La Cosmologia nel passato

La visione che del mondo avevano i popoli dell’antichità era intrisa di elementi mitologici e religiosi. Essi spesso prescindevano da un’attenta analisi da quello che l’universo mostra anche ad un uomo privo di alcuno degli strumenti forniti dalla tecnologia.

Forse il più semplice tentativo di ottenere informazioni sulla struttura dell’universo è l’osservazione della Via Lattea anche con semplici strumenti: già Galileo con il suo telescopio dimostrò che quella striscia biancastra che solca il cielo estivo è formata da miriadi di stelle.
 
 

Cosa è la Via Lattea

Il Sole, con la sua corte di pianeti, è una delle centinaia di miliardi di stelle che formano la nostra Galassia, chiamata Via Lattea.

Come già era stato intuito un paio di secoli fa da Herschel, la Galassia ha una forma molto appiattita a mo’ di disco, ed il fatto che noi ci troviamo in essa fa sì che guardando nelle direzioni lungo il piano del disco, le stelle sembrano ammassarsi fino a perdersi in uno sfondo biancastro che taglia la volta celeste. Esso è ben visibile solo nelle notti limpide, senza il chiarore della Luna e lontano dalle luci cittadine.

Oggi, superate le interpretazioni che volevano il Sole al centro della Galassia (Kapteyn nel 1900 aveva dedotto ciò dai conteggi di stelle nelle varie direzioni lungo la fascia della Via Lattea) è noto che la nostra Galassia è un agglomerato di almeno 200 miliardi di stelle (con i loro eventuali pianeti), di nubi gassose e di nubi di polveri oscure. E’ un disco ruotante (diametro di circa 100.000 anni luce) non omogeneo in cui la maggior parte delle stelle, soprattutto quelle di recente formazione, sono raggruppate nei bracci di spirale. Le stelle più vecchie stanno in maggioranza nell’alone (raggruppate soprattutto in "ammassi globulari") e nel "bulge" (il rigonfiamento centrale) (vedere figura 1).
 

Miliardi di galassie…

La concezione anticipatrice del filosofo Kant, che interpretava la Galassia come "Universi isole", è stata ormai verificata dalle osservazioni. Infatti molti di quegli oggetti celesti, i più luminosi visibili anche con semplici binocoli, che in passato erano chiamati indistintamente nebulose, sono in realtà immensi agglomerati stellari posti al di fuori della nostra Galassia, cioè altre galassie.

Oggi il Telescopio Spaziale "Hubble" ci permette di fare una stima del numero di galassie presenti nell’Universo accessibile: almeno 50 miliardi.
 
 

…uguali o diverse dalla nostra

Nella figura 2 sono riportati i principali tipi di galassie. La Via Lattea è una galassia a spirale. Le galassie ellittiche, oltre che per la forma, si caratterizzano per l’assenza di materia gassosa tra le loro stelle, cosicché i processi di formazione stellare sono, allo stato attuale, scarsamente attivi.

Molte galassie manifestano evidenze di fenomeni violentissimi nel loro centro (dove è ipotizzata la presenza di enormi buchi neri) e grazie alle osservazioni nei raggi X e nelle onde radio si sa che circa il 5% di galassie manifesta questi fenomeni peculiari.
 
 

Il Big Bang

Le equazioni della relatività generale di Einstein, che governano (in base alla forza di gravità) la struttura dello spazio, sono molto complesse. Nel 1917 Einstein constatò che esse portano ad un universo in espansione (o in contrazione) ma non volle prendere in considerazione la possibilità di un universo non statico; così introdusse nelle sue equazioni una "costante cosmologica".

Nel 1929 Hubble mostrò evidenze osservative (basate sulla spettroscopia delle galassie) per un universo in espansione.

Nel 1965 Penzias e Wilson rivelarono una debole emissione nelle onde radio proveniente da ogni direzione della volta celeste: questa radiazione di fondo è un’altra evidenza, dopo l’espansione, che l’universo è nato da una immane esplosione: il Big Bang.

Nell’istante del Big Bang tutto l’universo doveva essere concentrato in un punto: tutto lo spazio era un punto con densità e temperatura infinite.
 
 

L’Universo nel passato

Lo spazio e il tempo devono essersi originati circa 10-15 miliardi di anni fa. Per ricavare questa data di nascita è stato necessario stimare quanto rapida è l’espansione dell’Universo (ossia misurare quella che è chiamata costante di Hubble) e quindi arrivare al momento in cui il "tutto" doveva essere concentrato in un punto ("singolarità"). Il Big Bang diluì l’energia della singolarità in spazi sempre più grandi e dopo 300.000 anni, quando la temperatura diminuì a sufficienza, la luce si disaccoppiò dalla materia.

Nel frattempo si formavano gli atomi più semplici (idrogeno ed elio).
 
 

La curvatura dell’Universo

La forza di gravità "curva" lo spazio - tempo. Quindi se la densità media di materia presente nel cosmo fosse abbastanza alta (più di 4× 10^-3 g/cm³), la gravità tenderebbe a "richiamare" ogni parte del cosmo su di sè fornendogli una "curvatura positiva". Ciò vuole anche significare che un ipotetico viaggio nel cosmo in una direzione costante finirebbe con il ritorno al punto di partenza, così come (nel caso bidimensionale) quando ci si muove sulla superficie di una sfera.

Nel caso in cui la densità media fosse inferiore al valore critico, l’universo sarebbe curvato dalla gravità, ma non efficacemente "richiamato" su se stesso ("curvatura negativa"). Se anche in questo caso ci rifacciamo alla situazione bidimensionale non abbiamo più la superficie di una sfera ma quella di un iperboloide (superficie a forma di sella da fantino) (vedere figura 3).

Esattamente in una situazione di mezzo sta il caso di un "Universo piatto". Per varie ragioni è questo il modello favorito dalle teorie fisico - matematiche. Per rendere possibile tale struttura è stato necessario supporre un’epoca, immediatamente successiva al Big Bang, in cui l’universo subì un’espansione ultrarapida (fase dell’inflazione).
 
 

Il destino dell’Universo

Per avere un’idea del futuro del cosmo bisogna capire quale è la sua curvatura. Solo nel caso di universo a curvatura positiva, l’espansione dell’intero Universo potrà rallentare a tal punto, per effetto dell’attrazione gravitazionale, da richiudersi su se stesso, in un remoto futuro. Oggi pare che la densità dell’universo non basti, ma che essa sia minore del valore critico necessario per avere un universo piatto.

Recentissime osservazioni, basate sullo studio di esplosioni stellari (supernove) su lontanissime galassie, tenderebbero a favorire la possibilità che l’universo sia soggetto a una qualche forza espansiva che si oppone efficacemente alla gravità.

Giuseppe Marino