L’universo è tutto ciò che possiamo toccare, sentire, sperimentare, misurare o rilevare. Comprende esseri viventi, pianeti, stelle, galassie, nubi di polvere, luce e anche tempo. Prima della nascita dell’universo, il tempo, lo spazio e la materia non esistevano. Ogni nostro gesto, ogni nostro pensiero direziona la nostra energia all’interno in ogni cellula e si espande attorno a noi, diffondendosi in tutto l’universo.

Così come scorre veloce il sangue nelle vene, proprio così scorre anche l’energia, anzi è più veloce….  ma non la possiamo vedere, toccare, non è materiale, ma è la prima manifestazione di noi stessi. L’universo contiene miliardi di galassie e ogni galassia contiene milioni o miliardi di stelle. Lo spazio tra le stelle e le galassie è in gran parte vuoto. Lo spazio contiene inoltre radiazioni (per esempio luce e calore), campi magnetici e particelle altamente energetiche (per esempio i raggi cosmici).

La storia dell’universo secondo la tesi più accreditata nella comunità scientifica si può far iniziare con un evento spiegato dalla «teoria del Big Bang», espressione coniata dallo scienziato George Gamow. Si ritiene che, prima di questo evento, tutta l’energia e tutta la materia dell’attuale Universo fossero compresse in un punto infinitamente piccolo; con il Big Bang si ebbe la liberazione di questa energia, a seguito della quale tutte le particelle di materia iniziarono a formarsi e ad allontanarsi rapidamente le une dalle altre.

Subito dopo l’esplosione, che sarebbe avvenuta intorno a 13,7 miliardi di anni fa, la temperatura era di circa 100 miliardi di gradi Celsius (°C). La materia era presente sotto forma di particelle con carica positiva, chiamati protoni, oppure prive di carica, i neutroni; a causa dell’elevata energia, queste particelle si scontravano tra loro aggregandosi e formando così quelli che sarebbero divenuti i primi nuclei atomici. Successivamente, quando l’Universo raggiunse una temperatura di circa 2500 °C, i protoni presenti nei nuclei cominciarono ad attrarre piccole particelle con carica negativa, detti elettroni, che resero possibile la formazione dei primi atomi.

A partire da questi atomi, col passare del tempo, si sono originati tutti i pianeti e le stelle del nostro Universo, compresi la Terra e il Sole

Una delle prove a sostegno di questa ipotesi è la radiazione diffusa che ancora persiste dall’ipotetico inizio dell’universo. Lo stato della materia prima del Big Bang non è descrivibile in termini fisici, trovandosi essa in uno stato chiamato dai fisici “singolarità”.
Mentre le ipotesi sul futuro dell’universo variano dall’espansione illimitata ad un fenomeno di espansione-contrazione, possibile conseguenza di un universo chiuso, niente si conosce di ciò che è accaduto prima del Big Bang: probabilmente il tempo è nato in quel momento.
L’interpretazione sulle origini dell’universo è una questione al confine tra scienza e filosofia. Alcune di queste teorie postulano cicli infiniti di morte e rinascite dell’universo, altre addirittura postulano l’esistenza non solo del nostro ma di altri universi.

Nel XX secolo vennero formulati tre tipi di modello:

• Quello dell’universo chiuso che si evolve verso un destino di collasso della materia che finirà con un gigantesco evento, il Big Crunch.

• Quello stazionario che comporta un universo statico, che non cambia.

• Quello aperto che prevede un universo che tende ad espandersi all’infinito.

LE STELLE

Le stelle si formano all’interno di gigantesche nubi di gas e polvere, molto fredde e rarefatte. Sono composte per la maggior parte da idrogeno, l’elemento chimico più comune nel Cosmo. L’attrazione gravitazionale reciproca tra le particelle di gas fa sì che esse si attraggano, e la nube molto lentamente si addensi. Gli urti tra le particelle diventano più frequenti e il gas si riscalda. Tutto questo continua per un tempo lunghissimo, centinaia di milioni di anni, fino a che nel centro della nube la densità e la temperatura del gas non sono diventate molto alte.

A quel punto, gli urti tra le particelle di idrogeno diventano così violenti che esse cominciano a “fondersi” a quattro a quattro, dando luogo a una particella di elio. Questo fenomeno si chiama “fusione nucleare” e produce una grande quantità di energia. Ogni secondo, nel centro del Sole, ben 600 milioni di tonnellate di idrogeno vengono trasformati in 596 milioni di tonnellate di elio: 4 tonnellate di massa ogni secondo vengono trasformate in energia dalle reazioni nucleari. Le stelle trascorrono la maggior parte della propria esistenza emettendo radiazione a spese della propria massa grazie alla fusione. Durante questa lunghissima fase, nella quale consuma l’idrogeno presente nel suo centro, la stella si trova in equilibrio.

