Big Bang

In astrofisica, il termine Big Bang è usato sia nel senso ristretto che si riferisce all'intervallo di tempo posto circa 13,7 miliardi di anni fa, quando i fotoni osservati nella radiazione cosmica di fondo acquistarono il loro spettro di corpo nero, sia nel senso più generale di un ipotetico punto nel quale iniziò l'espansione dell'Universo osservata oggi, che è formalizzata dalla Legge di Hubble.

In cosmologia, la Teoria del Big Bang è la teoria scientifica predominante riguardo ai primi momenti dell'Universo e alla sua forma. L'idea centrale è che l'osservazione che le galassie appaiono allontanarsi l'una dall'altra può essere combinata con la teoria della relatività generale per estrapolare le condizioni dell'Universo all'indietro nel tempo. Questo porta alla conclusione che, andando indietro nel tempo, l'Universo diventa sempre più caldo e denso.

Questa visione porta molte conseguenze: una è che l'Universo è adesso molto diverso da com'era nel passato o come sarà nel futuro. La teoria del Big Bang predice che, in un qualche momento, la materia dell'Universo era abbastanza calda e densa da impedire alla luce di propagarsi liberamente nello spazio. Nei primi anni '40 venne predetto che questo periodo dell'Universo sarebbe stato osservabile sotto forma di radiazione cosmica di fondo, e la scoperta di tale radiazione negli anni '60 portò la maggioranza degli scienziati a favorire questa teoria rispetto alla sua rivale principale, la teoria dello stato stazionario.

Usando le teorie fisiche correnti per estrapolare l'espansione di Hubble all'indietro porta ad una singolarità gravitazionale, in corrispondenza della quale tutte le distanze diventano zero e temperatura e pressione diventano infinite. Cosa questo significhi è poco chiaro, e la maggior parte dei fisici pensano che tali risultati derivino dala nostra limitata comprensione delle leggi della fisica, in particolare la mancanza di una teoria della gravitazione quantistica.

Alcuni cosmologi mettono in discussione certi assunti della teoria del Big Bang e hanno sviluppato varie cosmologie non-standard.

Ci sono in realtà numerose teorie riguardo al Big Bang. Alcune cercano di spiegare la causa del Big Bang stesso, e come tali sono state criticate per essere moderni miti della creazione. Alcune persone pensano che la teoria del Big Bang dia credito alle nozioni tradizionali della creazione, per esempio come esposte nella Genesi, mentre altre pensano che tutte le teorie del Big Bang siano incompatibili con tali nozioni. La relazione tra religione e Big Bang è discussa più sotto.

Introduzione

Basandosi su misure dell'espansione dell'Universo usando le Supernovae di tipo Ia, misure delle disomonegeità della radiazione cosmica di fondo, e misure della funzione di correlazione delle galassie, si pensa che il Big Bang sia avvenuto 13,7 ± 0,2 miliardi di anni fa. Il fatto che queste tre misure separate di tre cose completamente differenti siano in buon accordo tra di loro è considerato una forte evidenza in favore della teoria.

L'Universo come lo conosciamo era inizialmente quasi uniformemente riempito da energia, ed estremamente caldo. Mentre le distanze nell'Universo crescevano rapidamente, la temperatura scendeva, portando alla creazione delle forze fondamentali della fisica conosciute, delle particelle elementari, ed eventualmente di atomi di idrogeno ed elio in un processo chiamato nucleosintesi primordiale.

Col tempo, le regioni leggermente più dense della materia (che era distribuita quasi, ma non del tutto, uniformemente) si raddensarono sotto l'effetto della gravità in gruppi, formando nubi di gas, stelle, galassie e le altre strutture astronomiche osservate oggi. I dettagli di come la formazione ed evoluzione delle galassie avvenne dipendono dal tipo di materia dominante nell'Universo, e i tre modelli in competizione per spiegarli sono conosciuti come materia oscura calda, materia oscura fredda e materia barionica. Questi tre modelli sono stati testati usando simulazioni al computer, ed osservazioni della funzione di correlazione galattica.

Al momento non si sa se la singolarità descritta più sopra sia stata una realtà fisica, o sia un artificio matematico derivato da un'estrapolazione della relatività generale al di fuori del suo campo di applicazione. La soluzione di questo problema dipende da una teoria conosciuta come gravità quantistica, che al momento non è ancora conosciuta. Nonostante questi problemi, molti lavori teorici hanno provato ad investigare cosa accaadde "prima" del Big Bang, anche se questa parola va usata in senso lato in quanto, secondo la visione classica, il tempo nacque col Big Bang. Alcuni di questi sforzi riguardano l'Universo ekpyrotic, ed hanno investigato anche il principio antropico.

