lunedì 18 maggio 2015

Cinquant'anni di Big Bang

Vista la speciale ricorrenza non potevo esimermi, da buon aspirante astrofisico, dal riassumere brevemente e condensare in unico post un sacco di roba che abbiamo già affrontato in questo blog (ma che fa sempre bene ripassare). Credo di aver inserito (quasi) tutto. Premetto che, come leggerete, il titolo non si riferisce ai 50 anni della teoria stessa, quanto piuttosto al fatto che 50 anni fa la teoria del Big Bang ha ricevuto una conferma bella importante (e spero di non aver mandato in confusione nessuno con ciò). Bene, iniziamo.

Proprio 50 anni fa, giorno più giorno meno, questo articolo scientifico venne pubblicato, in cui si riportava la misura di una certa radiazione elettromagnetica nelle microonde, uguale in tutte le direzioni, con una temperatura bassissima (3 Kelvin e rotti, cioè circa -270 gradi Celsius). Gli autori erano gli americani Arno Penzias e Robert Wilson e avevano appena captato la prima luce dell'universo. All'inizio pensarono fossero escrementi di piccioni sulla loro antenna. Come vedete gli astrofisici sono abbastanza prudenti ma, in quel caso, niente piccioni: il segnale era reale e per questo i due vinsero il Premio Nobel nel 1978.

Wilson (a sinistra) e Penzias (a destra).
Correva, dunque, l'anno 1965. Insomma, cos'è quella luce trovata da Penzias e Wilson? Oggi lo sanno praticamente tutti (e ciò mi fa enormemente piacere): si tratta della prova che l'universo si possa descrivere con la teoria del Big Bang (e no, non dite in giro che si tratta di un'esplosione, per favore!), come vedremo meglio tra pochissimo.

Ma facciamo un passo indietro e ricominciamo da capo per capire meglio la situazione. Nel 1915 Albert Einstein se ne esce, alla grande, con la Teoria della Relatività Generale: spazio e tempo non sono entità separate, la gravità è descritta come interazione tra proprietà geometriche dello spazio-tempo e densità della "roba" che c'è nell'universo. 
Qualche anno dopo arriva Aleksandr Fridman che applica la Relatività all'intera evoluzione dell'universo e inizia a parlare di espansione dell'universo. Poi sul finire degli anni venti ci si mette anche l'astronomo americano Edwin Hubble che osserva proprio questa espansione dell'universo tramite il fatto che le galassie più sono lontane e più si allontanano velocemente.

E quindi? Quindi vennero fuori due principali idee. Una asseriva che l'universo, nonostante l'espansione è sempre uguale nello spazio e nel tempo. Cioè niente inizio e niente fine. Questa teoria si chiamava teoria dello stato stazionario e fu sviluppata da Fred Hoyle, Hermann Bondi e Thomas Gold nel 1948. Il fatto che l'universo fosse lo stesso ovunque lo si guardasse era dovuto ad una continua creazione di materia ad un tasso davvero molto basso. Insomma, ci stava questa teoria, anche perché assumeva che l'universo non avesse nulla di particolare in nessuna direzione o istante temporale. 

L'alternativa si chiamava Big Bang. Ovvero un universo che ha avuto un inizio e che è omogeneo e isotropo. Inoltre all'inizio l'universo doveva essere caldissimo per poi raffreddarsi durante l'espansione. Tale idea era stata proposta, vedi un po' tu, da un prete cattolico, Georges Lemaitre nel 1927.  Attenzione, però. La teoria del Big Bang non riguarda propriamente l'istante iniziale dell'universo. In maniera più corretta, la teoria del Big Bang descrive che la densità dell'universo decresce con l'espansione. 
Tra l'altro, il nome Big Bang fu pensato proprio da Hoyle, in senso piuttosto spregiativo in quanto oppositore di quella teoria. 

