INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Corinne Mucha
Traduzione dell’articolo di Diana Kwon apparso su Symmetry Magazine il 7/5/2019:
https://www.symmetrymagazine.org/article/a-universe-is-born
Fai un (breve) viaggio nella storia delle origini del nostro Universo.
Nei suoi primi tre minuti di vita l’Universo era un luogo affollato. Il cosmo che osserviamo oggi si è espanso a partire da un minuscolo granello fino ad avvicinarsi alle sue attuali dimensioni; comparvero le particelle elementari; poi protoni e neutroni si combinarono nei primi nuclei, riempendo così l’Universo dei precursori degli elementi.
Elaborando ingegnose teorie e conducendo esperimenti mediante collisori, telescopi e satelliti, i fisici sono riusciti a riavvolgere la pellicola di milioni di anni e a intravedere i dettagli dei primissimi momenti della nostra dimora cosmica.
Fai un tour veloce attraverso questa storia:
L’era di Planck
Durata: < 10-43 secondi
Benvenuti nell’era di Planck, dal nome della più piccola scala di misure esistente nell’odierna fisica delle particelle. Attualmente questo è il momento più vicino all’inizio del tempo raggiunto dagli scienziati.
I fisici teorici non sanno molto dei momenti iniziali dell’Universo. Dopo il successo della teoria del Big Bang, gli studiosi pensarono che all’inizio il cosmo fosse in una fase di altissima temperatura e densità e che tutte e quattro le forze fondamentali – elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale – fossero combinate in una singola forza unificata. Tuttavia, il quadro teorico attualmente dominante per descrivere la fase iniziare del nostro Universo non richiede necessariamente queste condizioni.
L’Universo si espande
Durata: da 10-43 secondi a circa 10-36 secondi
Gli scienziati ritengono che in questa fase – che ebbe inizio nell’era di Planck o poco dopo – l’Universo abbia subito un’espansione esponenziale ad altissima velocità, in un processo noto come inflazione.
La teoria dell’inflazione fu inizialmente proposta negli anni 80 per affrontare le carenze della teoria del Big Bang che, a dispetto della sua popolarità, non spiegava perché l’Universo fosse così piatto e uniforme e come mai, simultaneamente, le sue diverse parti avessero cominciato a espandersi.
Durante l’inflazione, le fluttuazioni quantistiche potrebbero essersi allungate producendo un andamento che avrebbe poi determinato la posizione delle galassie. Forse solo in seguito a questo periodo inflattivo l’Universo è diventato quella densa, bollente sfera di fuoco di cui parla la teoria del Big Bang.
Nascono le particelle elementari
Durata: ~10-36 secondi
Quando l’Universo era ancora molto caldo, il cosmo funzionava come un acceleratore gigante, di gran lunga più potente del Large Hadron Collider, operando a energie estremamente elevate. In esso sono nate le particelle elementari che noi oggi conosciamo.
Gli scienziati pensano che per prime si siano formate le particelle esotiche, seguite da alcune più comuni, quali elettroni, neutrini e quark. Anche le particelle di materia oscura potrebbero essersi manifestate in questa fase.
Ben presto i quark si combinarono, formando i familiari protoni e neutroni, collettivamente denominati barioni. I neutrini erano in grado di sfuggire a questo plasma di particelle cariche e iniziarono a viaggiare liberamente attraverso lo spazio, mentre i fotoni ne rimasero intrappolati.
Appaiono i primi nuclei
Durata: ~1 secondo a 3 minuti
Secondo gli scienziati quando l’Universo si raffreddò abbastanza da portare a una diminuzione delle collisioni violente, protoni e neutroni si raggrupparono insieme, formando i nuclei degli elementi leggeri – idrogeno, elio e litio – in un processo noto come nucleosintesi primordiale.
I protoni sono più stabili dei neutroni, per via della loro massa minore. Infatti, un neutrone libero decade con una vita media di circa 15 minuti, mentre i protoni, per quanto ne sappiamo, potrebbe non decadere affatto.
Così, quando le particelle si combinarono, molti protoni rimasero spaiati. Di conseguenza, l’idrogeno – i protoni che non trovarono mai un compagno – costituisce circa il 74% della massa della materia “normale” del cosmo. Il secondo elemento in ordine di abbondanza è l’elio, che contribuisce approssimativamente per il 24%, seguito da quantità minori di deuterio, litio ed elio-3 (l’elio con un nucleo di tre barioni).
Gli scienziati sono riusciti a misurare accuratamente la densità dei barioni presenti nel nostro Universo. La maggior parte di queste misure si allinea con i valori delle medesime quantità stimati dai teorici. Ma un problema sussiste: i calcoli del litio risultano errati di un fattore 3. Potrebbero essere sbagliate le misurazioni, ma potrebbe anche darsi che qualcosa che ancora ignoriamo si sia verificato durante questo periodo tale da modificare l’abbondanza di litio.
La radiazione cosmica di fondo diventa visibile
Durata: 380,000 anni
Centinaia di migliaia di anni dopo l’inflazione, il brodo di particelle si era raffreddato a sufficienza perché gli elettroni si legassero ai nuclei, formando atomi elettricamente neutri. Mediante tale processo, anche noto come ricombinazione, i fotoni divennero liberi di attraversare l’Universo, creando così la radiazione cosmica di fondo.
Oggi la CMB costituisce uno degli strumenti più preziosi per i cosmologi, i quali ne sondano la profondità in cerca di una risposta ai molti segreti irrisolti dell’Universo, incluse la natura dell’inflazione e la causa dell’asimmetria materia-antimateria.
Poco dopo che la CMB diventò distinguibile, particelle neutre di idrogeno formarono un gas che riempì l’Universo. In assenza di oggetti che emettessero fotoni ad alta energia, il cosmo piombò in un’età oscura che durò milioni di anni.
Si accendono le primissime stelle
Durata: ~100 milioni di anni
L’età oscura si concluse con la formazione delle prime stelle e con il verificarsi della reionizzazione, un processo attraverso il quale fotoni altamente energetici strapparono degli elettroni ad atomi neutri di idrogeno.
Gli scienziati credono che la stragrande maggioranza dei fotoni ionizzanti fu generata dalle prime stelle. Tuttavia, anche altri processi, come ad esempio la collisione tra particelle di materia oscura, potrebbero aver contribuito (in qualche misura).
All’epoca, la materia cominciava a formare le prime galassie. La nostra, la Via Lattea, contiene stelle nate quando l’Universo aveva solo diverse centinaia di milioni di anni.
Nasce il nostro Sole
Durata: 9.2 miliardi di anni
Il Sole è solo una tra alcune centinaia di miliardi di stelle presenti nella Via Lattea. Gli scienziati pensano si sia formato da una nube di gas gigante composta principalmente da idrogeno ed elio.
Oggi
Durata: 13.8 miliardi di anni
Oggi il nostro Universo si trova alla fresca temperatura di 2.7 Kelvin ( – 270.42 gradi Celsius). Si espande a un tasso crescente, similmente (ma più lento di molti ordini di grandezza) a quanto accadeva nel periodo inflattivo.
I fisici ritengono molto probabile che sia l’energia oscura – una misteriosa forza repulsiva che attualmente ammonta a circa il 70% dell’energia presente nel nostro Universo – il motore di quest’espansione accelerata.
Traduzione a cura di Camilla Paola Maglione, Ufficio Comunicazione INFN-LNF