Le sfere del tempo

Fin dall'antichità filosofi e studiosi hanno rappresentato il cielo come una sfera; oggi i planetari sono delle cupole sulle quali viene proiettata la volta celeste in modo che gli spettatori possano contemplare il cielo notturno anche di giorno; i corpi celesti sono per lo più sferici ed anche uno stolto, osservando l'avvento di un plenilunio, si rende conto di osservare un oggetto sferico. La sfera è una "forma" speciale nel nostro mondo tridimensionale perché la superficie rappresenta il luogo delle equidistanze: ciò che osserviamo intorno a noi può essere sempre incluso in una sfera più o meno grande, e più spingiamo lo sguardo lontano e più è naturale pensare di essere al centro di una enorme palla: forse questo è stato anche l'equivoco che ha montato la testa ai primi uomini pensanti che hanno creduto per secoli di stare al centro dell'universo.

Le sfere intorno a noi rappresentano inaspettatamente non solo la distanza a cui può spingersi il nostro sguardo ma anche lo scorrere del tempo; essendo la velocità della luce finita, tutto ciò che osserviamo (proprio attraverso alla radiazione luminosa che ci raggiunge) rappresenta un tempo trascorso. Se osserviamo oggetti a 100 metri di distanza li stiamo osservando come erano 0,000000033 secondi prima, mentre se osserviamo il sole (non fatelo mai senza un filtro apposito perché reca danni permanenti alla vista!!) lo stiamo ammirando come era 500 secondi fa.

Ci si può spingere fino a quando la vista o gli strumenti ci supportano ed arrivare a misurare una radiazione che giunge a noi da una sfera di circa 13,7 miliardi di anni fa; il problema è che quando scrutiamo il cielo è molto difficile capire a quale sfera del tempo gli oggetti appartengano. Ad esempio se osserviamo una torre in lontananza sarà difficile valutarne l'esatta distanza, ma se tra la costruzione e noi si frappone una collina più vicina, e poi un altra ed infine una casa, conoscendo le distanze di questi oggetti intermedi, potrò cercare di stimare a quale sfera del tempo appartenga la torre. Nello spazio più si guarda lontano e più è difficile avere punti di riferimento ma nonostante la ardua sfida gli astronomi negli anni hanno misurato dei particolari fenomeni (supernova tipo Ia) per poter avere delle "candele" di riferimento che si potessero usare per calcolare a quale sfera del tempo appartengano gli oggetti e le radiazioni che ci giungono dalla profondità dello spazio.

Poi c'è la radiazione di fondo, il red shift, la materia oscura, ed altri stupefacenti fenomeni che hanno aiutato gli scienziati a ricostruire non solo la mappa dell'universo ma anche la sua storia, e chi lo sa, forse anche il suo futuro (anche se non mi fiderei troppo visto gli errori che fanno nelle previsioni meteo).

Una mappa 3d di un aporzione di universo

La notte nera forse sarà meno scura

Classica domanda da bambino curioso: perché il cielo di notte è nero?

Un adulto risponderebbe senza dubbi che il motivo è la mancanza del Sole, che di giorno rischiara il cielo ma che di notte si nasconde dietro alla Terra facendo apparire tutto buio e scuro.

Certamente la luce solare è la ragione delle giornate luminose e calde ma il motivo per cui di giorno il cielo non è nero è che l'atmosfera che circonda la terra diffonde la luce facendo apparire il cielo azzurro; sulla Luna, per esempio, il cielo appare nero anche con il Sole sopra l'orizzonte. 

Quindi lo spazio è sempre nero nonostante sulla Terra a volte non ci appaia così. E perché dovrebbe stupirci la cosa? Lo spazio è pieno di stelle, si ipotizza 300.000 miliardi di miliardi, ed in un universo infinito ed eterno, la luce proveniente da questa pletora di soli incandescenti, qualunque direzione si scelga, sarebbe già giunta a rischiarare un pezzettino di cielo. Moltiplichiamo anche una flebile luce per il numero si stelle e capiamo che il cielo dovrebbe essere luminoso, giorno e notte.

