L’universo è comparso tredici miliardi di anni fa creando il cosmo che vediamo oggi. Bisogna chiedersi: se l’universo è nato, significa che un giorno scomparirà , o continuerà ad esistere per sempre, in eterno?
L’universo è così vasto che la luce di ciò che vediamo nel cielo ha impiegato milioni, anzi miliardi di anni per raggiungere la Terra. Gli scienziati studiano le stelle perchè, studiandone l’evoluzione, si può capire come evolva e cambi l’universo, sono cioè i primi indizi di ciò che ci riserva il futuro.
Fred Hoyle, matematico e fisico, negli anni quaranta del secolo scorso, si chiese da dove venissero gli elementi . L’universo primitivo era principalmente un mare di idrogeno e di elio – elementi semplici e leggeri – , ma, guardandosi intorno, sulla Terra, vide che qualcosa era cambiato. Noi esseri umani viviamo infatti con ossigeno, ferro nel sangue e carbonio. Hoyle si convinse che la risposta fosse nella fusione nucleare: gli elementi più leggeri si erano fusi insieme e ne avevano prodotti di più complessi. Ciò avviene nelle stelle dove l’idrogeno si fonde per formare il più complesso elio. Come poteva fondersi l’elio e dare luogo a elementi più complessi presenti sulla Terra? In realtà fondendo le molecole di elio si produce berillio, aggiungendo al quale altre molecole di elio si forma il carbonio, ma questi elementi si disfano, una volta fusi, non sono stabili. Allora Hoyle intuì che le molecole di elio in una stella potessero produrre il carbonio ma con un po’ di energia, divenendo così stabile. Le stelle potevano creare carbonio. Gli elementi erano creati nel nucleo delle stelle. Con la sua teoria Hoyle comprese di potere spiegare la vita delle stelle e , dato che queste fanno parte dell’universo, ciò sarebbe potuto diventare uno strumento importante per predire il futuro. Il ciclo vitale del sole ad esempio, secondo Hoyle, comincia bruciando l’idrogeno trasformandolo in elio . Quando esaurisce il suo idrogeno, inizierà a fondere l’elio e creerà elementi più pesanti. Si espanderà fino a raggiungere più volte la propria dimensione e brucerà l’elio per creare elementi più pesanti fino a che non inizierà finalmente a produrre carbonio. Quando esaurirà il suo combustibile nucleare cambierà la maggior parte dei suoi strati esterni e si lascerà dietro cenere bianca che vivrà tra le nane bianche.
Il problema era che non esisteva lo stato di carbonio descritto da Hoyle. Certo della sua idea ed intuizione rivoluzionarie, andò all’Istituto di tecnologia della California , e letteralmente impose di usare l’acceleratore di particelle per creare il carbonio ad alta energia. Ci riuscì.
Bombardando un elemento bersaglio con un fascio di particelle, si creó proprio quello stato di carbonio. Esso comparve come un picco nell’energia a 7,7 milioni di elettronvolt – il picco è l’impronta digitale di questo speciale stato eccitato del carbonio su questa energia -.
Nel lavoro pubblicato negli anni sessanta sulla rivista “Fisica moderna”, Fred Hoyle inserì nell’introduzione la citazione di William Shakespeare tratta dal “Re Lear”, in cui è scritto “sono le stelle , le stelle sopra di noi governano le nostre condizioni” (“It is the stars, The stars above us, govern our conditions”). Lo stato eccitato del carbonio dimostrava che all’interno delle stelle sono forgiati tutti gli elementi che formano il mondo intorno a noi. Tutti inclusi, noi inclusi. Così abbiamo capito la vita e l’evoluzione delle stelle , iniziando a comprendere come l’universo è cambiato nel tempo.
Questa è la base per estrapolare il futuro. Sono stati l’idrogeno e l’elio a formare le stelle , elementi che si sono consumati nel tempo creando tutti gli altri elementi nel processo .
