Il maestoso universo

Quello che il big bang spiega e quello che non spiega

OGNI mattina è un miracolo. Nel cuore del sole mattutino l’idrogeno si trasforma in elio a temperature di milioni di gradi. Nel nucleo del sole si sprigionano raggi X e raggi gamma di una violenza incredibile che vanno a investire gli strati circostanti. Se il sole fosse trasparente, questi raggi micidiali raggiungerebbero la superficie solare in pochi secondi. Invece, cominciano a rimbalzare da un atomo all’altro nel compatto “strato isolante” del sole, perdendo gradualmente energia. Passano giorni, settimane, secoli. Migliaia di anni dopo, quella radiazione un tempo letale emerge dalla superficie del sole sotto forma di dolce luce gialla: non è più una minaccia, ma proprio quello che ci vuole per inondare la terra di tepore.

Anche ogni notte è un miracolo. Altri soli brillano nella vasta distesa della nostra galassia. Tra loro c’è un’incredibile varietà di colori, dimensioni, temperature e densità. Alcuni sono stelle supergiganti talmente enormi che se una di esse prendesse il posto del nostro sole, quello che rimarrebbe del nostro pianeta si troverebbe all’interno di questa superstella. Altri soli, le nane bianche, sono minuscoli: sono più piccoli della terra eppure hanno la stessa massa del sole. Alcuni di questi soli continueranno tranquillamente a brillare per miliardi di anni. Altri sono sull’orlo di un’esplosione immane: diventeranno supernovae, disintegrandosi in un’esplosione che emetterà per breve tempo una luce più intensa di quella emessa da intere galassie.

I popoli primitivi parlavano di mostri marini e dèi in lotta fra loro, di dragoni e tartarughe ed elefanti, di fiori di loto e dèi sognanti. In seguito, nella cosiddetta “Età della Ragione”, gli dèi furono accantonati per far posto alla nuova “magia” del calcolo differenziale e delle leggi di Newton. Oggi viviamo in un’epoca orbata della poesia e delle leggende di un tempo. I figli dell’odierna era atomica hanno scelto come paradigma della creazione non l’antico mostro marino, non la “macchina” di Newton, ma il simbolo predominante del XX secolo: la bomba. Il loro “creatore” è un’esplosione, una deflagrazione cosmica che chiamano “big bang”.

Quello che il big bang “spiega”

Nella nostra generazione la versione più accreditata del modello creativo afferma che circa 15-20 miliardi di anni fa l’universo non esisteva, né esisteva lo spazio vuoto. Non esisteva né il tempo né la materia, nulla eccetto un punto infinitamente denso e infinitamente piccolo detto singolarità, il quale esplose dando origine all’universo che conosciamo. Quell’esplosione incluse, nella prima frazione infinitesima di secondo, una breve “fase di inflazione” in cui l’universo nascente si espanse con una rapidità molto superiore alla velocità della luce.

I primissimi minuti del big bang furono caratterizzati da una fusione nucleare su scala universale, che portò alla formazione dell’idrogeno e dell’elio nelle concentrazioni oggi misurate e di almeno parte del litio presente nello spazio interstellare. Dopo forse 300.000 anni la temperatura della “palla di fuoco” cosmica scese un po’ al di sotto della temperatura della superficie del sole, permettendo agli elettroni di stabilirsi in orbite intorno agli atomi e liberando un’enorme quantità di fotoni: un lampo di luce. Questo lampo di luce primordiale oggi si può misurare, anche se è molto raffreddato, sotto forma di un’universale radiazione di fondo a microonde corrispondente a una temperatura di 2,7 gradi Kelvin.a In effetti, fu la scoperta di questa radiazione di fondo negli anni 1964-65 a convincere la maggior parte degli scienziati che c’era qualcosa di buono nella teoria del big bang. Questa teoria sostiene inoltre di spiegare perché l’universo sembra espandersi in tutte le direzioni, così che le galassie distanti sembrano allontanarsi da noi e l’una dall’altra a velocità enormi.

