Universo inflazionato – parte prima: i punti oscuri del Big Bang

Non ci sono più dubbi. Lo sa anche la casalinga di Verona: l’universo è nato da una grande esplosione 13,7 miliardi di anni fa da una “singolarità” (a temperatura e pressione indefinibili e raggio tendente a zero) generando l’universo.

A una prima caldissima fase in cui la radiazione era la componente dominante dell’Universo (durata circa 10⁵ anni) è seguita l’attuale lunga epoca dominata dalla materia.

Il residuo odierno di questa prima fase è la radiazione di fondo cosmico ad una temperatura di 2,7 K  (gradi Kelvin) proveniente in maniera isotropa da tutte le direzioni del cielo e da una distanza di circa 3000h ^–1megaparsec (un megaparsec, o Mpc, è pari a più di tre milioni di anni-luce), dove h è la costante di Hubble in unità di H_o =100 km/s/Mpc.

Questa distanza costituisce il nostro orizzonte osservabile, cioè la massima profondità che un rivelatore di onde elettromagnetiche, sia esso un telescopio o un’antenna radio, possa direttamente indagare.

E’ la teoria del Modello Cosmologico Standard sovente anche chiamato modello del Big Bang.

Da allora l’universo ha continuato a raffreddarsi ed a espandersi.
Questo modello ha fornito una valida spiegazione a molti aspetti dell’Universo osservato tra i quali il red-shift della luce delle galassie lontane, la radiazione cosmica di fondo a microonde e le abbondanze primordiali degli elementi più leggeri, eventi che hanno avuto luogo dopo il primo secondo dall’inizio di tutto.

Ma lascia nel contempo molti punti oscuri. Quali?

• L’universo su larga scala infatti è straordinariamente uniforme, tanto che se guardiamo in direzioni opposte, vediamo più o meno la stessa scena: lo stesso numero di galassie e la stessa temperatura media. Se fosse valida la teoria originaria del Big Bang, quella che conosceva Einstein, ciò sarebbe molto improbabile: sarebbe come tirare milioni di dadi e vedere che danno tutti lo stesso risultato.
• Su piccola scala invece l’universo ci appare disomogeneo. Infatti le galassie, ammassi e super-ammassi ci appaiono disformemente distribuite, che sta a dimostrare che ci doveva essere una disomogeneità delle attrazioni gravitazionali negli stanti iniziali.
• La grande precisione dell’equilibrio della densità di energia dell’Universo che determina la geometria dell’universo (il suo orizzonte).
• A tutto questo va aggiunto un altro punto oscuro. Considerazioni di origine elettromagnetico (incongruenze legate alla produzione dei monopoli magnetici e orientamento delle porte di Bloch, che non sto a spiegare) fanno ritenere che l’universo avrebbe dovuto raggiungere l’attuale temperatura di 3 K (gradi Kelvin) dopo soli 30.000 anni e non dopo gli attuali 10/15 miliardi di anni.

Più semplicemente.
I fotoni della radiazione di fondo provenienti da regioni dello spazio (o piu’ precisamente della superficie di ultimo scattering, ultima porzione di spazio trasparente) mostrano una straordinaria uniformita’ di caratteristiche in particolare di temperatura.
Come se avessero raggiunto una situazione di equilibrio termico che pero’ puo’ avvenire solo attraverso interazioni fra le varie regioni.
Il problema e’ che tali regioni non hanno a priori potuto scambiarsi informazioni poiche’ la loro separazione e’ tale che i fotoni emessi da una di esse non hanno potuto raggiungere l’altra.

Spieghiamo le cose un po’ meglio.

L’orizzonte dell’universo.
L’orizzonte dell’universo è sostanzialmente la superficie che delimita ciò che possiamo vedere da cio’ che non possiamo vedere, perché’ la luce emessa da questi eventi non è ancora arrivata fino a noi.
Immaginiamo ora di essere in un punto iniziale di ‘coordinate comoventi’ che prendiamo come riferimento, quindi uguale a zero.

Cosa sono le coordinate comoventi?