Dopo un periodo di tempo per noi inimmaginabilmente lungo, le stelle useranno tutto l’idrogeno e l’elio esistente , nessuna stella potrà generarsi e le stelle esistenti un giorno esauriranno il combustibile e moriranno. L’universo diverrà oscuro . La luce e la vita creata dalle stelle , l’universo arriverà un giorno alla fine.
È stata avanzata anche un’altra opzione, che si avvererebbe prima che le stelle abbiano esaurito il combustibile. Grazie alla forza fondamentale dell’universo, grazie alla gravità.
L’astronomo Vesto Slipher , all’inizio del novecento , osservando il movimento delle nebulose – chiazze e vortici di luce visibili tra le stelle – indagò la più famosa di tutte, Andromeda. Con un reticolo di diffrazione divise la luce della nebulosa in diverse lunghezze d’onda nei diversi colori di cui è fatta. Con lo spettro di luce su Andromeda ne scoprì il movimento : si avvicina a noi, alla Terra, alla velocità di 300 kilometri al secondo. Oggi sappiamo che la nebulosa Andromeda é una galassia come la nostra, la Via lattea. Ed è il movimento di Andromeda che rivela come la gravità può avere un impatto sul destino dell’universo.
Dal momento in cui è stato generato con il Big Bang, l’universo si è espanso . La maggior parte delle galassie si sta distaccando l’una dall’altra. Quando si sono formate, sarebbe successa la stessa cosa per Andromeda e la Via lattea, se la gravità non avesse cominciato a funzionare ed a sopraffare l’espansione. È la gravità che trascina Andromeda e la nostra galassia, la Via lattea, insieme inesorabilmente.
Lo fa dentro il nostro universo ma è possibile lo faccia anche sull’intero spazio dell’universo? Se la gravità può sopraffare l’espansione , allora ben prima che le stelle si spengano il nostro universo giungerebbe inevitabilmente a collassare su se stesso. L’universo finirebbe con una grande compressione, il Big Crunch. Se la gravità venisse meno , l’universo continuerebbe semplicemente ad espandersi ben oltre il momento della morte dell’ultima stella. Tutto dipende da un fattore predetto dalla teoria generale della relatività di Einstein. Usando la teoria della relatività infatti si sono prospettati due futuri molto diversi per l’universo. Inoltre si è riusciti a calcolare un numero preciso che segna il confine tra questi due scenari differenti : il nome definitivo è stato quello di “densità critica”. La densità critica è in realtà una soglia basata sulla quantità di materia ed energia e di cose presenti nell’intero universo. Se il totale va oltre la densità critica, allora la gravità trascinerà l’intero universo unendolo nuovamente, generando il Big Crunch; se il totale è al di sotto della densità critica, allora l’espansione dell’universo continuerà per sempre.
In quale universo viviamo: uno che va oltre la densità critica o uno che ne è al di sotto? Un modo per scoprirlo è stato osservare l’espansione dell’universo. Se l’universo è oltre la densità critica, se si dirige verso il collasso, allora il tasso di espansione deve già essere più lento. Per trovare il modo di misurare come l’espansione dell’universo stesse cambiando la texana Beatrice Tinsley , musicista e astrofisica, negli anni sessanta, pose in discussione il criterio della vicinanza o meno della luce perchè se le stelle hanno un ciclo di vita durante il quale la loro apparenza e , quindi, la loro luminosità cambia, allora, poiché le galassie sono fondamentalmente composte da stelle, questo cambia la loro luminosità nel tempo. Ci si rivolse e fu adottato allora un modo più semplice e allo stesso tempo ingegnoso . Si misuró solo una parte dell’universo , se ne fece un conteggio medio su una piccola parte e la si moltiplicó. La premessa fu che l’universo in larga scala è lo stesso indipendentemente dalla direzione in cui lo guardiamo. Si sono prese le medie e si è calcolata la quantità totale di massa ed energia nell’universo. La sorpresa è stata totale perché fin lì si ipotizzava che l’universo fosse ben inferiore alla densità critica . In realtà la stima migliore indicò che l’universo aveva una massa così piccola che la sua densità era un’ esigua frazione del valore critico. Dunque non esisteva affatto la possibilità che l’universo stesse collassando.