Per sottolineare bene le differenze tra le due teorie, ecco un bel disegnino:

Big Bang: la densità delle galassie decresce con l'universo che si espande.
Stato Stazionario: la densità delle galassie rimane più o meno la stessa con l'universo che si espande (lo spazio viene riempito da nuove galassie).

E poi arriva lei, la radiazione di fondo a microonde trovata da Penzias e Wilson. E cosa accade? Distrugge tutti i sogni di Hoyle e compagni e la teoria del Big Bang prende il sopravvento e viene accettata come quella teoria che meglio descrive l'universo con le nuove osservazioni trovate dai due scienziati americani. Cioè, la radiazione di fondo a microonde, con il suo essere praticamente omogenea in ogni direzione, era un tassello che non riusciva ad entrare perfettamente a fagiolo nel puzzle della teoria dello Stato Stazionario.

E quindi, Big Bang sia. Finisce qua la storia? Ma neanche per sogno, il bello deve ancora venire! 
Infatti la teoria del Big Bang prevede proprio l'esistenza della radiazione di fondo e pure con quella temperatura (bassa proprio a causa dell'espansione dell'universo; oggi è stata misurata per bene e sappiamo che è di 2.73 Kelvin). Infatti, all'epoca della radiazione di fondo l'universo era un piccolo scricciolo, con i suoi appena 380 mila anni! 
No, non sono impazzito (beh...ancora no!), adesso vi spiego. 
Oggi l'universo ha la veneranda età di 13.7 miliardi anni. Se prendiamo come riferimento la vita di una persona che arriva a 100 anni (auguri!) allora possiamo pensare che la radiazione di fondo sia qualcosa che è accaduto alla fine del primo giorno di vita della nostra amica centenaria. 
Insomma, stiamo parlando davvero dell'inizio dell'universo!

Va bene, ma cos'è questa radiazione di fondo, questa luce che osserviamo tuttora? Ne ho già parlato svariate volte qui su Quantizzando e rimando proprio a ciò che ho scritto pochissime settimane fa.
In sostanza, si tratta della prima luce che ha potuto vagare libera e felice nell'universo sin dal suo inizio e arrivare poi sino a noi che l'abbiamo rivelata.

Una delle cose davvero strabilianti della radiazione di fondo non è solo la conferma della teoria del Big Bang. Nei primi anni '90 il satellite americano COBE misurò due importanti fatti: la radiazione di fondo è una radiazione di corpo nero (come previsto dal Big Bang) e la radiazione di fondo ha delle piccolissime fluttuazioni nella sua temperatura (di circa una parte su centomila); queste fluttuazioni sono quelle che hanno permesso a tutti noi di essere qui ora perché da esse si sono formate le galassie e tutte le strutture che popolano l'universo. 
Tutti questi risultati sono stati poi confermati anche da successivi esperimenti e, proprio ultimamente, dal satellite europeo Planck.

Concludo in bellezza questo post con un meraviglioso grafico (che ho già postato in giro un miliardo di volte, tra l'altro), eccolo qua:


In questo grafico, i puntini rossi sono le osservazioni della radiazione di fondo fatte da Planck e la linea verde è ciò che prevede la teoria del Big Bang. Tralasciando l'effettivo significato della quantità osservata (che potete comunque leggere qui, se vi va), ciò che bisogna sottolineare è la straordinaria precisione con cui il modello standard del Big Bang riesce a riprodurre i dati osservati. 
Davvero notevole, non c'è dubbio

Certo, ci sono alcuni parametri da inserire nel modello, tipo quanta materia c'è nell'universo e altre cose simili. Si tratta comunque di una teoria, quella del Big Bang, che con un manipolo di parametri riesce a dare un senso a ciò che osserviamo. Nella scienza, lo sapete bene, non si può mai dire che una teoria è giusta
Eppure, osservando i successi della teoria del Big Bang, dovremmo tutti riflettere su come, proprio la scienza, pur essendo fatta solo da esseri umani, sia riuscita ad ottenere dei risultati davvero importanti. E la cosa più bella è che non abbiamo la più pallida idea di quello che scopriremo domani. Fantastico.