Per poter bruciare un altro combustibile nucleare, bisogna che la temperatura nel centro della stella aumenti ancora. La stella si contrae, si riscalda e iniziano nuove reazioni nucleari. Questa reazione produce una grande quantità di energia; per dissiparla, la stella deve espandersi, e diventa una gigante rossa: “gigante” perché il suo volume è molto maggiore di una stella normale, “rossa” perché la sua temperatura è diminuita e la luce che essa emette ora non è più bianca o gialla, ma rossastra. Anche il Sole diventerà una gigante rossa, fra cinque miliardi di anni. Durante quella fase, il suo raggio aumenterà di 100 volte.

L’evoluzione delle stelle di grande massa, diciamo almeno 6 o 7 volte quella del Sole, non solo è molto più breve, ma è anche molto violenta.

LA MATERIA OSCURA

In cosmologia con materia oscura si definisce un’ipotetica componente di materia che non è direttamente osservabile, ed occupa quasi il 90%, della massa presente nell’universo. Il fatto che la materia più diffusa nell’Universo sia “oscura” non significa solo che è invisibile ai nostri occhi o quasi del tutto sconosciuta: è oscura perché non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica, né nello spettro della luce visibile, né nei raggi X e nemmeno nelle altissime energie.

Gli scienziati hanno elaborato molte teorie sulla natura della materia oscura. Alcuni credono che possa trattarsi di oggetti normali, come gas freddi, galassie poco luminose o oggetti compatti e massicci di alone. Altri scienziati credono che la materia oscura potrebbe essere composta da particelle strane che si sarebbero create all’inizio della vita dell’Universo. Tali particelle includerebbero gli assioni, particelle massive debolmente interagenti (chiamate WIMP), o neutrini.

Capire di che cosa è composta la materia oscura è molto importante per capire le dimensioni, la forma e il destino futuro dell’Universo. La quantità di materia oscura nell’Universo determinerà se questo è aperto (cioè se continuerà a espandersi all’infinito), chiuso (cioè se si espanderà fino a un certo punto per poi cominciare a contrarsi e a collassare su se stesso) oppure piatto (cioè se si espanderà fino a un certo punto e poi si fermerà, raggiunto l’equilibrio). Comperndere la materia oscura aiuterà anche a spiegare definitivamente la formazione e l’evoluzione delle galassie e degli ammassi. Quando una galassia ruota su se stessa, infatti, dovrebbe disgregarsi. Questo non avviene, quindi vi dev’essere qualcosa che la tiene insieme. Questo qualcosa è la gravità. La quantità di forza gravitazionale richiesta per tenere insieme la galassia, tuttavia, è enorme e non può essere generata dalla sola materia visibile che compone la galassia: ci dev’essere dunque anche una gran quantità di materia oscura.

L’ENERGIA OSCURA

Secondo alcuni mezzi di comunicazione una recente ricerca avrebbe confutato la scoperta dell’espansione accelerata dell’universo, che nel 2011 è stata premiata con il premio Nobel per la fisica. Le cose però non stanno così…

In queste settimane, alcuni mezzi di comunicazione hanno sparato titoli come “L’universo è in espansione, ma non a tasso accelerato. Una nuova ricerca smonta la teoria premiata con il Nobel.” Questa eccitazione è dovuta a un articolo pubblicato da poco su “Scientific Reports” intitolato Marginal evidence for cosmic acceleration from Type Ia supernovae. Dopo aver letto lo studio, però, si può tranquillamente dire che non c’è alcuna necessità di rivedere la nostra attuale concezione dell’universo. Tutto l’articolo non fa che ridurre leggermente la nostra certezza su quello che sappiamo, e per di più solo scartando la maggior parte dei dati cosmologici su cui si basa la nostra comprensione dell’universo. E ignora anche dettagli importanti nei dati che considera. Ma anche tralasciando questi problemi, i titoli sono comunque sbagliati. Lo studio ha concluso che ora siamo sicuri solo al 99,7 per cento che l’universo sta accelerando, il che non è certo la stessa cosa di “non sta accelerando”.
 La scoperta iniziale che l’universo si sta espandendo a un tasso accelerato è stata fatta da due gruppi di astronomi nel 1998 usando supernove di tipo Ia come strumenti di misura cosmici. Le supernove – stelle che esplodono – provocano alcune delle più potenti esplosioni di tutto il cosmo, più o meno equivalenti a un miliardo di miliardi di miliardi di bombe atomiche che esplodano in una sola volta. Quelle di tipo Ia sono particolari perché, a differenza di altre supernove, esplodono tutte sempre con la stessa luminosità o quasi, probabilmente a causa di un limite di massa critica. Questa somiglianza significa che le differenze nelle loro luminosità osservate sono quasi interamente legate a quanto distanti sono. E questo le rende ideali per misurare le distanze cosmiche. Inoltre, sono oggetti relativamente comuni, e sono così luminose che possiamo vederle a miliardi di anni luce di distanza. Questo ci mostra come appariva l’universo miliardi di anni fa, e quindi possiamo paragonarlo a come appare oggi.