Giusto. Ok, fate un po’ di attenzione, perchè è un concetto di importanza in astronomia.
Le coordinate comoventi o meglio la distanza comovente è un modo conveniente per definire le distanze tra oggetti in maniera indipendente dal tempo. E’ la separazione che gli oggetti avrebbero oggi se entrambi gli oggetti non si muovessero.
Questa definizione è resa necessaria per rendere le coordinate un sistema che si espande assieme all’universo.
Faccio un esempio per essere più chiaro.
La parte alta della immagine riporta le distanze delle case di un paesino dalla scuola. Ora se ingrandiamo (espandiamo) la foto del doppio, le case si sono allontanate del doppio, ma le distanze sono rimaste le stesse.

Ora domandiamoci qual’è la distanza percorsa dalla luce a partire da t=0, ovvero dal big bang.

Durante un intervallo di tempo dt la luce percorre una distanza comovente dx = c dt/a (c=velocità della luce) cosicché la distanza comovente totale percorsa dalla luce fra t=0 e il tempo t vale:

Dove il denominatore è il fattore di scala.
Bene, l’importanza di questa grandezza è che nessuna informazione ha potuto propagarsi più lontano di χ dall’inizio dei tempi.

Il problema è, quindi, che tali regioni non hanno a priori potuto scambiarsi informazioni poiche’ la loro separazione è tale che i fotoni emessi da una di esse non hanno potuto raggiungere l’altra.

Regioni separate da distanze superiori a χ non hanno potuto essere in contatto causale.

χ rappresenta l’orizzonte comovente, più esattamente, l’orizzonte di particella.
Naturalmente si può anche pensare χ come un tempo e allora viene chiamato “tempo conforme”.

La curvatura dello spazio.
In merito alla curvatura dello spazio l’esistenza di un orizzonte dipende dalla forma della funzione a(t) cioe’ dal modello di universo.
Dalla equazione di Friedmann si ricava che  Ω=1 (rapporto fra densità reale e densità critica dell’universo), ovvero la curvatura e’ nulla.

L’universo quindi all’inizio della sua evoluzione termica doveva essere in condizioni tali che la densità fosse 1 o, cosa equivalente, che la curvatura dell’universo fosse nulla.

L’entropia.
Per quanto riguarda l’entropia (tendenza di un sistema al disordine) l’entropia , S , della regione visibile dell’universo è data dall’entropia contenuta in una sfera il cui raggio è pari all’orizzonte attuale.

L’entropia è circa pari al numero di fotoni contenuti nella sfera.

Nel Modello Standard l’espansione dell’universo è adiabatico (sistema chiuso che non può scambiare calore con l’ambiente esterno) e quindi tale enorme valore della entropia deve apparire come una condizione iniziale.

S è adimensionale e a priori non c’è alcuna giustificazione o spiegazione perché una quantità adimensionale debba avere un tale valore.

Ok, spiegata alla meno peggio le più note  incongruenze (salto quella riguardante i monopoli magnetici, troppo complicato da spiegare in questa sede), qual’è il motivo di queste incongruenze?

Difficile dare una risposta. Tutto quello che la scienza sa, parte dai pochi istanti successivi al Big Bang. Andare oltre questo limite ce lo impedisce la meccanica quantistica.

Perché penserete?
Ve lo faccio spiegae da un esperto in meccanica quantistica, il mio cane.

Perché il concetto della singolarità è solo conseguenza della descrizione della versione classica della Relatività Generale, quando sappiamo che per le leggi che governano lo spazio-tempo dell’estremamente piccole dovremmo usare la meccanica quantistica.

Detta in parole più semplici – continua il mio assitente a quattro zampe – la meccanica quantistica ci dice che la costante (spazio-tempo) di Planck è la minima lunghezza al di sotto della quale lo spazio perde qualsiasi significato fisico. Tanto per rendere l’idea guardate l’ordine di grandezza della costante di Planck: 6,626 * 10^-34 Js (6,626 diviso 10 seguito da 34 zeri) .

La teoria classica è applicabile, quindi solo a tempi successivi al tempo di Planck.

Cosa fare allora se nessuna teoria può descrivere cosa successe entro i primissimi attimi dalla esplosione del big Bang?

Tutti questi problemi vennero abilmente risolti, almeno teoricamente, dalla teoria inflazionaria, sviluppata nei primi anni ottanta dal fisico statunitense Alan Guth .

Ma di questo e della “polarizzazione primordiale B” ne riparliamo nel prossimo post. Ora esco con il mio amico a quattro zampe.

---

ritorna a Cosmologia

ritorna alla Home Page