Astroarte - Cosmologia: breve storia del big bang, radiazione cosmica di fondo e legge di Hubble

Breve storia della teoria del big bang

È risaputo che fu Albert Einstein a dare inizio alla teoria del big bang, ma non tutti sanno che nel 1917, anno in cui fu pubblicata la teoria della relatività generale che gettò le fondamenta della cosmologia moderna, egli non credeva in un universo in espansione. Arrivò ad accettare tale possibilità solo nel 1932 grazie ad alcune soluzioni compatibili con un universo in espansione trovate proprio nelle sue equazioni, con le quali la stessa teoria del big bang trovò conferma.

Dell'universo in espansione si ebbero i primi indizi già dal 1914, ma prima dell'opera di Einstein mancavano le fondamenta su cui basare tale teoria. A quei tempi le strumentazioni ottiche e le tecniche fotografiche non permettevano risoluzioni elevate delle galassie e si riteneva che queste fossero delle nebulose non diverse dalle reali nebulose che si osservavano all'interno della Via Lattea. Non si aveva motivo per pensare che in realtà fossero sistemi stellari esterni alla nostra galassia perché non si avevano cognizioni adeguate su quanto in realtà fossero distanti questi oggetti celesti e su come interagissero tra loro nell'universo.

Il primo ad avere la possibilità di comprendere la reale dinamica dell'universo fu Vesto Melvin Slipher, un astronomo americano che lavorava al Lowell Observatory in California. Mentre studiava quella che allora era chiamata la "Nebulosa" di Andromeda, scoprì che si stava allontanando a velocità elevatissima. Nel 1914 aveva già verificato la regressione di tredici nebulose (in realtà galassie), ma non ipotizzò alcuna teoria che giustificasse il loro moto di allontanamento, non si rese conto dell'importanza della scoperta.

A trovare la prima soluzione che prediceva una "esplosione" dell'universo nelle equazioni di Einstein fu Willem De Sitter, un astronomo e cosmologo olandese che, nel 1917, fece ricerche pionieristiche sulla teoria della relatività appena pubblicata. Egli ipotizzò un universo finito e illimitato, in cui le galassie si allontanino l'una dall'altra come ipotetici punti posti sulla superficie di un palloncino che si gonfia sempre di più. Un osservatore posto in qualunque punto della sua superficie avrebbe la sensazione di trovarsi al centro del moto di espansione ma in realtà si troverebbe agli estremi.

Dopo la Prima guerra mondiale l'universo teorizzato da De Sitter fu oggetto di molte discussioni fra gli scienziati e altri nomi noti, tra cui Aleksandr Fridman, George Gamow, Georges Lemaître e il famoso astronomo inglese Arthur Eddington, fecero ricerche sulle equazioni di Einstein per trovare conferma della teoria.
Il matematico russo Aleksandr Fridman scoprì un banale errore nell'apparato matematico di Einstein e trovò un'altra soluzione delle sue equazioni che prevedeva un universo in espansione.

Anche Georges Lemaître, prete belga che fu allievo di Eddington, scoprì nel 1927 una soluzione delle equazioni che prevedeva un universo in espansione.

Arthur Stanley Eddington fu l'organizzatore e il public relations del gruppo di ricercatori e contribuì enormemente alla divulgazione della teoria del Big Bang di De Sitter e delle ricerche di Lemaître e di Hubble.

