Galassie e Universo - INAF - Osservatorio Astronomico di Padova

Salve ragazze e ragazzi!
Passiamo ora a vedere i dati ed i concetti fondamentali per
quanto riguarda l’Universo.
Abbiamo poco spazio e anche troppo poco tempo per entrare
nei dettagli che sarebbe importante riportare e quindi quella
che faremo è una esposizione molto serrata. Con questo
speriamo di poterti dare i mezzi, se ti piacerà l’argomento, per
approfondire
questa
parte
dell’Astronomia
che
tratta
dell’Universo come un tutt’uno: la Cosmologia.
Attenzione però a non confondere le cose, quando diciamo “una teoria” non parliamo di una
“opinione” come un'altra. Ricordiamoci quanto abbiamo detto più volte nelle pagine precedenti,
non per essere noiosi ma perché è un dato fondamentale della ricerca scientifica:
prima si
osserva il segnale che ci arriva dai corpi celesti, dopo averlo raccolto lo si analizza e misura,
per procurarsi dei dati ed infine, ragionando sui dati, si costruisce una teoria che li interpreti e,
possibilmente, preveda anche altri fenomeni oltre a quelli da cui siamo partiti. Lo ribadiamo
perché nel seguito dobbiamo dare molte affermazioni “per scontate”, per ragioni di spazio.Lo
faremo il meno possibile, ma non vogliamo che questo ti generi l’idea che gli scienziati
costruiscono le loro ipotesi come semplici opinioni.
Spesso ci facciamo delle domande, che forse dipendono molto, troppo, da “categorie” che
abbiamo nella nostra vita comune di tutti i giorni, ma che hanno poco senso riportate allo
studio dell’Universo. Ci chiediamo quindi se e quando l’Universo ha avuto un inizio, parliamo
della sua “storia” , usiamo parole come nascita, vita, morte, prima, dopo, sotto, sopra, che
derivano dalla nostra esperienza sensoriale e umana. Dobbiamo fare attenzione perché queste
parole generano automaticamente, o per meglio dire inconsciamente, nella nostra mente delle
esperienze che nulla hanno a che fare con l’Universo o la Fisica. Ovviamente l’Universo non
nasce né muore né è giovane o vecchio.
Chiarito tutto questo partiamo per vedere quale è lo stato attuale della conoscenza
sull’Universo,
ovvero
quale
sia
la
Cosmologia
attuale.
Oggi
la
teoria
cosmologica
predominante, anche se non unica, è quella del Big Bang. L'idea fondamentale deriva
dall’osservazione che le galassie appaiono tutte allontanarsi le une dalle altre, in un Universo
che quindi si starebbe espandendo.
La teoria del
Big Bang ci dice poi, in forza del “principio cosmologico” che ne sta alla base
come l’Universo abbia “un’età” finita, che dalle misure attuali piazziamo fra i 13 e i 14 miliardi
di anni. Sappiamo già da tempo che la velocità della luce è elevatissima, ricordiamolo 300.000
chilometri al secondo circa,
ma comunque finita, e quindi possiamo pensare di osservare
l’Universo “a ritroso” nel tempo, fino al momento, se esiste, in cui l’espansione è iniziata.
Più lontano guardiamo, ovvero più gli oggetti che osserviamo sono lontani da noi, più andiamo
a ritroso anche nel tempo, anche se, per non fare confusione, sarebbe meglio dire indietro
nelle varie fasi di evoluzione dell’Universo stesso. Se lo facciamo, e riusciamo a farlo,
troviamo che l'Universo diventa sempre più caldo e denso, abbastanza da impedire alla luce,
ma anche ad ogni altro segnale elettromagnetico, di propagarsi nello spazio. Aumenta cioè la
sua opacità, che è il contrario della trasparenza.
Andando fino all’inizio dell’espansione arriviamo, nel senso che la teoria prevede questo,
ad uno stato di “singolarità”, ad un Universo in cui le distanze diventano nulle e temperatura e
pressione infinite.
Questo ci dice che questa teoria, e le leggi fisiche che utilizziamo per
costruirla, hanno superato il limite della loro validità ed applicabilità. Ogni teoria, infatti ha
dei limiti di applicazione entro i quali è definita.
Pensiamo comunque,sulla base delle osservazioni che abbiamo fatto, che l’espansione abbia
avuto origine
oltre 13 miliardi di anni fa, partendo da uno stato che non sappiamo ancora
descrivere. Da questo stato l’Universo “emerge” completamente pieno delle prime particelle
elementari e di radiazione elettromagnetica. E’ però ancora opaco e perché divenga
“trasparente” per i segnali elettromagnetici, e quindi noi si possa riceverli, occorre far
trascorrere 2-300.000 anni.
Se ci basiamo sulla osservazione della radiazione elettromagnetica, luce visibile, onde radio,
radiazione X, la teoria ci dice dunque che comunque non riusciamo ad andare oltre a questo
limite dei 2-300.000 anni, “prima”, verso le origini, l’Universo era completamente opaco.