Di conseguenza il fatto che il cielo di notte sia nero significa innanzi tutto che l'universo non è infinito ma che ha un limite, non un bordo spaziale, ma uno temporale, a circa 13,7 miliardi di anni. Dato che la luce viaggia attraverso l'universo, ed il viaggio dura parecchio, quando puntiamo il telescopio nel cielo, stiamo in realtà osservando indietro nel tempo. Quindi quando osserviamo la luce vecchia di 13,5 miliardi di anni, non è che non vediamo le stelle solo perché la loro luce non ci ha ancora raggiunti - non vediamo nessuna stella perché stiamo guardando l'universo nel periodo precedente alla formazione di qualsiasi stella.

In realtà i potenti telescopi quando puntato lo spazio profondo non vedono completamente nero, infatti è rilevabile una "luce" di fondo che ci arriva dagli attimi successivi al big bang.  E si rileva che questa “radiazione cosmica di fondo” arriva più o meno uniformemente da tutte le direzioni, creando un fondo oltre le stelle. Ma se i telescopi ci dicono che il cielo di notte non è nero, allora perché a noi appare nero? Le stelle e le galassie si stanno allontanando da noi perché l'universo è in espansione, quindi anche la luce del big bang si allontana velocemente, e come la sirena di un ambulanza cambia tono allontanandosi, per l'effetto doppler, la luce che si allontanano da noi diventa più rossa, e più velocemente si allontana e più rossa diventa, fino a diventare infrarossa e quindi invisibile ai nostri occhi.

Forse ora la notte vi apparirà meno buia.

FONTE: minutephysics

Una polaroid del big bang

E' comparsa come trafiletto su tutti i giornali ma si candida ad essere la scoperta scientifica dell'anno, e forse in ambito cosmologico anche del decennio: sono state osservate da un telescopio al polo sud, appositamente progettato, le prove che ci sia stata effettivamente l'inflazione al principio della storia dell'universo. 

Spiegata così sembrerebbe in effetti una scoperta tecnicissima, alle quali è difficile esultare o battere il cinque al nostro vicino sul bus, ma se accompagnato ad un concetto apparentemente complesso ci fosse uno sforzo nel trovare un immagine accattivante e più digeribile, forse quello scatto di entusiasmo potremmo averlo anche noi cosmo-ignoranti. Quindi partiamo alla ricerca di questa rappresentazione esaltante della notizia noiosa.

Fino dagli anni sessanta è stata rilevata la radiazione cosmica di fondo, un segnale debolissimo che ci giunge dalla spazio da ogni direzione, in qualsiasi punto rivolgiamo un radiotelescopio, e non è servito molto tempo per capire che quei fotoni (la luce e le onde radio sono semplicemente composte dalle stesse particelle) giungevano a noi direttamente dal big bang, o meglio da qualche istante successivo (questa si che sembrò essere una notizia spettacolare). 

Possiamo vedere una istantanea dei primi vagiti dell'universo, anche se preferirei dire che la radiazione cosmica di fondo assomiglia di più ad un parto, all'istante della nascita vera e propria (mentre il big bang è più simile al concepimento); eppure lo sanno tutti che l'universo è nato circa 13,7 miliardi di anni fa con il grande botto! Bene, probabilmente è avvenuto proprio questo, ma l'immagine della radiazione è una foto di come in un certo istante, la radiazione e l'energia si siano separate dalla materia, dando finalmente origine a tutto ciò che osserviamo nella forma attuale. Nella pratica, circa 400.000 anni dopo il big bang (il tempo di gestazione), mentre era in processo un lento raffreddamento, i fotoni sono riusciti a liberarsi dalla gabbia di plasma ed hanno iniziato a vagare liberi per lo spazio in espansione. 

Proprio questo spazio però ha avuto origine in un altro momento distinto e la sua formazione deve essere stata qualcosa di veramente particolare: osservando le variazioni di densità della bolla primordiale (una sorta di palla di lava minuscola e densissima scaturita appunto dal big bang), i teorici svilupparono il modello inflazionistico, che io ribattezzo in italiano della superespansione: infatti era impossibile spiegare come da una palla minuscola e quantisticamente ribollente si potesse arrivare, dopo miliardi di anni di allargamento continuo e costante, all'universo attuale che invece ci appare omogeneo e piatto in tutte le direzioni. 

