Origine ed evoluzione dell`Universo

origine ed
evoluzione
dell’universo
antonio pagliaro
IASF/CNR
formato per il web della
conferenza tenuta il giorno 24
marzo 2004 nell'ambito del
ciclo per le scuole secondarie
“Vita e morte nell'universo”
organizzato in occasione della
XIV settimana della scienza.
La conferenza originaria conteneva diversi elementi
multimediali che qui non è stato possibile riprodurre.
Fatti non foste a viver come bruti
ma per seguir virtute e canoscienza...
Dante, Inferno, XVII
Le domande
Le domande che gli scienziati e si
pongono e alle quali cercano di
rispondere sono:
Qual è l’origine
dell’universo?
Come il nostro universo è
diventato ciò che è oggi?
Qual è la sua età?
Come galassie e ammassi
sono emersi dall’inferno
della creazione?
Qual è il destino ultimo
dell’universo?
L’Edda prosastica
L’origine dell’universo è spiegata
in dettaglio nell’Edda prosastica,
raccolta di miti norvegesi
compilata intorno al 1220 dal capo
islandese Snorri Sturluson.
Cosa c’era in origine?
Nulla, solo un abisso
In principio non
c’era nulla,
solo un abisso
L’abisso, il Ginnungagap, abisso degli abissi, era
composto di:
•
•
una Casa della Nebbia, o Niflheim
una Casa dei Distruttori, o Muspellheim
Le case erano contrapposte: la prim a era gelida, l’altra
era infuocata e
fiamm eggiava lanciando scintille intorno.
Dalle case, il primo
Gigante
Il calore di Muspellheim fuse parte dei ghiacci
di Niflheim .
Dalle gocce del liquido si formò
Ymir, il capostipite della razza dei
Giganti di Ghiaccio.
Gli altri Giganti furono da lui stesso generati
per partenogenesi.
Ma cosa mangiava
Ymir?
Ma se non c’era nulla, cosa
mangiava Ymir?
Ymir era nutrito da Audhumla, una
vacca sacra,
E cosa mangiava Audhumla?
La brina sulle rocce
.
Un giorno, poi, dalla brina spuntarono dei fili d’erba
che a poco a poco, mentre Audhumla si cibava del
ghiaccio soprastante, si rivelarono essere i capelli di
un uomo, il primo uomo, Buri
E dopo Buri?
Buri si accoppiò (non si sa con chi) e generò
Bor, che a sua volta sposò una gigantessa e
generò tre figli: Odino, Vili e Ve. Essi
uccisero Ymir colpendolo alla testa; Ymir
morendo cadde e perse tanto sangue da
annegare tutta la progenie dei Giganti di
Ghiaccio, con la sola eccezione di uno,
Bergelmir, che si salvò su di una arca.
Il cadavere di Ymir servì ai tre fratelli suoi
uccisori per creare il mondo: la sua carne
formò la terra, le sue ossa le rocce, il suo
sangue i mari e i laghi. Infine i tre figli di Bor
“presero il fuoco di Muspellheim e le sue faville
e li lanciarono in cielo a formare il Sole, la Luna
e le stelle, alcune delle quali fisse ed altre in
moto rispetto alle prime…”
Tutto chiaro?
Mica tanto…
I problemi che questo racconto
pone sono certo più numerosi
delle risposte che dà.
Ogni risposta introduce una
complicazione nuova nelle
condizioni iniziali
Tuttavia, l’impulso a ricostruire la
storia dell’universo è irresistibile,
per noi come per i vichinghi.
La testa in cielo…
Il poeta cerca solo di mettere la testa in cielo. E’
il logico che cerca di mettere il cielo dentro la
propria testa. Ed è la sua testa che si spacca.
G.K. Chesterton
Si spacca davvero?
O forse c’è un m ezzo per tentare di m ettere il cielo
dentro la nostra testa? Alm eno tentare…
Io non pretendo di capire l’universo.
E’ molto più grande di me
T. Carlyle
Il mondo è
matematico!
La filosofia è scritta in questo grandissim o libro che
continuam ente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io
dico l’universo), m a non si può intendere se prim a
non s’im para a intender la lingua, e conoscer i
caratteri ne’ quali è scritto. Egli è scritto in lingua
m atem atica, e i caratteri son triangoli, cerchi e altre
figure geom etriche, senza i quali m ezzi è
im possibile a intenderne um anam ente parola:
senza questi è un aggirarsi vanam ente per un
oscuro laberinto.