Se vogliamo andare oltre occorre cambiare completamente metodo, dobbiamo cercare e
osservare ma nel modo giusto. La teoria prevede che oltre quel limite si possa andare
osservando altri “messaggeri di informazione” diversi dalle radiazioni, ed esattamente i
neutrini e le onde gravitazionali, entrambi presenti nell’Universo anche molto prima dei
300.000 anni dal Big Bang. Anche di quei momenti, lontanissimi nel tempo da noi ma
vicinissimi al Big Bang, pensiamo sia possibile ottenere delle immagini, anche se ben diverse
da quelle che siamo abituati a vedere, a patto di cercare nel modo giusto e con i rivelatori
giusti capaci di farci “vedere” le onde gravitazionali ed i neutrini . Per essere chiari non ci
siamo ancora riusciti, ma pensiamo di essere abbastanza prossimi al risultato..
Potrebbero essere quindi neutrini e le onde gravitazionali, o meglio i loro effetti, a farci capire
cosa stava succedendo in quei primi istanti dell’Universo.
Se la teoria del Big Bang è giusta infatti, nei primi momenti, fino a 200-300.000 anni dopo il
Big Bang, comunque vennero ad esempio prodotti neutrini. Questi sono
“inafferrabili”
particelle elementari nel senso che viaggiano nello spazio praticamente indisturbati poiché
molto difficilmente interagiscono con la materia stessa. Proprio per questa loro capacità di
non interagire col resto della materia, e quindi anche con gli strumenti di misura, la loro
rilevazione è di estrema difficoltà. Per rivelare una radiazione o una particella è indispensabile
infatti che essa interagisca con la materia, basta banalmente pensare alla pellicola fotografica
ed a cosa succede quando scattiamo una fotografia: le particelle di luce interagiscono con le
sostanze della emulsione della pellicola (composti di alogenuro di argento) e vanno a formare
l’immagine complessiva.
In quel periodo iniziale dell’Universo debbono poi, secondo la teoria, essere state prodotte
delle onde gravitazionali, che interagiscono anch’esse in modo estremamente debole con la
materia.
Se riuscissimo quindi
a osservare gli effetti provocati dai neutrini e dalle onde
gravitazionali provenienti dalle epoche a ridosso del Big Bang avremmo dei dati sicuri per poter
studiare quello che accadde alle origini dell’evoluzione.
Alcuni
neutrini li conosciamo perché li abbiamo osservati nel nostro Sole e sicuramente
vengono prodotti, con energie però molto diverse da quelli che sarebbero stati prodotti subito
dopo il Big Bang, in fenomeni come le Supernovae, eventi in cui le stelle di grande massa,
almeno 10 volte quella del Sole, terminano la loro evoluzione “esplodendo” e rilasciando in
pochi attimi milioni e milioni di volte l’energia emanata dal Sole in tutta la sua esistenza.
Andando avanti nell’Evoluzione dell’Universo possiamo chiederci quando allora si siano formati
i primi oggetti celesti, le prime protostelle e protogalassie? Questo è un interrogativo ancora
abbastanza aperto, anche se oggi pensiamo di essere molto vicini alla soluzione grazie a
mappe come quella qui sotto, prodotta dal satellite WMAP, che ci fa vedere il “fondo cosmico”
alla lunghezza d’onda delle microonde.
Come abbiamo detto la teoria del Big Bang
prevede che l’Universo all’inizio fosse
estremamente caldo ed in espansione. Man mano che questa procedeva il gas esistente
divenne sempre più freddo e l’Universo si riempì di radiazione, che per certi versi possiamo
considerare essere l’impronta del calore iniziale del Big Bang. Questo è quel chiamiamo “fondo
cosmico”, invisibile ovviamente ad occhio nudo poiché, nello stato di evoluzione in cui ci
troviamo oggi, corrisponde ad una radiazione emessa nella banda elettromagnetica delle
microonde, ovvero ad una temperatura di 2.725 gradi sopra lo zero assoluto, oltre 270 gradi
centigradi sotto zero. Il “calore” del Big Bang è quindi ancora dappertutto nell’Universo, ma
corrisponde a temperature “freddissime”!
Quella ottenuta dal satellite WMAP è quindi l’immagine della prima “luce”, ovvero radiazione di
un qualche tipo,
che sia comparsa nell’Universo ed anche,per il discorso dell’opacità che
abbiamo fatto prima, quella più vicina al Big Bang che potremo mai ottenere. I diversi toni di
grigio che vedi nell’immagini danno le differenze di temperatura nelle varie zone del cielo con
la precisione di circa dieci milionesimi di grado! Ci “dicono” che in quello stadio evolutivo
nell’Universo erano presenti delle leggerissime disomogeneità della materia. E’ proprio da
queste, che si sono in seguito evolute, che si sono formati i primi oggetti celesti, come se
queste leggerissime disomogeneità della radiazione di fondo fossero dei
“semi” da cui si è
evoluta, nel corso di miliardi di anni, la struttura del cosmo che osserviamo oggi.
