Cognome Russo Nome Giuseppe data di nascita 02/02/1997 Categoria junior Regione Sicilia C era una volta, prima che il tempo e tutto ciò che

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1 Cognome Russo Nome Giuseppe data di nascita 02/02/1997 Categoria junior Regione Sicilia C era una volta, prima che il tempo e tutto ciò che conosciamo avesse origine, un piccolo punto dove la densità e la temperatura avevano valori tendenti all infinito. È una situazione difficile da immaginare, che, infatti, è chiamata singolarità iniziale o anche atomo o uovo iniziale. Da qui sembra sia nato l intero Universo, così come il primo secondo scandì l inizio del Tempo. Deduciamo quindi, che non esistesse né un prima, né un dove. La teoria scientifica che afferma quanto detto è quella del Big Bang (espressione coniata dall astronomo britannico Fred Hoyle, che significa grande botto ). Tutte le sere, quando si apre il sipario della notte, nel cielo buio si accendono le stelle. È uno spettacolo sbalorditivo che da millenni si replica senza interruzioni. Verso la fine del XVIII secolo, l astronomo William Herschel dimostrò per la prima volta che tutte le stelle del nostro cielo, incluso il nostro Sole, fanno parte di un unico vasto agglomerato chiamato galassia. La nostra galassia, la Via Lattea, ha enormi dimensioni: ha un diametro di circa 100 mila anni luce, con uno spessore di circa 10 mila anni luce; è una galassia a spirale e contiene centinaia di miliardi di stelle. Sappiamo anche che l Universo, a sua volta, contiene centinaia di miliardi di galassie simili alla nostra. Ma ancora alle soglie del XX secolo erano ben pochi coloro che pensavano che l Universo si estendesse al di là della Via Lattea. Già ai tempi di Herschel erano stati osservati oggetti rassomigliabili a deboli batuffoli di luce, che non potevano essere singole stelle. Vennero chiamati nebulose, di cui non era possibile stabilirne né la distanza, né la vera natura. Si formarono così due fazioni di astronomi: quelli che ritenevano che le nebulose facessero parte della nostra Galassia, e quelli che invece le consideravano esterne. A risolvere la questione fu Edwin Hubble, che nel 1924 sfruttando il telescopio da 2,5 metri di Mount Wilson (California) riuscì a determinare la distanza di M31 in Andromeda, che si dimostrò notevolmente maggiore del diametro della Via Lattea: di conseguenza M31 era esterna alla nostra Galassia. Successivamente Hubble si accorse casualmente che tutte le galassie si stavano allontanando dalla nostra isola cosmica seguendo una legge ben precisa (la legge di Hubble): le galassie sembravano allontanarsi dalla Via Lattea con una velocità proporzionale alla loro distanza. In realtà tale fenomeno non va attribuito alle singole galassie, ma allo spazio che le contiene. In altri termini è l Universo a espandersi. Le galassie quindi, sono ferme nella loro posizione nello spazio, mentre è lo spazio stesso, crescendo, che le allontana una dall altra. La fuga delle galassie è provata da un particolare effetto fisico, l effetto Doppler, scoperto nel 1845 da Christian Doppler. Tale effetto è osservabile analizzando lo spettro elettromagnetico di una qualsiasi sorgente di luce: quando questa si avvicina, le onde si comprimono (aumenta la frequenza e diminuisce la lunghezza d onda) e il loro colore si sposta verso il violetto; quando invece, la sorgente di luce si allontana, le onde si dilatano (diminuisce la frequenza e aumenta la lunghezza d onda) e il loro colore si sposta verso il rosso. Lo spostamento verso il rosso (red shift) è la prova che la sorgente di luce si sta allontanando (Figura 1). Se applichiamo quindi questo concetto generale dell effetto Doppler alle galassie, e ne analizziamo il loro spettro elettromagnetico, osserveremo che il colore delle loro onde si sposta verso il rosso. È il fenomeno del red shift, e quindi l espansione dell Universo, una delle prove della teoria del Big Bang. Un altro elemento che dimostra tale teoria è la radiazione cosmica di fondo, ovvero la radiazione elettromagnetica residua dell enorme energia liberatasi durante il Big Bang, che permea l Universo ormai sotto forma di microonde. La radiazione di fondo venne scoperta con l introduzione dei radiotelescopi, che rilevano le onde radio emesse dalle varie radiosorgenti sparse nell universo; una di queste è appunto il residuo di microonde. È proprio grazie alla radiazione fossile, che gli astronomi, attraverso i radiotelescopi, sia terrestri che orbitanti (COBE lanciato nel 1990; WMAP nel 2001; PLANK nel 2009), hanno gettato lo sguardo nel passato dell Universo. Mediante le microonde, infatti, è possibile viaggiare indietro nel tempo, fino all istante zero: le microonde di