GALILEI
Uno dei più grandi misteri dell’universo è il
fatto che non sia più un oscuro mistero!
Siamo in grado di comprendere e
prevedere il suo funzionamento a tal
punto che se un uomo del Medio Evo si
trovasse fra noi ci considererebbe dei
maghi.
L’universo
matematico
Il motivo per cui siamo stati così bravi a
sciogliere molto enigmi è che abbiamo
scoperto la lingua nella quale il libro della
natura sembra essere scritto.
Questo linguaggio è quello della
matematica.
Si adatta meravigliosamente bene alla
natura del mondo ed al suo
funzionamento. Nessun fenomeno che
sfugga al suo potere descrittivo è stato
mai scoperto.
Eppure…
Eppure fino agli anni ‘50 lo studio
delle origini dell’universo non era fra
i temi a cui uno scienziato degno di
questo nome avrebbe dovuto
dedicare il suo tempo.
Era un giudizio sensato: non esisteva
una base di osservazioni e di teoria
adeguata sulla quale costruire una
storia dell’universo!
La situazione è radicalmente mutata
negli anni sessanta: la cosmologia è
diventata “scienza”
Il big bang
Una teoria sull’origine è
stata accettata così
diffusamente da essere
chiamata “modello
standard”
All’inizio, l’universo è una
palla di fuoco infinitamente
densa. Una particolare forma
di energia che può dare
origine allo spazio e al tempo
Un fatto
fondamentale
L’universo che noi osserviamo
non è l’universo che esiste oggi!
I telescopi sono macchine del
tempo!
Gli astronom i che guardano il cielo a distanze di
m iliardi di anni luce stanno in realtà guardando
indietro nel tem po. La luce, o altra em issione,
che noi vediam o oggi im piega m iliardi di anni
per giungere a noi. Così noi vediamo il cielo
com e era allora, non com e è oggi!
I telescopi sono dunque com e m acchine del
tem po che ci aiutano ad im parare di più sulle
origini e sulla storia dell’universo.
La cosmologia è l’archeologia
dell’universo
Il principio centrale!
Il principio centrale della
cosmologia moderna è che
l’universo è in
espansione, e che questo
implichi che in qualche
tempo nel passato lontano
era incredibilmente denso
e caldo.
Indietro nel tempo
(rewind!)...
Questa espansione da uno stato
iniziale denso e caldo è detta
big bang.
I pilastri del big bang
Espansione
dell’
universo
Origine
della
CMB
Il modello del big bang produce delle ipotesi accurate
e dimostrabili in ciascuna di queste aree e l’accordo
notevole tra la teoria e le osservazioni ci dà una
considerevole confidenza in questo modello.
Nucleosintesi
degli
elementi
leggeri
Formazione
delle galassie
e delle
strutture
su grande
scala
Uno sguardo alla
storia
In principio,
un’esplosione
Non un’esplosione com e quelle
che conosciam o.
Cioè: non un’esplosione che
partendo da un punto preciso si
diffonde inghiottendo l’aria
circostante.
Una esplosione che avviene
simultaneamente ovunque
formando lo spazio e il tempo e
nella quale ogni particella
cominciò ad allontanarsi da ogni
altra particella
Chi c’è? (ripasso!)
La materia è fatta di atomi
Chi c’era?
Il primo istante di cui possiamo parlare
con una certa confidenza è un
centesimo di secondo dopo il big bang.
La temperatura era di circa 100 miliardi
di gradi.
Nessun elemento della materia comune
sopravvive coeso a tale temperatura
Chi c’era allora?
C’erano quark, elettroni, positroni, vari
tipi di neutrini e luce (fotoni)
Comincia
l’espansione
All’inizio l’espansione è molto
rapida (periodo inflazionario).
Più l’universo si espande, più
si raffredda. Quando
diminuisce la temperatura, le
particelle possono
aggregarsi. Si formano
protoni e neutroni (adroni)
Dopo circa 3 secondi, si formano i
primi nuclei di atomi.
Protoni e neutroni si associano a
formare nuclei di idrogeno, elio e
litio.
