Gli effetti particolari di un grande botto

Quando arrivai a casa di Maria Stella, tutti gli amici erano già lì che mi aspettavano per sapere la soluzione del mistero delle “strutture” organizzate degli ammassi di galassie su grandissime distanze nell'Universo. Non ci fu tempo neanche per un cocktail... e allora anche io non persi tempo, e mi feci subito dare (dal figlio della padrona di casa) un palloncino gonfiabile.

Con un pennarello feci un piccolo scarabocchio sulla superficie del palloncino floscio, e poi lo gonfiai d'aria: quel segnetto quasi invisibile divenne allora una linea ben visibile man mano che il palloncino si espandeva. 'Ecco' – dissi – 'cosa è successo nell'Universo nel corso degli ultimi 14 miliardi di anni'. Mi guardarono tutti un po' perplessi: mi toccò spiegare meglio l'espansione dell'Universo.

Se osserviamo con un telescopio una certa stella in un qualunque momento della nostra vita, essa ci appare ovviamente sempre con la stessa luminosità, dato che la sua distanza da noi è sempre la stessa. Da parecchi decenni, tuttavia, sappiamo che lo stesso non vale per le galassie molto lontane; ovvero, all'osservazione esse appaiono che si stanno allontanando da noi, e più sono lontane, più si allontanano con maggiore velocità. Questa proprietà va sotto il nome di legge di Hubble e, naturalmente, non venne scoperta in analogia (contraria) alle osservazioni stellari guardando alla diminuzione dell'intensità luminosa, poiché quelle galassie sono molto lontane da noi, e non si riuscirebbe affatto ad apprezzare un cambio di luminosità dovuta all'allontanamento. Invece, Edwin Hubble scoprì il suddetto effetto guardando allo spettro elettromagnetico della luce emessa dalle galassie lontane, trovando che esso era spostato verso il rosso (ossia verso frequenze più basse, il rosso essendo il colore con la frequenza più bassa della luce visibile) rispetto quanto osservato per galassie vicine.

Ciò si manifesta solo quando la sorgente luminosa si allontana dall'osservatore, allo stesso modo in cui un treno o una ambulanza che fischia emette un suono che noi percepiamo più grave (ossia con frequenza più bassa) quando si allontana da noi (vedi l'articolo qui). Ora la cosa interessante (e, sotto un certo punto di vista, ovvia) è che tali galassie lontane non solo si allontanano da noi, ma si allontanano anche tra di loro, non essendo per nulla la nostra Terra un posto privilegiato nell'Universo.

Come è possibile tutto ciò? La spiegazione più semplice è proprio quella del palloncino di sopra: se disegnate delle galassie sopra un palloncino, come nella figura qui sotto, e poi gonfiate il palloncino, i disegni si allontanano gli uni dagli altri, e non solo rispetto ad un dato punto. Le stelle, le galassie, ecc. del nostro Universo, dunque, si comportano proprio come se fossero posizionate sulla superficie di un palloncino che si sta gonfiando: contrariamente ad un senso comune molto semplicistico, il nostro Universo non è per niente statico, ma in continua espansione, anche se di questa ce ne accorgiamo solo sulle scale molto grandi delle galassie lontane.

Ora, questa conclusione ne porta immediatamente un'altra ancora più intrigante. Se adesso il nostro Universo è in espansione, allora vuol dire che nel passato esso era più “piccolo” di adesso e, al limite, tanto tempo fa (circa 13.8 miliardi di anni fa), esso era praticamente ridotto ad un punto

È questo l'istante in cui è avvenuto il “grande botto”, il big bang, da cui tutta la materia (e l'energia) che ora vediamo, e che allora era concentrata praticamente in un punto, è “venuta fuori”, dando origine al nostro Universo. Questo, dunque, non si espande grazie ad una forza esterna come nel caso del palloncino gonfiato, ma grazie all'inerzia liberatasi da quello “scoppio”. Tuttavia, tale immagine “catastrofica” non deve essere presa troppo sul serio, poiché all' “inizio” non ci fu in realtà nessuno “scoppio” effettivo (o, comunque, certamente non sappiamo affatto cosa avvenne precisamente); essa serve solo come modello per visualizzare l'espansione dell'Universo, che invece è un dato di fatto osservato molto precisamente.

Un'altra conseguenza di tale espansione è che, come potete facilmente immaginare, se sul vostro palloncino floscio disegnate delle strutture molto particolari, spigolose, ecc., quando lo gonfiate esse si “dissolvono”, ossia il disegno spigoloso iniziale evolve in un disegno molto più “regolare”, in cui non riuscite più a notare alcuna struttura particolare. Il modello del big bang, dunque, porta con sé automaticamente la proprietà di omogeneità ed isotropia dell'Universo che abbiamo visto nell'articolo precedente. Se, però, tutto ciò è vero, come è possibile che si osservino quelle strutture particolari di ammassi di galassie su così grande scala, di cui si parlava la volta scorsa, se l'espansione porta inevitabilmente ad una omogeneizzazione di qualunque struttura iniziale?

La risposta, almeno in linea di principio, è semplice. Poco dopo il “grande scoppio”, per un motivo ancora non conosciuto precisamente, devono essersi generate delle perturbazioni nell'Universo primordiale (i ghirigori spigolosi sul palloncino floscio) che hanno prodotto delle piccolissime zone più dense di altre. Tali zone, essendo più massicce, generarono una forza di gravitazione (che è proporzionale alla massa) attrattiva più intensa, che quindi riusciva ad agglomerare più massa, formando delle strutture più “macroscopiche” che poi, col passare del tempo, diedero origine alle strutture osservate su grande scala. Tuttavia, tale meccanismo di “aggregazione” gravitazionale, che tenta di aumentare la densità di materia, è evidentemente contrastato dalla espansione generale dell'Universo, che invece tende a far diminuire la densità, “diluendo” la materia. Come in tantissimi altri casi ben noti, però, la contrapposizione tra due forze opposte porta alla insorgenza di una instabilità che evolve, sotto precise condizioni, inevitabilmente verso qualche evento inaspettato. Nel caso dell'Universo primordiale, l'instabilità gravitazionale dovrebbe amplificare talmente quelle piccole perturbazioni iniziali che, ad un certo punto, collassano e formano delle strutture indipendenti su cui l'espansione non ha più alcun effetto di “diluizione”, come nella figura qui sotto. Il condizionale è dovuto al fatto che lo studio della formazione di queste strutture è molto complicato, per cui delle risposte definitive ancora mancano.

Questo, però, non è affatto l'unico problema con l'espansione del nostro Universo, e qualcosa di ancora più problematico è all'orizzonte. Ma di questo se ne parlerà la prossima volta: il mio stomaco necessita di una “espansione” prodotta da almeno due o tre invitanti sandwich di Maria Stella!

S. Esposito, fisico