2 fondo sono l ultimo elemento osservabile, il più antico rilevato nel nostro Universo (Figura 2). Le microonde fossili più lontane distano da noi circa 13,7 miliardi di anni luce, oltre, quindi, non è possibile andare. Dato che il Tempo nasce con il Big Bang (e le microonde sono la testimonianza fossile del suo avvenimento), l età dell Universo è di circa 13,7 miliardi di anni. Questo abnorme periodo di tempo è stato suddiviso dai cosmologi in otto ere. Nella prima era, l Era di Plank, le quattro forze fondamentali (gravità, elettromagnetica, nucleare forte, nucleare debole) sono unificate in una sola forza, e quindi hanno eguale intensità. È forse questa l altra caratteristica che si aggiunge alla singolarità iniziale. La seconda era è quella detta di grande unificazione, durante la quale la forza di gravità si distacca dall unica forza iniziale. Insieme all era di Plank, possono essere considerate le due ere pre-inflazionarie. La terza era, è l Era dell inflazione, durante la quale le oscillazioni dell inflatone (un particolare tipo di bosone di Higgs) originarono, drasticamente e rapidamente, l espansione dell Universo. L energia liberata diede origine a coppie particella-antiparticella, che si annichilirono immediatamente. Una fluttuazione quantistica, tuttavia, sarebbe responsabile di un leggero eccesso di particelle rispetto alle antiparticelle, e come conseguenza la prevalenza della materia nel Cosmo. La quarta era, è l Era elettrodebole, durante la quale il campo di Higgs separa la forza nucleare forte da quella elettrodebole (costituita dalle forze elettromagnetica e nucleare debole). Poco dopo si separano anche l interazione debole e la forza elettromagnetica. La quinta era, è l Era degli adroni, durante la quale un energia termica sufficientemente bassa, permise il legamento tra quark e antiquark: si formarono i primi adroni (particelle soggette alla forza nucleare forte). La sesta era, è l Era della nucleosintesi, durante la quale avviene la produzione dei nuclei di elio e di altri atomi leggeri. Una volta che la temperatura fosse scesa sotto una certa soglia (circa un miliardo di gradi, così da consentire la formazione stabile di nuclei di deuterio), le reazioni di fusione nucleare avrebbero rapidamente portato alla formazione di nuclei di elio, impiegando tutti i neutroni disponibili nell Universo. La settima era, è l Era dell opacità. L Universo primordiale, che continuava a raffreddarsi, era riempito di un plasma composto da particelle cariche elettricamente. La radiazione luminosa che pervadeva l Universo interagiva molto facilmente con tale materia: i fotoni rimbalzavano senza sosta da un elettrone all altro. La luce, in queste condizioni, non riusciva propagarsi a grandi distanze e restava come intrappolata nella densa nube di materia. Secondo questo fenomeno, detto di diffusione della radiazione, l Universo primordiale doveva apparire completamente opaco. L ottava era, nonché quella attuale, è l Era della materia. Dopo circa 380 mila anni dal momento iniziale, l energia della maggior parte dei fotoni era scesa notevolmente. Ciò consentì la formazione degli atomi di idrogeno. Questo momento è definito dai cosmologi ricombinazione. Allo stesso tempo, avvenne un altro fenomeno importantissimo: il disaccoppiamento tra la radiazione e la materia. I fotoni non interagivano più molto facilmente con gli atomi appena formati privi di carica elettrica. La luce primordiale poté quindi iniziare a propagarsi liberamente. La luce si separò dalla materia e l Universo divenne trasparente. Le prime stelle comparvero solo 200 milioni di anni dopo il Big Bang, così come le prime galassie. Esistono tuttavia, teorie alternative a quella del Big Bang. Fanno parte della cosmologia non standard, alla quale quindi appartengono tutti i modelli cosmologici alternativi al Modello Standard. Le due ipotesi più famose sono la Teoria cosmologica del plasma e la Teoria dello stato stazionario. La Teoria cosmologica del plasma fu proposta da Hannes Alfven negli anni Sessanta del XX secolo. Alfven ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1970, in seguito agli studi sulla magnetofluidodinamica (cioè la disciplina che studia la dinamica dei fluidi elettricamente conduttori). Tra questi si annoverano l acqua marina, i metalli liquidi e i plasmi. Alfven sostenne che i campi magnetici hanno un ruolo fondamentale nella composizione delle strutture cosmiche. Egli ipotizzò che il plasma intergalattico abbia, con i suoi moti, la capacità di generare forti campi