Quindi partendo dalle due foto a disposizione, quella del cosmo omogeneo osservabile attualmente e quella estrapolata dalla radiazione di fondo dell'universo neonato, instabile e disomogeneo, gli scienziati hanno partorito la teoria inflazionistica o della superespansione, l'unico modo attualmente trovato per spiegare un cambiamento così radicale dalla prima situazione alla odierna, teorizzando una espansione improvvisa dello spazio, ad una velocità superiore a quella della luce (tanto lo spazio non è ne materia ne energia e non deve sottostare ai limiti della relatività). Una espansione inimmaginabile tanto che la definirei la nascita dello spazio vero e proprio, da una capocchia di spillo ad un miliardo di chilometri, in un tempo infinitesimale (un miliardesimo di secondo).

I modelli matematici ci dicono che i conti tornano molto bene e che prevedono anche altri fenomeni come la formazione di onde gravitazionali durante la superespansione dello spazio; queste onde che incresparono il tessuto spazio temporale, proprio come quando scuotiamo una tovaglia per ripulirla, impressero ai fotoni della radiazione primordiale delle particolari direzioni di propagazione, delle polarizzazioni, come se le briciole sulla precedente tovaglia volassero via in particolari direzioni  in base alla forza con la quale la scuotiamo. In realtà ai fotoni in fuga venne impressa una particolare polarizzazione, proprio come quando una lente polaroid filtra la luce facendo passare solo i fotoni che appartengono allo stesso piano di propagazione.

Ed arriviamo  alla notiziona: se il modello teorico predice tutte questi fenomeni, quelli osservati e quelli no, possiamo andare alla ricerca di questi ultimi per avere ulteriore conferma della teoria!

Quindi si è costruito appositamente un osservatorio al polo sud, il BICEP2, per misurare alcune caratteristiche dei fotoni della radiazione di fondo predette dalla teoria della superespansione e neanche a crederci i dati sulla polarizzazione dei fotoni sono perfettamente coerenti con le predizioni.

Un'altra polaroid della storia del nostro universo ed un altro grosso applauso agli scienziati paparazzi. 

La storia dell'Universo in 3 minuti

Nulla, nulla, nulla, niente, nulla, nulla, fluttuazione quantistica, materia e antimateria annichiliscono, nulla di fatto, nulla, nulla, niente, nulla, nulla, nulla, nulla, fluttuazione quantistica, materia e antimateria si separano, BIG BANG! L'orologio comincia a camminare...
(10^-10 sec = 0,0000000001 secondi!!!)

(10^-43 secondi) Tanta energia (in realtà tutta la materia e l'energia dell'Universo), no spazio, tantissimo caldo (miliardi di miliardi di miliardi di gradi)

(10^-35 secondi) Troppo allo stretto con sto caldo, improvvisa creazione dello spazio, tanto caldo (milioni di miliardi di miliardi di gradi)

(10^-32 secondi) Finalmente si sta al largo (un miliardo di chilometri), appaiono le forze in modo separato (nucleare,gravità) , meno caldo (milioni di miliardi di gradi)



(10^-6 secondi) Finalmente si sta al fresco (miliardi di gradi), i quark possono interagire per creare gli adroni (i mattoncini della materia), l'espansione dello spazio continua (100 miliardi di Km)

(100 secondi) Ora c'è spazio per tutti (1000 miliardi di Km), i mattoncini possono interagire per creare la materia come la vediamo oggi (elio), sempre più freddo (1 miliardo di gradi)

(3 minuti dal BIG BANG) Dalla accecante luce di plasma iniziale ora tutto sembra più opaco anche se la temperatura media è di 100 milioni di gradi, si creano i primi atomi di idrogeno

(300 000 anni) Ormai si è innescato il processo di creazione di atomi mentre la luce nata dalla improvvisa espansione continua a vagare nello spazio lasciando una radiazione di fondo

(200 milioni di anni) Nascono le Megastelle

(500 milioni di anni) Nasce la stella più antica che l'uomo sia riuscito ad osservare HE 1523-0901

(1 miliardo di anni) Nascono probabilmente le prime galassie

(3,7 miliardi di anni) Nasce la Via Lattea, la nostra galassia

(8,5 miliardi di anni) Si forma il nostro sistema solare

(9 miliardi di anni) Prende forma il nostro pianeta Terra

(10,5 miliardi di anni) Prime forme di vita compaiono sulla Terra

(13,699998 miliardi di anni) Compaiono i primi ominidi

(13,7 miliardi di anni) Ora attuale al meridiano di Greenwich


Fonte: http://it.wikipedia.org/wiki/Storia_dell'universo

Il Big Bang ha detto....... Start!

