Fammi vedere il Big Bang

La storia più grande dell’Universo, che poi sarebbe l’Universo stesso, cominciò all’incirca 13 miliardi e 800 milioni di anni fa, quando qualcosa di straordinario accadde… ovunque. È importante sottolineare che ciò che diede inizio al tutto, e che chiamiamo Big Bang, non fu certo un’esplosione: quella avviene nello spazio.
Il Big Bang lo creò, lo spazio (e il tempo, per quanto ne sappiamo) e quindi avvenne in ogni singolo punto del nostro neonato Universo.

 

La fisica nucleare ci aiuta a ricostruire quello che accadde. Nei primi 3 minuti protoni e neutroni si unirono a formare i tre elementi chimici più leggeri: idrogeno, elio e litio. Si trattava pur sempre di ioni: a causa delle alte temperature (siamo intorno alla decina di miliardi di gradi) era molto difficile per gli atomi catturare elettroni per formare atomi elettricamente neutri. Per contro, i suddetti elettroni si dilettavano in un gioco interessante: interagivano scontrandosi con i fotoni – particelle di luce – attraverso un processo noto in fisica come scattering Thomson. Questi elettroni erano talmente tanti che i fotoni continuavano a cozzarci contro, procedendo a zig zag senza poter uscire da questa enorme “nuvola” e rimanendo intrappolati.

 

Tuttavia, questa situazione non poteva durare a lungo. L’espansione cosmica causata dal Big Bang diluì la quantità di elettroni presenti e abbassò la temperatura dell’Universo stesso [1], fino a quando vennero raggiunti i 3000 K circa. In quel momento gli elettroni divennero abbastanza lenti da permettere agli ioni di catturarli per formare atomi neutri. Senza elettroni liberi contro cui andare a sbattere, la luce, creata dal Big Bang stesso, fu libera di propagarsi nello spazio: per la prima volta l’Universo divenne trasparente.

 

Per lo stesso fenomeno che rende incandescenti i metalli, la luce che permeò l’Universo aveva colore arancione. Man mano che l’espansione cosmica procedeva, la temperatura diminuiva, la luce diventò prima rossa e poi si spostò nell’infrarosso, dove l’occhio umano non è in grado di vedere.

Miliardi di anni dopo, mentre Arno Penzias e Robert Wilson erano intenti a costruire un radiometro per comunicazioni via satellite, si imbatterono in un disturbo, un segnale di rumore nella banda delle microonde. Questo si presentava sia di giorno che di notte (quindi non poteva venire dal Sole né dalla Luna), e proveniva da tutte le direzioni (quindi non era prodotto dalla Via Lattea, che occupa solo una striscia nel cielo). Pur non sapendo come interpretarlo, i due scienziati stimarono che la temperatura dell’oggetto che emetteva questo rumore dovesse essere di circa 3 K [2]. Valore che non era troppo distante dalle stime di George Gamow, Ralph Alpher, Robert Herman e Robert Dicke per un’eventuale “radiazione fossile dell’Universo”. Cioè era l’Universo stesso ad emettere quel rumore. Correva l’anno 1964 e per la prima volta l’uomo aveva osservato la luce del Big Bang o, per chiamarla col proprio nome, la Cosmic Microwave Background (CMB, radiazione cosmica di fondo a microonde).

 

Mezzo secolo e un premio Nobel a Penzias e Wilson più tardi, la missione spaziale WMAP ha scattato una fotografia alla CMB, che immortala i primi vagiti dell’Universo “appena” 380.000 anni dopo la sua nascita.

Quest’immagine è da intendere come un mappamondo visto dall’interno e rappresenta l’intero cielo come lo vedremmo se i nostri occhi fossero in grado di captare le microonde. Nei punti rossi/gialli la temperatura è leggermente più alta di quella nei punti blu: questo riflette il fatto che la luce che ci arriva ha in media una frequenza maggiore nei primi e minore nei secondi. Si tratta di differenze piccolissime [3], ma di estrema importanza. Infatti, non solo i punti rossi sono più caldi, ma anche più densi. Queste sovradensità hanno attirato la materia circostante in ragione della maggiore forza di gravità che esercitavano, crescendo fino a formare le più grandi strutture che oggi osserviamo nell’Universo: non capita di rado che in corrispondenza dei punti rossi si trovi un ammasso di galassie!

Grazie alle missioni spaziali e non che negli anni si sono susseguite, oggi sappiamo che l’Universo è un bagno termico alla temperatura di 2,7255 K [4] e che ogni suo centimetro cubo contiene poco più di 400 fotoni prodotti dal Big Bang.

 

Il Manuale del bravo cosmologo riporta a riguardo un piccolo aneddoto. Chi, come chi scrive, ha vissuto l’epoca della TV analogica ricorda perfettamente quando l’antenna “non prendeva”. Ovviamente capitava sempre nel momento dei cartoni animati e per questo ci si disperava osservando in cagnesco quella maledetta schermata di rumore bianco, prodotta da interferenze tra segnali terrestri ed altri radio segnali provenienti dallo spazio… e dalla CMB.

 

Sì, circa l’1% della “neve” che vedevamo su quel monitor era proprio la CMB. Dopotutto, tra canali TV e radiazione cosmica di fondo, sempre di microonde si tratta [5]. Ad averlo saputo vent’anni fa, magari ci saremmo arrabbiati meno e stupiti di più. E avremmo pensato che non c’è niente di meno romantico di un raggio di luce che viaggia in lungo e in largo per il cosmo per quasi 14 miliardi di anni e va a morire in un tubo catodico.

 

Gabriele

 

 

[1] Quando un gas si espande si raffredda! Succede anche nel motore delle automobili.

[2] Che equivalgono a circa -270 °C. Freddo, neh?

[3] Le differenze sono dell’ordine di 1 parte su 100.000.

[4] Come misurato dall’ultimo esperimento spaziale Planck nel 2015.

[5] L’antenna TV riceve segnali tra i 100 e gli 800 MHz. A queste frequenze il segnale della CMB è molto forte, anche se la sua massima intensità viene raggiunta a 160 GHz.

 

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