Saranno necessari altri 300.000 anni
perché gli elettroni siano catturati
nelle orbite per formare atomi stabili.
Un attimo…
Ma come sappiamo che l’universo si
espande?
Uno sguardo al cielo notturno suscita
l’impressione di un universo immutabile!
La nostra conoscenza
dell’espansione si fonda sul fatto
che siamo in grado di misurare la
velocità di un corpo luminoso nella
direzione del raggio visuale. La
tecnica utilizzata si basa sul
cosiddetto effetto Doppler
Effetto Doppler
Un ambulanza che si avvicina suona più
acuta!
(lunghezza d’onda minore)
La storia dell’astronomia è
una storia di orizzonti che
si allontanano
Hubble
Legge di Hubble
Lo spostamento verso il rosso della
luce delle galassie aumenta in
proporzione alla loro distanza.
Questo è il risultato naturale
predetto per un universo in
espansione!
Non solo…
Se tutte le galassie si allontanano
l’una dall’altra in passato erano
vicine.
Se la loro velocità è proporzionale alla
distanza attuale, il tempo trascorso
è identico per ogni coppia di
galassie scelte a piacere.
Allora l’universo si espande
davvero…
torniamo al big bang
Formazione degli
adroni
Quark di tre differenti
colori si combinano per
formare un adrone.
Un tipo di combinazione dà un
barione stabile (un protone) con
carica positiva +1. Un’altra un barione
neutro, il neutrone.
E’ tutto opaco!
Per 300.000 anni nuclei e protoni
continuano a vagare in un mare opaco di
fotoni, elettroni e neutrini. Opaco perché
i fotoni non possono viaggiare senza
essere immediatamente colpiti da
un’altra particella. La materia e la
radiazione sono intimamente legate.
Ma circa 300.000 anni dopo il big bang,
questo mare opaco comincia a
rischiararsi. La temperatura scende a
3.000 K. L’energia dei fotoni non è più
sufficiente a liberare gli elettroni dai
nuclei. I fotoni diventano liberi di
viaggiare.
Quest’era dura circa 1 milione di anni e si
chiama ricombinazione.
Ricombinazione
Formazione della materia atomica stabile.
L’universo si è raffreddato a sufficienza: i fotoni non
hanno più abbastanza energia per dissociare gli
elettroni dai nuclei a cui sono legati.
Una volta disaccoppiati dalla materia, i fotoni sono
liberi di viaggiare. Il cosmo, prima di adesso
caldo, denso e opaco, diventa trasparente alla
radiazione elettromagnetica.
L’universo diviene
trasparente
La cattura degli
elettroni e la
formazione
di atomi neutri
(~300.000 anni dopo
il big bang) ha reso
l’universo
trasparente alla
radiazione.
I fotoni inizialmente in
equilibrio con la materia
possono d’ora in poi
viaggiare liberamente
nell’universo in
espansione.
Se le galassie non
esistessero…
…non avremmo alcun
problema a spiegare il
fatto!
Perché oggi l’universo è
così pieno di strutture
(galassie, ammassi,
superammassi)?
Un messaggio nel
cielo
La radiazione cosmica di fondo è un
messaggio lasciato (300.000 anni dopo
il big bang) in ogni luogo
dell’universo.
La temperatura della CMB è una prova
diretta dell’espansione cosmica
La CMB porta con sé la
testimonianza delle
deviazioni primordiali
dalla uniformita’:
Tutte le strutture dell’universo si sono
evolute dalle fluttuazioni primordiali di
densità sotto l’azione della gravità.
CMB: il mare di
fotoni
Il m are di fotoni creato durante le epoche precedenti la
ricom binazione persiste fino a oggi, nella form a del
fondo cosmico a microonde che pervade l’intero
universo.
Non più tanto energetica, perché stirata dall’espansione
per circa 20 m iliardi di anni, la radiazione si è
raffreddata fino a –270,43 gradi centigradi. Questa
radiazione è considerata un indizio m olto forte a
favore della teoria del Big Bang.
La sua uniform ità (poche parti su 100.000) indica che
l’universo era m olto uniforme al tem po della
ricom binazione.
Minuscole variazioni sono state trovate in tem pi recenti.