Possiamo
quindi
dell’espansione,
dire
che
nel
gas
che
andava
raffreddandosi
rapidamente
per
via
si sono create delle piccolissime differenze di temperatura, qualche
milionesimo di grado, che hanno provocato delle disomogeneità nella materia. Da queste ha
avuto inizio la formazione prima e la aggregazione poi dei corpi celesti a partire dalle particelle
del gas.
Se poniamo quindi la domanda “quando ha iniziato ad aggregarsi la materia” non troveremo,
per il momento, una risposta precisa, ma in questi ultimissimi anni sono stati fatti passi da
gigante sia nella teoria che nell’osservazione, grazie ai nuovi strumenti montati a bordo di
satelliti o sui telescopi a Terra.
Se guardiamo quest’immagine possiamo farci un’idea di quanto di meglio si riesce a produrre
oggi. Per ottenerla lo Hubble Space Telescope è stato utilizzato per ben quattro mesi, alla fine
del 2003 e, successivamente, c’e’ voluto il
lavoro di diecine di astronomi e specialisti
nell’elaborazione dei dati.
Quella che vedi è l’immagine più “profonda” di una zona di cielo mai ottenuta osservando nella
radiazione visibile. Accumulando ora dopo ora i segnali provenienti dalle galassie si è potuto
registrare anche quelli, debolissimi, delle più lontane e mai viste prima. Più lontano significa
anche più distante nel tempo come sappiamo ed infatti le galassie più distanti riprese in
quest’immagine, stanno a miliardi e miliardi di anni luce e sono, probabilmente, fra le prime
comparse nell’Universo, fra 0.5 ed 1 miliardo di anni dopo il Big Bang.
E’ ovviamente un risultato superlativo, una vera pietra miliare per l’umanità, ma per capire
meglio questo passaggio fondamentale dell’evoluzione dell’Universo e’ necessario fare di più, e
lo si farà, nel prossimo decennio con la prossima generazione di telescopi e satelliti
astronomici.
Oggi pensiamo che le
galassie si siano formate con un processo continuo e gerarchico di
fusione, in cui quelle più piccole si sono formate per prime e sono andate ingrandendosi via
via
fondendosi le une con le altre, in un processo governato dall’attrazione gravitazionale.
Dato che la gravità è proporzionale alla massa, è semplice capire come la formazione delle
galassie sia governata dalla materia oscura, così chiamata semplicemente perché non
emette alcun segnale, che pensiamo rappresenti almeno il 23 % del contenuto di massa ed
energia dell’Universo, contro un piccolo 4% della materia “normale”.
Il rimanente 73% di questo rapporto fra massa ed energia sarebbe rappresentato
dall’energia “oscura”. Attenzione a non fare confusione o equivocare con il termine “oscura”,
che evoca un po’ la fantscienza. L’energia oscura è chiamata così semplicemente perchè
pensiamo che ci sia anche se non sappiamo di che cosa si tratti, ma capiamo che
contrasta l’attrazione gravitazionale su scale di distanza molto grandi, riuscendo ad
accelerare l’espansione dell’Universo.
Si tratta insomma di uno dei problemi attuali,
irrisolti, dellaricerca astronomica, su cui moltissimi scienziati stannolavorando. Già perché se
non ci hai pensato finora avresti dovuto chiederti “Come mai l’Universo continua ad
espandersi?” La materia dovrebbe attrarsi proprio per mutua attrazione gravitazionale, per
cui, esaurita una eventuale “spinta iniziale”, l’Universo dovrebbe contrarsi dopouna fase di
rallentamento, un po’ come quandosi lancia una palla attaccata ad un elastico. Ed invece
osserviamo una continua espansione. Qualcosa deve essere “responsabile” di questo, ed è
quello che chiamiamo “energia oscura” che è al centro, oggi di moltissime ipotesi e ricerche.
Tutto quello che vediamo, e che abbiamo studiato nel corso di secoli, sarebbe quindi solo il
4% di quanto realmente esista sotto forma di massa o energia. L’esistenza dell’energia oscura
era peraltro già stata ipotizzata da Albert Einstein, che la chiamava con il nome di “costante
cosmologica”.
Una volta che le galassie si sono formate esse procedono nella loro evoluzione ingrandendosi
per successive fusioni. Il processo di formazione è continuo, avviene anche oggi, e la classe
più numerosa di galassie che si formano è rappresentata da quelle di piccola massa. Le grandi
galassie che vediamo attorno a noi, compresa la nostra Via Lattea, sarebbero quindi il risultato
finale di vari processi di fusione avvenuti nei miliardi di anni che ci separano dalla formazione
delle singole galassie componenti.
Ma le galassie come sono “oggi” le conosci già! E con questo abbiamo chiuso il cerchio
dell’avventura Alla scoperta del Cielo e ci congediamo da te.