Edwin Hubble fu invece il primo a comprenderne il significato delle scoperte di Slipher venendo a conoscenza delle sue osservazioni. Si iniziò così a parlare di universo in espansione senza una base teorica che potesse giustificare lo strano comportamento di queste "nebulose dinamiche". Einstein conosceva questi studi ma impostò ugualmente la sua teoria in maniera da non considerare tale possibilità perché non la riteneva fondata. Hubble, avendo la fortuna di poter lavorare col più grande telescopio del mondo di quel tempo, il riflettore di 2,5 m di Monte Wilson, assieme al collega Milton Humason, divenne il grande osservatore e raccoglitore di dati empirici del gruppo di sostenitori della teoria del Big Bang.
Hubble dimostrò che queste nebulose erano in realtà universi-isole esterni formati da miliardi di stelle e non nubi di gas all'interno della Via Lattea.
Egli dimostrò inoltre la sorprendente relazione fra velocità e distanza delle galassie formulando la Legge di allontanamento delle galassie (quanto maggiore la distanza, tanto maggiore la velocità di recessione). Nel 1929, misurando gli spostamenti Doppler delle righe spettrali di galassie di cui era nota la distanza, trovò una diretta proporzionalità tra la loro velocità di allontanamento e la loro distanza, espressa dalla relazione: v = H x d, dove v è la velocità di allontanamento in chilometri al secondo, d è la distanza in Mpc ed H è la costante di proporzionalità, detta anche costante di Hubble. La misura della costante di Hubble è estremamente difficile e delicata. Il valore più attendibile è 100 km/sec x Mpc, ottenuto dall'astronomo francese G. De Vaucouleurs nel 1979. Quindi, una galassia con v = 1000 km/sec si trova a una distanza di circa 10 Mpc (Vedi "Unità di misura in astronomia").
Dopo ben quindici anni dalla pubblicazione della teoria generale della relatività e dopo aver esaminato gli studi e le ricerche di Hubble, Einstein ammise la probabilità che la struttura generale dell'universo non sia statica. Accettò finalmente l'idea dell'universo in espansione e ammise l'errore più grave della sua carriera scientifica: il cambiamento da lui introdotto in principio nelle sue equazioni perché il concetto di un universo instabile, in espansione, gli sembrava inaccettabile.

George Gamow, che fu allievo di Fridman, trovò indipendentemente un'altra soluzione simile a quella di Fridman. Fu Gamow ad ipotizzare per primo un universo primario come un "atomo primordiale" gigantesco. Scienziato nato in Russia ed emigrato negli Stati Uniti nel 1933, modernizzò e perfezionò la teoria dell'universo in espansione di Lemaître e a lui si deve l'espressione "teoria del big bang". Negli anni trenta e quaranta, Gamow lavorò con i colleghi Ralph Alpher e Robert Herman alla teoria del big bang della creazione degli elementi (la cosiddetta nucleogenesi). Dalla loro ricerca emerse infine nel 1948 la teoria della radiazione del globo di fuoco cosmico e del suo residuo nell'universo attuale. Questa radiazione residua, nota come Radiazione cosmica di fondo fu finalmente scoperta nel 1964 da due tecnici del New Jersey:

Arno Penzias e Robert Wilson, entrambe ricercatori della Compagnia dei telefoni americana Bell. Mentre studiavano le sorgenti dei rumori radio nel dominio delle micro-onde, scoprirono un segnale anomalo. Cercando di eliminare l'interferenza nelle comunicazioni, captata dalla gigantesca antenna a corno del radiotelescopio di Holmdel dove lavoravano, scoprirono che il "rumore radio" proveniva da tutte le direzioni e non trovava alcuna plausibile connessione con sorgenti terrestri o celesti. La radiazione era uguale a quella che sarebbe emessa da un corpo perfettamente radiante a una temperatura di 2,7 Kelvin al di sopra dello zero assoluto (-270,3°C). Secondo i calcoli di alcuni teorici doveva essere a questo livello il calore residuo della radiazione del big bang primordiale. Esso stava recedendo praticamente alla velocità della luce ed era perciò spostato verso l'estremo rosso dello spettro, cosicché la sua temperatura originaria di 3000 Kelvin sembrava essere diminuita di un migliaio di volte. La radiazione a microonde da loro rilevata proveniva quindi dall'origine dell'universo. È il residuo della superficie del globo primordiale dell'inizio del tempo, subito prima che esso si fosse raffreddato abbastanza da consentire all'universo di apparire trasparente, e agli atomi e alla materia di cominciare a formarsi dalle particelle subatomiche. La scoperta di Penzias e di Wilson, arrivata a confermare la teoria del big bang, fu altrettanto accidentale quanto lo era stata, vari decenni prima, quella della recessione delle galassie da parte di Slipher.

L'universo probabilmente ebbe origine da una grande esplosione. L'espandersi dell'Universo fece sì che la densità e la temperatura della materia diminuissero fino al punto da permettere la formazione di atomi e molecole (3 000 - 300 000 anni dopo il big bang) e, in un secondo tempo, la formazione delle nubi di gas da cui, in seguito, ebbero origine le galassie. Va però sottolineato che i termini scoppio, espansione, ecc., hanno reale significato solo nell'ambito della teoria matematica che descrive il Big Bang e non vogliono affatto indicare una esplosione nel senso comune del termine. Le ultime ricerche sulla struttura e la dinamica dell'universo volgono a descriverlo come un universo piatto e infinito, ossia illimitato e destinato ad espandersi all'infinito (per saperne di più).