Indicano fluttuazioni nella densità di m ateria alla
ricom binazione. Queste variazioni, am plificate dalla
gravità, sono alla base della form azione degli oggetti
che com pongono il nostro universo gerarchico: stelle,
galassie, am m assi di galassie e superam m assi.
Fluttuazioni
naturali…
Luoghi in cui la densità di
materia era più alta della
media venivano formati a
causa dell’attrazione
gravitazionale, a spese delle
aree circostanti, e poi,
avendo assunto una massa
ancora maggiore, avrebbero
attratto altro gas fino ad
assemblarne a sufficienza per
creare una stella o, forse,
un’intera galassia.
Gravità!
La forza di gravità amplifica le piccole fluttuazioni
che crescono sempre più
Gravità e … amore
Nascono le galassie
Dalle minime fluttuazioni di materia (barionica,
principalmente gas di idrogeno e elio), con
l’aiuto dell’attrazione gravitazionale fra gli
atomi, si formano nubi di gas. La gravità
interna di queste cresce piuttosto
rapidamente.
Prima lentamente, poi sempre più
velocemente, le nubi di gas catturano
sempre più materiale dal mezzo che le
avvolge. Alla fine, le nubi iniziano a
collassare sotto l’effetto della loro stessa
gravità ed evolvono nelle prime galassie.
Circa 1 miliardo di anni dopo il big bang,
nascono la prima galassia e le stelle al suo
interno.
L’origine delle
strutture cosmicheLa
rete cosmica
Tutte le strutture
(galassie, ammassi di
galassie, …)
dell’universo si sono
originate da fluttuazioni
di densità infinitesime
impresse nell’universo
all’origine del tempo.
La causa ultima della
possibilità di formare strutture
nell’universo risiede nel suo
stato di forte disequilibrio
globale.
La formazione delle
strutture
Nel nostro universo dominato da
materia oscura “fredda” e da
energia oscura (energia del vuoto
primordiale) le strutture
cosmiche si formano nei punti
piu’ densi della “rete cosmica”.
La rete
cosmica
Le
protostrutture
proto
galassie
galassie
L’universo moderno
•
Quanta materia contiene?
•
Che tipo di materia lo riempie?
•
Qual è la forma del cosmo?
Per rispondere a queste domande i
cosmologi usano un gran numero di
strumenti. Computer superpotenti,
telescopi a terra e su satelliti.
Osservazione, nuove teorie e calcolo
sono le chiavi che ci consentono di
provare a rispondere.
Archeologia o
astronomia?
L’universo moderno non è
davvero moderno…
I telescopi sono macchine del
tempo!
Gli astronom i che guardano il cielo a distanze di
m iliardi di anni luce stanno in realtà guardando
indietro nel tem po. La luce, o altra em issione,
che noi vediam o oggi im piega m iliardi di anni
per giungere a noi. Così noi vediamo il cielo
com e era allora, non com e è oggi!
I telescopi sono dunque com e m acchine del
tem po che ci aiutano ad im parare di più sulle
origini e sulla storia dell’universo.
La cosmologia è l’archeologia
dell’universo
L’universo gerarchico
L’universo visibile è un universo gerarchico. I
pianeti si muovono intorno alle stelle, le stelle si
raggruppano insieme e danzano attorno al
centro delle galassie. Le galassie formano
ammassi di galassie. E gli ammassi si riuniscono
in superammassi, ciascuno contenente migliaia
di galassie e dalle dimensioni di molte centinaia
di milioni di anni luce.
Questi superammassi sono organizzati in
strutture filamentari o piane, fra le quali si
trovano giganteschi vuoti (o spazio
apparentemente vuoto)
Le strutture
cosmiche
Vuoti
(d=10-30
Mpc)
Ammassi
di
galassie
(d=1-3
Mpc)
Filamenti
(l=20-100
Mpc)
Galassie
(d=10
kpc)
Il futuro
Universo aperto o chiuso?
Il Rubicone cosmico
Il modello del big bang predice
un’espansione vicina al limite
critico fra espansione perpetua
e contrazione finale, ma non
indica su quale sponda di
questo Rubicone cosmico ci
troviamo
La separazione fra gli universi destinati a
espandersi per sempre e quelli destinati
al big crunch è piccolissima. L’inflazione
ci dice che ci troviamo vicino al limite
critico per una parte su 10.000.