3 magnetici in grado di sovrapporsi all'azione della forza di gravità. Propose anche che nel Cosmo da lui congetturato, senza origine e senza limite di estensione, cioè infinito, ci fossero immani scontri tra materia e antimateria che dessero origine a moltitudini di Big Bang. Tuttavia, la teoria di Alfven perse d interesse negli anni Novanta, solo più tardi alcuni scienziati la ripresero in mano. La Teoria dello stato stazionario fu proposta da Fred Hoyle, Hermann Brondi e Thomas Gold nel L idea era che l espansione dell Universo fosse compensata dalla formazione di nuova materia creata costantemente. Tra gli anni Cinquanta e gli anni Sessanta fu eseguita a Cambridge una rassegna delle sorgenti di onde radio nello spazio cosmico. Le rilevazioni dimostrarono che la maggior parte di queste radiosorgenti dovevano trovarsi fuori dalla nostra galassia e che il numero delle sorgenti deboli era molto maggiore di quello delle sorgenti intense. Le sorgenti deboli furono interpretate come quelle più lontane e quelle intense come quelle più vicine. Quindi il numero delle sorgenti vicine è minore di quello delle sorgenti lontane. Due erano le possibilità: che la Terra si trovi in una regione dell Universo povera di sorgenti, oppure che le sorgenti erano più numerose in passato, quando sono state emanate le onde radio. La Teoria della stato stazionario venne contraddetta e abbandonata. Queste teorie ci spiegano come sia nato l Universo, ma come dobbiamo immaginarlo? Qual è la sua forma? E quale sarà la sua sorte? La forma e l evoluzione dell Universo dipendono dalla sua densità. La relazione tra la densità media (Ω) e un certo valore, detto densità critica (indicato con 1), conferisce all Universo tre proprietà geometriche (Figura 3) e tre modalità di evoluzione (Figura 4). Se la densità media è pari alla densità critica (Ω = 1), l Universo non può avere una curvatura spaziale, e in termini bidimensionali sarà equivalente a una superficie completamente piana (Universo piatto). Esso arresterà la sua espansione, ma solo dopo un tempo infinito. Se la densità media è minore della densità critica (Ω < 1), l Universo può avere una curvatura negativa, e la sua immagine bidimensionale sarà simile a una sella (Universo aperto). Esso continuerà a espandersi per sempre. Se la densità media è maggiore della densità critica (Ω > 1), l Universo può avere una curvatura positiva, e la sua immagine bidimensionale sarà uguale alla superficie di una sfera (Universo chiuso). Esso non si espanderà per sempre, ma a un certo punto si fermerà e comincerà a contrarsi, finendo per collassare su se stesso. L idea di un Universo chiuso implica però, il concetto di limite, e quindi, di un Universo non più eterno e infinito. Un certo numero di linee di ricerca scientifica ipotizza che il nostro Universo potrebbe essere soltanto uno tra molti (o infiniti) universi. Un insieme di universi coesistenti al di fuori della nostra dimensione spaziotemporale viene definito Multiverso. L Universo può essere inteso come una bolla. L idea di un Multiverso a bolle fu proposta da Andrej Linde. Tale idea comporta la creazione di universi derivanti dalla schiuma quantistica di un universo genitore. A causa di fluttuazioni di energia tale schiuma può ribollire generando piccole bolle e wormhole (cunicoli spazio-temporali). A seconda se la fluttuazione è maggiore o minore di un certo valore critico può formarsi una bolla che espandendosi e poi distaccandosi costituirà un neouniverso (Figura 5). Alcuni scienziati ritengono che l Universo fosse in uno stato inattivo prima del Big Bang; altri, basandosi sull ipotesi del Multiverso, suppongono che il nostro Universo entrò in collisione con un altro, generando la nota esplosione. Qualunque sia la sua origine, la sua forma o la sua fine, la caratteristica più sorprendente e miracolosa del Cosmo è l ordine e l armonia che pervade ogni cosa, dalla particella più piccola, ai sistemi tanto grandi e complessi come le galassie. L etimologia della parola stessa, dal greco kόsmos, significa infatti ordine. Tale ordine però, può essere solo coincidenza? O c è di più? Esiste un essere supremo, un burattinaio, che abbia fatto l Universo a nostro vantaggio? E tale entità può essere identificata con Dio? A queste domande risponde la Teologia. Ma questa è un altra storia.

4 Figura 1. L immagine illustra un chiaro esempio dell effetto Doppler. Figura 2. Mappa della radiazione cosmica di fondo, elaborata dal radiotelescopio orbitante WMAP, lanciato nel 2001 dalla NASA. Figura 3. L immagine illustra le tre proprietà geometriche dell Universo.

5 Figura 4. L immagine illustra le tre modalità di evoluzione dell Universo. Figura 5. L immagine illustra la Teoria del Multiverso, secondo la quale il nostro Universo, è soltanto uno fra tanti.