Nella relatività generale, si parla in genere di spaziotempo e non è possibile separare chiaramente lo spazio dal tempo. Nella teoria del Big Bang, questa difficoltà non è presente: si assume che il postulato di Weyl sia corretto, e che il tempo possa essere misurato in maniera non ambigua come il "tempo dal Big Bang".

Lo stesso Big Bang non fu un'esplosione di materia che si muoveva verso l'esterno per riempire un Universo vuoto preesistente. Invece, fu la nascita e la rapida crescita dell'Universo stesso, spaziotempo compreso. A causa di questo, la distanza tra galassie molto distanti aumenta più velocemente della velocità della luce. Questo non vìola le regole della relatività speciale, la quale è valida solo come teoria locale. Essa stabilisce, tra le altre cose, che la materia e l'informazione non possono muoversi nello spazio più velocemente della luce, ed è empiricamente non valida per concetti spaziotemporali globali (perché ignora la forza di gravità).

Storia della teoria

Nel 1927, il prete belga Georges Lemaître fu il primo a proporre che l'Universo iniziò con l'esplosione di un "atomo primevo". In precedenza, nel 1918, l'astronomo di Strasburgo Wirtz aveva misurato un sistematico spostamento verso il rosso di certe "nebulose", e lo chiamò correzione-K, ma non sapeva delle implicazioni cosmologiche, né che le supposte nebulose erano in realtà galassie al di fuori della nostra Via Lattea.

La teoria della relatività generale di Albert Einstein, sviluppata in questli anni, aveva come risultato che l'Universo non poteva rimanere statico, un risultato che Einstein stesso considerò sbagliato, e che cercò di correggere aggiungendo una costante cosmologica che comunque non risolveva il problema. Applicare la relatività generale alla cosmologia fu un lavoro svolto da Alexander Friedman, le cui equazioni descrivono l'universo di Friedman-Robertson-Walker.

Negli anni '30, Edwin Hubble trovò evidenze sperimentali che giustificavano la teoria di Lemaître. Usando di nuovo le misure di spostamento verso il rosso, Hubble determinò che le galassie distanti si stanno allontanando in ogni direzione a velocità (relativamente alla Terra) direttamente proporzionali alla loro distanza, un fatto conosciuto come Legge di Hubble.

La recessione delle galassie suggeriva due possibilità. Una, sviluppata e sostenuta da George Gamow, era che l'Universo iniziò in un tempo finito del passato e si era espanso nel frattempo. L'altra era la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle, in cui nuova materia era creata mentre le galassie si allontanavano l'una dall'altra, in modo che l'Universo in ogni momento sarebbe apparso più o meno come in ogni altro momento. Per molti anni queste due teorie si divisero equamente il supporto degli scienziati.

Col tempo però, tutte le evidenze osservative davano sempre più credito alla teoria del Big Bang, e dalla metà degli anni '60 questa è stata considerata la miglior teoria disponibile sull'origine e l'evoluzione del cosmo, e quasi tutto il lavoro teorico in cosmologia si occupa di estensioni e raffinamenti della teoria di base del Big Bang. Al momento i cosmologi si concentrano su come le galassie si sono formate nel contesto del Big Bang, capire cosa accadde al momento del Big Bang, e riconciliare le osservazioni con la teoria.

Alla fine degli anni '90 e all'inizio del XXI secolo furono fatti grossi passi avanti nella cosmologia del Big Bang, come diretto risultato di grandi avanzamenti nella tecnologia dei telescopi e di nuovi dati da satelliti come COBE e WMAP. Questi dati hanno permesso agli astronomi di calcolare molti dei parametri del Big Bang con maggiore precisione e hanno portato una nuova scoperta inaspettata, che l'espansione dell'Universo sembra essere in in accelerazione.

Nel corso degli anni sono stati trovati molti lati deboli nella teoria del Big Bang, ma fino ad ora essi sono stati risolti da estensioni e raffinamenti come l'inflazione cosmica. Al momento (2004), non vi sono nella teoria del Big Bang debolezze che sono viste come fatali da molti o anche da una grossa minoranza di cosmologi. Comunque, alcuni cosmologi continuano a sostenere cosmologie non-standard in cui il Big Bang non avviene.

La ricerca corrente tenta di raffinare il Big Bang includendo un modello della materia contenuta nell'Universo per spiegare il processo di formazione delle galassie. La maggior parte dei modelli correnti sono basati sulla nozione di materia oscura fredda, che ha soppiantato gli altri modelli di materia oscura calda e materia barionica. I modelli basati sulla materia oscura fredda hanno ancora qualche conflitto con le osservazioni, tra cui il problema delle galassie nane e il problema dell'alone a cuspide.

