosse inferiore al valore critico (f) l'universo sarebbe di tipo aperto cioè in perenne espansione.
L'universo aperto è descritto da una superficie " a sella" (vedi fig.2) che è infinita e in perenne espansione. Se la densità fosse esattamente uguale al valore critico, l'universo non si espanderebbe e non riuscirebbe nemmeno a contrarsi, ma rimenerebbe perennemente in questo stato di "sospensione" raffigurato matematicamente da una superficie piana (vedi fig. 3).
Se l'universo è chiuso le galassie cominceranno a toccarsi e a compenetrarsi reciprocamente.
La radiazione di fondo che attualmente ha una temperatura di 2,7 kelvin diventerà sempre più calda; il cielo notturno cambierà gradualmente colore prima rosso, poi giallo, ed infine bianco.
Quando la radiazione supererà la temperatura interna delle stelle gli astri si dissolveranno. I nuclei atomici si frantumeranno e rimarrà un oceano indistinto di particelle elementari. Si fonderanno fra loro anche i buchi neri. Negli ultimi istanti di vita del cosmo la contrazione accelererà dominata dall'inesorabile forza di gravità.
Masse sempre più grandi saranno concentrate in spazi sempre più minuscoli. Alla fine ogni realtà, compresi lo spazio e il tempo, verrà annientata, schiacciata in un "Big Crunch" ( gran contrazione) che è temporalmente speculare al Big Bang da cui è nato tutto.
Alcuni cosmologi hanno suggerito che il Big Crunch potrebbe rimbalzare in un nuovo Big Bang da cui rinascerebbe un nuovo universo.
Se l'universo è aperto le galassie si allontaneranno sempre più le une dalle altre e le stelle progressivamente si spegneranno.
Le più longevi sopravviveranno per centinaia di migliaia di anni. I grandi buchi neri finiranno per inghiottire gran parte della materia e poi, come previsto da Stephen Howking, per evaporare a causa di effetti quantistici. Dopo più di mille miliardi di miliardi di miliardi di anni anche i protoni decadranno in raggi gamma. Alla fine resterà soltanto un brodo di radiazione sempre più fredda, per l'eternità.
Se l'universo possiede una densità esattamente uguale a quella critica non si chiuderà mai e rimarrà "sospeso" in uno stato finito finale, senza collassare o espandersi.
Un'altra teoria sulla fine dell'universo è stata ipotizzata da due fisici Sidney Coleman e Frank De Luccia all'inizio degli anni ottanta. Questa teoria consiste nella formazione di una gran bolla di vuoto che espandendosi nell'universo alla velocità della luce lo inghiottirebbe. Per vuoto i fisici intendono il vuoto quantistico e cioè uno spazio occupato dalla continua apparizione e scomparsa di particelle e antiparticelle elementari, che nascono dal nulla e in attimo si annichilano sparendo definitivamente. Questo ribollire di creazioni e sparizioni possono essere più o meno energetico.