Se la teoria del big bang sembra spiegare tante cose, perché dubitarne? Perché ci sono anche molte cose che non spiega. Facciamo un esempio: L’antico astronomo Tolomeo teorizzò che il sole e i pianeti girassero attorno alla terra lungo grandi orbite circolari, percorrendo nel contempo orbite circolari più piccole dette epicicli. La teoria sembrava spiegare il moto dei pianeti. Per secoli, man mano che gli astronomi raccoglievano ulteriori dati, i cosmologi tolemaici riuscirono sempre ad aggiungere ulteriori epicicli ai loro epicicli e a “spiegare” così i nuovi dati. Ma questo non significava che la teoria fosse corretta. Si arrivò al punto che i dati di cui render conto erano troppi, e altre teorie, come quella di Copernico secondo cui era la terra a girare attorno al sole, spiegarono tali dati meglio e in maniera più semplice. Oggi è difficile trovare un astronomo che difenda il sistema tolemaico!

Il prof. Fred Hoyle ha paragonato gli sforzi che compiono i sostenitori del big bang per difendere la credibilità della loro teoria agli sforzi compiuti dai cosmologi tolemaici per rattoppare la loro teoria difettosa alla luce di nuove scoperte. Nel suo libro L’Universo intelligente ha scritto: “I ricercatori si sono sforzati soprattutto di mascherare le contraddizioni della teoria del big bang, per costruire un’idea che è divenuta sempre più complessa e ingombrante”. Dopo aver ricordato che il ricorso agli epicicli non riuscì a salvare la teoria di Tolomeo, Hoyle ha affermato: “Non esito a dire che ora la teoria del big bang si trova in un vicolo cieco e, come ho già accennato, quando un insieme di fatti mette in dubbio una data teoria, l’esperienza dimostra che raramente essa riesce a risollevarsi”.b

La rivista New Scientist, nel numero del 22/29 dicembre 1990, ha espresso pensieri simili: “Il metodo tolemaico è stato applicato in larga misura al . . . modello cosmologico del big bang”. L’articolo proseguiva chiedendo: “Come possiamo fare veri passi avanti nella fisica delle particelle e nella cosmologia? . . . Dobbiamo essere più onesti e schietti circa la natura puramente speculativa di alcuni degli assunti che ci sono più cari”. Oggi si sta accumulando un’enorme quantità di nuove osservazioni.

Domande a cui il big bang non risponde

Una grossa sfida per il big bang è venuta da ricercatori che si sono valsi dell’ottica corretta del telescopio spaziale Hubble per misurare le distanze che ci separano da altre galassie. I nuovi dati stanno sbalordendo i teorici!

Recentemente, l’astronoma Wendy Freedman e altri hanno usato il telescopio spaziale Hubble per misurare la distanza che ci separa da una galassia nella costellazione della Vergine, e le sue misurazioni fanno pensare che l’universo si espanda più rapidamente, e quindi sia più giovane, di quanto si supponeva un tempo. In effetti i nuovi dati “implicano un’età dell’universo di soli otto miliardi di anni”, riferiva la rivista Scientific American lo scorso giugno. Otto miliardi di anni potrebbero sembrare un periodo di tempo molto lungo, ma equivalgono solo alla metà circa dell’età dell’universo in base alle stime attuali. Questo crea un grosso problema, poiché, come osserva l’articolo, “altri dati indicano che certe stelle hanno almeno 14 miliardi di anni”. Se i numeri della Freedman reggono alle verifiche, queste stelle sarebbero più vecchie del big bang stesso!