Vedi anche: Cronologia del Big Bang

Evidenze osservative

Nel descrivere le evidenze per il Big Bang, occorre distinguere tra osservazioni che sono consistenti anche con altre teorie, ed osservazioni che non sono spiegate facilmente da altre teorie. La categoria precedente include le osservazioni che portano ad ipotizzare un Universo isotropo, che le galassie si allontanano l'una dall'altra, e che il cielo è scuro (vedi il paradosso di Olbers). Mentre queste osservazioni sono tutte consistenti con la teoria del Big Bang, ognuna di esse è anche consistente con almeno un'altra teoria, come la teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle e l'Universo al plasma di Hannes Alfven.

Le osservazioni che sono facilmente spiegate nel modello del Big bang ma che incontrano difficoltà nell'essere spiegate dalle altre teorie sono le seguenti:

Radiazione cosmica di fondo

Una caratteristica del modello del Big Bang fu la predizione negli anni '40 della scoperta della radiazione cosmica di fondo, o CMBR dall'acronimo inglese. Secondo il modello, quando tutta la massa/energia dell'Universo emerse dall'esplosione primordiale, la densità iniziale dell'Universo dev'essere stata incredibilmente alta. Poiché la materia si raffredda quando diventa meno densa, anche la temperatura doveva essere estremamente alta. In effetti, la temperatura delle prime fasi dell'Universo doveva essere così alta che la materia come la conosciamo non poteva esistere, perché le particelle elementari erano troppo energetiche per potersi legare in atomi.

Col tempo, mentre la temperatura dell'Universo scendeva, la teoria predice che forme più familiari di materia sarebbero emerse dal plasma primordiale. Ad un certo punto (al momento si pensa che corrisponda a 500.000 anni dopo l'inizio) la temperatura sarebbe scesa sotto i 3000 kelvin (3300 °C). Sopra questa temperatura gli elettroni e i protoni sono separati, rendendo l'Universo opaco alla luce. Sotto i 3000 K, gli atomi si formano, permettendo alla luce di passare liberamente attraverso l'appena formato gas dell'Universo. Questo istante è detto disaccoppiamento fotonico, perché separa un'epoca in cui fotoni e particelle erano mescolati da una in cui erano ben definiti.

La teoria del Big Bang prevede dunque che se uno guarda abbastanza lontano nello spazio, e perciò abbastanza indietro nel tempo, vedrà alla fine il luogo dove l'Universo diviene opaco alla radiazione. La radiazione di questa regione verrà spostata verso il rosso a causa dell'espansione di Hubble. Il risultato è che lo spettro vsibile della radiazione a 3000 kelvin, originantesi dalla regione opaca, viene spostato ad una temperatura molto più bassa. La radiazione dovrebbe inoltre essere quasi completamente isotropa.

Al tempo in cui vennero fatte, e per i successivi 20 anni, le predizioni della teoria del Big Bang riguardanti la radiazione cosmica di fondo vennero in genere ignorate, semplicemente perché rimanevano non verificabili a causa della tecnologia inadeguata. Inzialmente, George Gamow calcolò che la CMBR doveva apparire come una radiazione di corpo nero ad una temperatura di 50 K. Successivamente corresse i suoi calcoli e stimò la temperatura della radiazione a 5 K. Questa stima conteneva ancora un piccolo errore.

Nel 1964, Arno Penzias e Robert Wilson stavano conducendo una serie di osservazioni diagnostiche usando un nuovo ricevitore a microonde di proprietà dei Bell Laboratories (che era progettato per le normali comunicazioni telefoniche), e scoprirono accidentalmente la radiazione cosmica di fonto predetta originariamente da Gamow. Questa osservazione fu in seguito confermata dal gruppo Peebles all'Università di Princeton, che stavano anch'essi cercando di costruire un'antenna a microonde con un maser al rubinio per osservare questa radiazione. Penzias e Wilson non si resero conto di cosa avevano scoperto finché non contattarono il gruppo di Peebles. Essi descrissero assieme i loro risultati sull' Astrophysical Journal.

La loro scoperta fornì una conferma sostanziale delle predizioni sulla CMBR (anche se i valori erano inaccurati e dovettero essere corretti), e spostarono le opinioni della comunità scientifica verso la teoria del Big Bang. A Penzias e Wilson venne assegnato il Premio Nobel per la Fisica per la loro scoperta.

