Big bang (esplosione dell'universo)

big  bang
s.m. (voce ingl., grande bum). Astron. Espressione usata per designare il modello dell'universo che presuppone l'esistenza di un'esplosione iniziale.

u Astronomia

Agli  inizi del XX secolo, formulando la sua teoria della relatività generale, Albert Einstein aveva ipotizzato un universo sostanzialmente stabile, con una distribuzione omogenea di materia nello spazio, invariante a grande scala. Nel 1922 però il fisico russo Alexander A. Friedmann, lavorando sulle equazioni di Einstein, formulò una serie di modelli dell’universo in cui questo risulta instabile, con le galassie che si allontanano progressivamente l'una dall’altra. I modelli di Friedmann differiscono per quanto riguarda il possibile futuro dell'universo, ma hanno in comune una singolarità nel passato: andando a ritroso nel tempo, le galassie dovevano essere sempre più vicine, fino a un istante iniziale, in cui tutta la materia dell’universo doveva essere compressa in un punto, la singolarità, di densità infinita. Il primo a denominare big bang l’evento da cui avrebbe avuto inizio, circa 15 miliardi di anni fa, l’espansione dell’universo, fu negli anni '20 del XX secolo il cosmologo inglese Fred Hoyle: Hoyle, che non era favorevole alla teoria, dava all'espressione un senso negativo, che si è andato perdendo nei decenni successivi con la progressiva affermazione dell'ipotesi.

Nel 1927 Georges Lemaitre, cosmologo belga, suggerì che il punto iniziale dell'universo, con la sua enorme densità, doveva avere anche una temperatura elevatissima e che della relativa radiazione termica dispersa nel big bang poteva esistere ancora una traccia. La temperatura di quella radiazione, con il passare del tempo, doveva essersi abbassata di molto, ma la radiazione avrebbe dovuto essere distribuita in modo uniforme. L'ipotesi di Lemaitre ebbe una conferma, oltre trent’anni più tardi, quando il radiometro di un telescopio dei Bell Laboratories, impiegato per seguire alcuni fra i primi satelliti per telecomunicazioni, registrò radiazione imprevista apparentemente inspiegabile. Nel 1965 Arno A. Penzias e Robert W. Wilson collegarono quella scoperta casuale alla teoria del big bang e, sulla base della temperatura della radiazione (2,726 Kelvin) e della sua uniformità, la identificarono come la radiazione cosmica di fondo, residuo del "grande scoppio" iniziale. Per questa scoperta, nel 1978 Penzias e Wilson sono stati insigniti nel 1978 del premio Nobel per la fisica.

Utilizzando insieme la teoria della relatività e la meccanica quantistica, sulla base anche della scoperta della radiazione di fondo, è stato possibile calcolare il comportamento dell'universo fino ai primissimi istanti dopo il big bang: con la prima espansione, quando la temperatura scese a livelli dell’ordine di 100 milioni di volte quella del nucleo attuale del Sole, i quark vagavano liberi in un mare di energia. Nel momento in cui le dimensioni dell'universo erano aumentate di 1000 volte, la materia riempiva ormai una regione grande quanto il sistema solare. Allora i quark cominciarono ad essere confinati all’interno di protoni e neutroni; quando le dimensioni erano aumentate di altre 1000 volte, neutroni e protoni cominciarono a formare i nuclei atomici, in particolare la maggior parte dell'elio e del deuterio esistenti. Tutti questi eventi ebbero luogo in un tempo brevissimo: circa un minuto dal big bang.

La cattura degli elettroni da parte dei nuclei atomici e la conseguente formazione di atomi neutri sarebbe avvenuta dopo 300.000 anni dall’inizio dell'espansione (in precedenza la temperatura era ancora troppo elevata per permetterla). Gli atomi neutri poi cominciarono ad addensarsi in nubi di gas, dalla cui evoluzione sono nate le stelle; la formazione delle prime galassie con l'aggregazione delle stelle sarebbe iniziata quando l'universo aveva raggiunto ormai dimensioni pari a un quinto di quelle attuali. Le abbondanze degli elementi leggeri che si ottengono mediante i calcoli della fisica quantistica corrispondono a quelle che si osservano effettivamente oggi e questo costituisce un ulteriore sostegno alla teoria del big bang.

La teoria del big bang presenta però anche dei problemi: se ne deduce, per esempio, che dovrebbero esistere ancora nell'universo attuale dei monopoli magnetici, particelle create nelle fasi iniziali del big bang e dotate di carica magnetica positiva o negativa solamente, che invece non sono mai state osservate. Rappresentano ulteriori problemi anche l'isotropia della radiazione cosmica di fondo, cioè la sua forte omogeneità in tutto l'universo e il valore calcolato per il rapporto fra densità critica e densità attuale dell'universo al momento del big bang. Queste difficoltà hanno portato alla formulazione di una “teoria dell'inflazione” (Aleksej Starobinskij, 1979 e Alan Guth, 1981), secondo la quale subito dopo il big bang l'universo si sarebbe trovato in uno stato fisico instabile che avrebbe provocato una forte repulsione gravitazionale e una altrettanto forte espansione per cui sarebbe cresciuto di 1050 volte nell'arco di una frazione minuscola di secondo, 10-32 secondi. La teoria del big bang, integrata da quella dell'inflazione, è, alla fine del XX secolo, la teoria più accreditata fra i cosmologi, anche se rimane non priva di difficoltà.