Il nostro universo è chiaramente fatto di materia, massa ed energia . Queste componenti dominano il nostro mondo. Esse costituiscono e sono il nostro mondo. Queste scoperte hanno dipinto un’immagine dell’ universo così aliena rispetto alla nostra esperienza quotidiana che si può capire come fosse un concetto difficile da accettare. Le stime sono cioè sembrate essere in conflitto con l’universo stesso. La scala della “discrepanza” si rivelò quando l’universo venne disegnato sulla mappa su una scala inedita. Lo fece la scienziata Margaret Geller di Harvard la quale prese una fetta di universo lunga 500 milioni di anni luce e larga 300 milioni di anni luce, comunque una piccola parte dell’universo visibile. Osservò più galassie possibili e le disegnó in base alla distanza. Fu sorprendente vedere che sul disegno o mappa di manifestó una forma come di bolle o una struttura simile ad una sorta di nido d’api . Si pensava che le galassie fossero sparpagliate casualmente nell’universo, mentre per la prima volta si dimostrò che al contrario non era affatto casuale , che l’universo aveva (ha) davvero una struttura. E al centro di questa struttura c’è la forza di gravità. Fin dall’inizio dell’universo, la gravità ha attratto la materia creando dapprima nuvole di gas che poi si sono raggruppate insieme per formare galassie. Queste galassie si sono unite per formare ammassi di galassie , e da ammassi sono poi diventate super ammassi. Questi super ammassi di galassie sono tutti uniti da filamenti di polvere e gas controllati da una forza irresistibile . La gravità agirebbe come un architetto plasmando ed influenzando la struttura dell’intero universo su una scala cosmica.
Il problema è che le stime della materia nell’universo sono talmente piccole e collocano l’universo talmente al di sotto della densità critica che delle strutture così grandi non avrebbero potuto formarsi. L’universo come lo conosciamo oggi , considerati quei numeri, non poteva esistere. Doveva mancare qualcosa nei calcoli.
Lo scienziato Fritz Zwicky, guardando gli ammassi delle galassie, scoprì una cosa straordinaria. Era affascinato da cosa tenesse insieme gli ammassi . Si pensava la gravità. La velocità con cui si muovono le galassie intorno all’ammasso (senza riuscire ad uscirne) servì a Zwicky per misurare la forza della gravità che li tiene insieme. La forza di gravità avrebbe rivelato quanta materia , quanti corpi sono presenti all’interno dell’ammasso. Le galassie si muovono a una velocità impressionante . La forza di gravità necessaria per mantenere le galassie all’interno dell’ammasso richiede una massa ben maggiore rispetto a quella visibile . La differenza non era esigua. Infatti la massa necessaria era approssimativamente cento volte di più di quanto si poteva vedere. Zwicky chiamò questa misteriosa massa “materia oscura” (Dunkle materie) . Questa è un importante fattore per scoprire la massa mancante dell’universo . Ma per sapere se ciò pone l’universo sopra o sotto la densità critica c’è prima da risolvere un altro problema: come studiare qualcosa quando non c’è modo di rilevarla. Osservando con il telescopio i “quasar” oggetti luminosi nell’universo, se ne scoprirono due uguali , con il medesimo spettro. A tale proposito Einstein aveva spiegato uno strano effetto ovvero quello delle lenti gravitazionali. Diceva che la stessa materia deforma lo spazio cambiando la struttura stessa , il tessuto dell’universo. Quando la luce passa attraverso le regioni dello spazio con alte concentrazioni di materia , si piega , proprio come fa quando attraversa il vetro delle lenti dando origine ad inganni visivi. Quanta luce viene piegata dipende da quanto spazio viene deformato e questo dipende da quanta massa c’è. Si ipotizzó dunque che tra i quasar ed il telescopio dovesse esserci una enorme quantità di massa che piega così tanto la luce da dividere le immagini facendo sembrare un quasar come due. La doppia immagine è cruciale per lo studio della materia oscura. Anche con tutta la massa è la materia contenuta nell’ammasso di galassia , non ce n’era abbastanza per piegare la luce così tanto . Per questo , si ha bisogno della materia oscura misteriosa ed invisibile di Zwicky. E analizzando attentamente quanta luce viene distorta si può rivelare dove si trova la materia oscura. Non si s a di cosa sia fatta ma sembra essere molto superiore alla materia normale. E’ abbastanza per portare l’universo oltre la densità critica? Nonostante sia di gran lunga superiore a quella normale, la materia oscura sembra lasciare comunque l’universo al di sotto della densità critica.