Un ulteriore problema per il big bang sono le prove sempre più convincenti secondo cui nell’universo ci sarebbero “bolle” del diametro di 100 milioni di anni luce, all’esterno delle quali ci sono galassie, mentre all’interno c’è spazio vuoto. Margaret Geller, John Huchra e altri ricercatori dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics hanno scoperto quella che definiscono una “grande muraglia” di galassie che si estende per circa 500 milioni di anni luce nel cielo boreale. Un altro gruppo di astronomi, noti come i “Sette Samurai”, ha trovato prove che dimostrerebbero l’esistenza di un’altra struttura cosmica, che essi chiamano Grande Attrattore, situata vicino alle costellazioni australi dell’Idra e del Centauro. Gli astronomi Marc Postman e Tod Lauer credono che al di là della costellazione di Orione debba esistere qualcosa di ancora più grande che risucchia in quella direzione centinaia di galassie, compresa la nostra, come se fossero zattere su una specie di “fiume cosmico”.

Tutte queste strutture a livello cosmico sono sconcertanti. I cosmologi affermano che l’esplosione del big bang fu estremamente omogenea e uniforme, a giudicare dalla radiazione di fondo che si sarebbe lasciata alle spalle. Com’è possibile che un inizio così omogeneo abbia portato a strutture così gigantesche e complesse? “Le ultime notizie di muraglie e attrattori infittiscono il mistero di come si siano potute formare tante strutture nei 15 miliardi di anni di esistenza dell’universo”, ammette Scientific American, e questo problema non fa che aggravarsi se la Freedman e altri accorciano ulteriormente l’età stimata dell’universo.

‘Ci sfugge qualche elemento essenziale’

Le mappe tridimensionali di Margaret Geller, in cui migliaia di agglomerati di galassie sono ammucchiati e aggrovigliati sulle pareti di enormi bolle, hanno trasformato il modo in cui gli scienziati si raffigurano l’universo. La Geller non pretende di capire quello che vede. La sola gravità non sembra sufficiente a spiegare la “grande muraglia” di galassie. “Spesso penso che nei nostri tentativi di comprendere questa struttura ci sfugga qualche elemento essenziale”, ammette.

La Geller ha aggiunto, a proposito dei suoi dubbi: “È chiaro che non sappiamo come interpretare strutture su grande scala nel contesto del big bang”. Le interpretazioni della struttura cosmica sulla base delle attuali mappe dei cieli sono tutt’altro che definitive: è un po’ come tentare di descrivere il mondo intero dopo aver esplorato un isolotto. La Geller ha aggiunto: “Un giorno potremmo scoprire che non abbiamo interpretato bene i dati, e quando lo faremo tutto ci sembrerà così ovvio che ci chiederemo come mai non ci avevamo pensato molto tempo prima”.

Questo ci porta alla domanda più importante di tutte: Cosa avrebbe causato il big bang stesso? Niente meno che Andrei Linde, uno dei padri della diffusissima versione inflazionaria della teoria del big bang, ammette francamente che la teoria standard del big bang non risponde a questa domanda fondamentale. “Il primo, e principale, [problema] è l’esistenza stessa del big bang”, dice. “Ci si può chiedere: che cosa c’era prima? Se lo spazio-tempo non esisteva, com’è possibile che ogni cosa sia apparsa dal nulla? . . . La spiegazione di questa singolarità iniziale resta il problema più intrattabile della moderna cosmologia”.c

Recentemente, un articolo pubblicato nella rivista Discover giungeva alla conclusione che “nessun cosmologo ragionevole sosterrebbe che con la teoria del big bang è stata detta l’ultima parola”.

Ora usciamo all’aperto e contempliamo la bellezza e il mistero della volta stellata.

[Note in calce]

[Riquadro a pagina 5]

L’anno luce: Un metro per misurare l’universo

L’universo è così grande che misurarlo in chilometri o miglia sarebbe come misurare la distanza da Londra a Tokyo con un micrometro. Un’unità di misura più adatta è l’anno luce, ovvero la distanza che la luce percorre in un anno, e che equivale a circa 9.460.000.000.000 di chilometri. Dal momento che la luce è la cosa più veloce dell’universo e impiega solo 1,3 secondi per arrivare fino alla luna e circa 8 minuti per arrivare al sole, un anno luce è una distanza davvero enorme!