Con quale grado di sicurezza possiamo oggi far coincidere l'inizio di tutto con la teoria del Big Bang? Il cosiddetto modello cosmologico standard si basa effettivamente su dati concreti ed oggettivi? Sono domande che nascono spontanee a chi si avvicina per la prima volta alle scienze astronomiche e sente discutere delle teorie inerenti all'istante in cui sarebbe nato l'universo, inteso come l'insieme dello spazio e del tempo in cui noi viviamo, orbitano i pianeti, le galassie si formano, etc  etc.

Se partiamo dal principio, non dell'universo ma della storia della teoria, possiamo tornare agli anni in cui Einstein, dopo aver formulato la relatività generale ed averla vista confermare dalle osservazioni astronomiche, godeva di grande fama con la conseguenza che scienziati di tutto il mondo iniziarono ad utilizzare le sue formule per calcolare eventuali conseguenze della teoria ancora ignote (anche ad Einstein stesso); uno di questi fu Alexander Friedmann, matematico russo, che derivando le equazioni di  Einstein rilevò che l'universo doveva essere in espansione, in contrasto con ciò che si era creduto fino ad allora e che lo stesso Einstein si era rifiutato di evincere dalla propria teoria.

La prima prova sperimentale fu portata da Hubble nel 1929, che mostrò che le galassie intorno alla nostra si stavano allontanando, dando nuovo interesse ai calcoli di Friedmann, ma fu Lemaìtre, qualche anno dopo, che arrivò alla conclusione che, andando a ritroso nel tempo, l'attuale espansione si sarebbe trasformata nella graduale contrazione fino ad un unico singolo punto in cui tutta la materia dell'universo sarebbe stata compressa (nucleosintesi).

La seconda prova, molto interessante perché pronosticata, è quella dell'osservazione della radiazione cosmica di fondo; George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman già nel 1948 predissero la misurazione di una emissione di temperatura nel fondo del cielo che fu effettivamente e casualmente rilevata dai radiostrumenti di Penzias e Wilson nel 1965. In pratica si misura una quasi omogenea temperatura del fondo cosmico che proverebbe il fatto che tutto ciò che vediamo sia stato per un certo tempo a stretto contatto nelle prime evoluzioni dopo il Big Bang: curioso che fino a qualche tempo fa le televisioni analogiche, se sintonizzate su frequenze libere da emittenti, visualizzassero nell'immagine scostante e granulosa di disturbo anche il segnale di tale radiazione cosmica.

La terza prova sarebbe l'abbondanza di Elio-4 (circa il 25%) e la presenza nell'universo di elementi chimici in determinate percentuali: infatti grazie al modello della nucleosintesi primordiale è possibile  calcolare il processo di formazione degli elementi nei primi istanti dopo il Big Bang e siccome alcuni di essi, come ad esempio l'elio-4, sono molto stabili e difficilmente si combinano con altri elementi, allora se l'abbondanza che ne misuriamo oggi è simile a quella prevista dal modello, possiamo altresì pensare che non si tratti di coincidenza; se poi moltiplichiamo la prova per altri elementi ed isotopi come il litio-7, tutto ciò diventa più che un indizio.

Possiamo concludere dicendo che comunque esistono teorie alternative a quella del Big Bang ma che nessuna ha alle spalle una così forte pletora di prove ed indizi, e che se pur portando rispetto alle varie credenze religiose, consiglierei vivamente le autorità varie, guru e santoni, vescovi e  rabbini, imam e cohen, di integrare presto nel loro modello religioso quello del Big Bang, tanto possono ancora sbizzarrirsi su ciò che è accaduto prima.