Negli anni novanta, con un enorme telescopio , si è studiata la morte esplosivamente luminescente di una stella, la supernova T1a, distante circa otto miliardi di anni luce. La luce che ci raggiunge da questi eventi epici distanti è fondamentale per scoprire l’espansione passata dell’universo e per rivelare cosa succederà nel futuro. Gli astronomi sono convinti che la gravità freni e rallenti l’espansione dell’universo. Misurando lo spostamento dello spettro della supernova riusciamo a sapere quanta gravità frena e quindi il destino dell’universo. Tali spostamenti hanno dimostrato che l’universo si è espanso più lentamente nel passato che oggi . Più che rallentare, il livello di espansione dell’universo sta accelerando
Per i primi miliardi di anni dopo il Big Bang sembrava che il tasso di espansione fosse rallentato come previsto , ma dopo è cambiato e l’espansione ha iniziato ad accelerare . Circa sei miliardi di anni fa l’espansione ha iniziato ad accelerare . Qualcosa di nuovo e di inaspettato nell’universo, qualcosa per cui la scienza ad oggi non ha risposte, ha portato l’espansione dell’universo ad accelerare . È stata chiamata energia oscura . Secondo alcune stime, l’energia oscura compone il settanta per cento dell’universo . Ciò significa che l’universo non collasserà con un Big Crunch. Al contrario, l’energia oscura, non la gravità, definirà la fine dell’universo. L’energia oscura spinge l’universo ad espandersi in modo crescente . Le galassie diverranno così distanti che la luce non potrà più “viaggiarci“ attraverso . Ciascuna diverrà una singola isola di stelle, tutta sola nel cosmo . O addirittura le stesse galassie potrebbero sciogliersi e disfarsi, lasciando le singole stelle a vagare nel vuoto nero.
O , potrebbe essere, non sarà affatto così. D’altra parte gli effetti dell’energia oscura sembrano essere apparsi all’improvviso tra i sei e i sette miliardi di anni fa . Chi può dire se sarà lo stesso nel futuro? Con la scoperta dell’energia oscura tutte le sono ipotesi sono superate . Non sappiamo niente della energia oscura. Ha solo un nome, non altro. Non sappiamo di cosa sia fatta, nè perché stia separando l’universo, soprattutto non sappiamo come si comporterà in futuro e questo lascia un enorme buco nella nostra comprensione dell’universo e del suo destino.
L’energia oscura potrebbe essere parte dell’universo, un ingranaggio del suo meccanismo.
Comprendere e spiegare come finirà l’universo è la grande sfida dell’astronomia . Il destino dell’universo, con la scoperta di questa strana energia enigmatica – ammesso poi lo sia -, è diventato qualcosa che va contro la comprensione attuale, ed ha esondato nel cuore della fisica fondamentale. Capire il futuro e la fine dell’universo, questo è certo, ha profonde implicazioni sulla nostra comprensione del mondo.
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