Per la loro coerenza queste supernove sono spesso chiamate “candele standard”, ma sarebbe più corretto chiamarle “candele standardizzabili” perché in pratica la loro precisione e accuratezza può essere ulteriormente migliorata tenendo conto delle piccole differenze nelle loro esplosioni, osservando il tempo necessario all’esplosione per dispiegarsi e quanto vira verso il rosso il colore delle supernove a causa della polvere tra noi e loro. La ricerca del modo per rendere solide queste correzioni è stato ciò che ha portato alla scoperta dell’accelerazione dell’universo.

Il recente articolo che ha dato origine a quei titoli ha usato un catalogo di supernove di tipo Ia messo insieme dalla comunità scientifica (noi compresi), che è stato analizzato già numerose volte. Ma gli autori hanno usato un diverso metodo di calibrazione, e crediamo che questo comprometta l’accuratezza dei risultati. Gli autori assumono che le proprietà medie delle supernove di ciascuno dei campioni usati per misurare la storia dell’espansione siano uguali, anche se è stato dimostrato che sono diverse, e analisi effettuate in passato hanno dato conto di queste differenze. Tuttavia, anche ignorando queste differenze, gli autori trovano comunque che c’è una possibilità del 99,7 per cento circa che l’universo stia accelerando: qualcosa di molto diverso da quello che suggeriscono i titoli. Inoltre, la straordinaria fiducia degli astronomi nel fatto che l’universo si stia espandendo più velocemente di quanto avvenisse miliardi di anni fa è basata su molto più che sulle misurazioni delle supernove, fra cui le piccole fluttuazioni nello schema del calore residuo dopo il Big Bang (vale a dire, la radiazione cosmica di fondo) e l’impronta di quelle fluttuazioni nell’attuale distribuzione delle galassie che ci circondano (le cosiddette oscillazioni barioniche acustiche). Lo studio ignora anche la presenza di una notevole quantità di materia nell’universo – confermata numerose volte e con metodi diversi fin dagli anni settanta – riducendo ulteriormente la fiducia in quell’analisi. Questi ulteriori dati mostrano – in modo indipendente dalle supernove – che l’universo sta accelerando. Se combiniamo queste altre osservazioni con i dati sulle supernove, si passa da una sicurezza del 99,99% a una del 99,99999%. Questo è abbastanza sicuro!

Attualmente sappiamo che l’energia oscura – quella che crediamo essere la causa dell’espansione accelerata dell’universo – costituisce il 70 % dell’universo, mentre la materia costituisce il resto. La natura dell’energia oscura è ancora uno dei misteri più grandi di tutta l’astrofisica. Ma da quando questo quadro si è consolidato un decennio fa, non c’è stato alcun dibattito veramente approfondito sul fatto che esista l’energia oscura, né che l’universo stia accelerando. Ora sono in corso molte nuove indagini, sia a terra sia nello spazio, la cui priorità nel corso dei prossimi due decenni è capire esattamente che cosa potrebbe essere questa energia oscura. Per ora, dobbiamo continuare a migliorare le nostre misurazioni e mettere in discussione i nostri presupposti. Anche se questo recente articolo non smentisce alcuna teoria, è pur sempre buono per indurre tutti noi a fermarci un attimo e ricordare quanto sono impegnative le domande che poniamo, il modo in cui abbiamo raggiunto le attuali conclusioni e con quanta serietà dobbiamo testare ogni elemento costitutivo della nostra conoscenza.