Qual è la densità dell’universo? è dunque
la domanda chiave
Densità e destino
La quantità di materia che osserviamo,
direttamente o indirettamente, ammonta a
non più del 30% della densità critica.
Vivremmo cioè in un universo aperto.
Tuttavia altri solidi indizi dell'astrofisica ci
portano ad ipotizzare l'esistenza di quantità
di energia oscura tali da portare il valore
della densità dell'‘universo vicino a quello
critico.
In sostanza, quale sarà il destino del nostro
universo è un mistero. Così come è un
mistero la natura della materia oscura: è
formata da neutrini? Da particelle
appartenenti ad una fisica ancora poco
nota? Da particelle di una fisica del tutto
ignota?
Il destino
dell’universo
Il nostro universo continuerà
ad espandersi per sempre?
La risposta è nascosta nella
equazione della densità
equazione di (Dio)
Friedman-Lemaitre
I dati più recenti indicano:
universo in espansione
continua
dominato da materia oscura
energia oscura
Torniamo all’inizio…
o prima dell’inizio
L’inizio apparente
dell’espansione è l’inizio solo
di un periodo di espansione
nella storia dell’universo o è il
segnale dell’inizio
dell’universo nella sua
totalità?
Nel secondo caso, nascono
con esso il tempo, lo spazio e
le leggi di natura.
Legge di Penrose
2)
3)
4)
Roger Penrose ha mostrato che se
La gravità è attrattiva e agisce su
tutto
L’universo è in espansione e
contiene una quantità sufficiente di
materia
Il viaggio nel tempo è impossibile
allora
la relatività generale richiede che
lo spazio e il tempo abbiano fine
in un punto del passato!
Purtroppo però…
Nessuna delle tre condizioni
elencate è ovvia!
Se ciò non
bastasse…
Abbiamo fin qui parlato del tempo
con fare disinvolto assumendo il
suo significato privo di
ambiguità.
Purtroppo ciò non è così ovvio.
Anzi…
Nulla richiede che il concetto di
tempo proprio si applichi
all’universo nella sua totalità.
Qual è, se c’è, il tempo cosmico
fondamentale?
Il tempo cosmico
Viaggiamo a ritroso fino
al big bang.
Come misuriamo il tempo?
Un orologio funzionerebbe per poco tem po, il nucleo
atom ico a un certo punto si disgrega, ogni cosa si
frantum a più ci avviciniam o al big bang.
Forse si può m isurare con la curvatura dello spazio, m a
questo orologio m isurerebbe un tempo infinito
durante un tem po finito del convenzionale tem po
proprio.
Il rischio è quello di creare un nuovo paradosso di
Zenone.
Il tempo quantistico
Il significato del tempo crea
enigmi cosmologici
fondamentali. Se poi si cerca di
creare una cosmologia
quantistica, ne segue che è
molto difficile capire come
inserirvi il concetto di tempo.
In breve, il problema del tempo
nella cosmologia quantistica
rimane, attualmente, un
mistero.
Il tempo potrebbe … anche non
esistere!
Una provocazione?
«Per noi, fisici di fede, la
separazione tra passato,
presente e futuro ha solo il
significato di un'illusione,
per quanto tenace» (A.
Einstein)
Secondo Julian Barbour, la fisica deve essere rifondata
basandosi sull'idea che il mutamento misura il tempo e
non viceversa: il tempo non è una misura del mutamento.
A suo parere le equazioni di Einstein non descrivono la geometria
di uno spazio-tempo a quattro dimensioni, bensì l'evoluzione di
spazi tridimensionali, fissati in una dimensione del tutto
atemporale. Dunque, deve esistere qualcosa di statico che ci
fornisce costantemente l'illusione del mutamento. Una terra di
innumerevoli Adesso, battezzata Platonia, i quali ci forniscono la
sensazione illusoria del passato e del futuro, della storia e del
mutamento. Persino dell'identità personale. Gli Adesso (simili a
monadi leibniziane) non possono essere inseriti nella visione
tradizionale di un prima e di un dopo presenti in un tempo
oggettivo o assoluto. Oggettivi e reali sono invece proprio gli
Adesso.
E ancora…
Una scienza che si rispetti
deve trovare una causa
per ogni evento
(legge di David Hume)
Qual è la causa del
big bang?
Grazie per la vostra
attenzione
… e pazienza !