Nel 1989, la NASA lanciò il satellite Cosmic Background Explorer (COBE) e i risultati iniziali, pubblicati nel 1990, erano consistenti con la teoria del Big Bang: aveva trovato che la temperatura della radiazione era di 2,726 K, che era sostanzialmente isotropa, ed aveva confermato l'effetto di "foschia" all'aumentare della distanza, previsto dalla teoria. Durante gli anni '90, i dati furono studiati più approfonditamente per cercare le piccole anisotropie predette dalla teoria del Big Bang. Furono scoperte dopo alcuni anni di analisi.

All'inizio del 2003 furono analizzati i risultati del satellite Wilkinson Microwave Anisotropy (WMAP), che diedero i più accurati valori cosmologici fino ad oggi. Il satellite inoltre escluse numerosi modelli inflazionari, ma i risultati erano in generale consistenti con la teoria dell'inflazione.

Abbondanza degli elementi primordiali

Usando il modello del Big Bang è possibile calcolare la concentrazione di elio-4, elio-3, deuterio e litio-7 nell'Universo. Tutte le loro abbondanze derivano da un singolo parametro, il rapporto tra fotoni e barioni. Le abbondaze predette sono circa il 25% per ⁴He, un rapporto ²H/H di circa 10^-3, un rapporto ³He/H di circa 10^-4 e un'abbondanza di ⁷Li/H di circa 10^-9.

Le misure delle abbondanze primordiali di tutti e quattro gli isotopi elencati sopra sono consistenti con un unico valore di quel parametro (vedi nucleosintesi primordiale), e il fatto che le abbondanze misurate siano simili a quelle predete è visto come una prova a favore del Big Bang. Per esempio, non c'è alcuna ragione a parte il Big Bang per cui l'Universo dovrebbe avere più elio che deuterio, o più deuterio che ³He. Fino ad'ora, nessun'altra teoria ha tentato di fare previsioni sulla nucleosintesi di questo genere.

Le teorie che sostengono che l'Universo ha una vita infinita, come la teoria dello stato stazionario, non spiegano l'abbondanza di deuterio nel cosmo, perché il deuterio viene facilmente distrutto nella fusione nucleare dentro le stelle, e non ci sono processi astrofisici conosciuti che possano produrlo in quantità, eccetto il Big Bang stesso. Perciò il fatto che il deuterio non è un elemento estremamente raro suggerisce che l'Universo abbia un'età finita.

Le teorie che sostengono che l'Universo ha una vita finita, ma che il Big Bang non è accaduto hanno problemi con l'abbondanza di elio-4. L'ammontare osservato di ⁴He è ben più grande di quello che potrebbe essere creato dalle stelle o da ogni altro processo conosciuto. D'altra parte, l'abbondanza di ⁴He dipende in modo poco sensibile dalle assunzioni riguardo alle densità di barioni, cambiando di solo pochi punti percentuali quando questa cambia di numerosi ordini di grandezza. Il valore osservato di ⁴He sempra essere nell'intervallo calcolato.

Detto questo, ci sono tre problemi teorici con la nucleosintesi del Big Bang che possono mettere in difficoltà la teoria. Il primo è che la concentrazione di barioni necessaria perché le abbondanze calcolate combacino perfettamente con quelle osservate è inconsistente con un Universo composto per la maggior parte da barioni. Il secondo è che il Big Bang prevede che nessun elemento più pesante del litio possa essere stato creato nel Big Bang, mentre elementi più pesanti sono osservati nei quasar, che sono presumibilmente una delle classi di oggetti più vecchi dell'Universo. Il terzo problema è che, poiché nessun elemento più pesante del litio venne creato nel Big Bang, dovremmo poter osservare qualche stella molto anziana che non contiene alcun elemento pesante. Nessuna stella del genere è stata trovata.

La spiegazione standard per il primo problema è che la maggior parte dell'Universo non è composta da barioni. Questa spiegazione è in accordo con altre evidenze di materia oscura, come le curve di rotazione delle galassie. La spiegazione standard del secondo e terzo problema è che l'Universo attraversò un periodo di massiccia formazione stellare, creando stelle di grande massa, e che senza elementi pesanti è impossibile formare una nana rossa, il solo tipo di stella che potrebbe sopravvivere dall'inizio dell'Universo fino a noi. Questa spiegazione ha la caratteristica di predire una classe di stelle che, fino al 2004, non è stata osservata. Quindi, in alcuni anni dovremmo o averle trovate, il che supporterebbe la teoria del Big Bang, oppure non le troveremo, nel qual caso c'è la possibilità che dovremo cambiare le nostre opinioni sull'Universo in modo fondamentale.

Evoluzione galattica e distribuzione delle quasar

Un'osservazione che è diventata sempre più importante a partire dall'inizio degli anni '70 è che, mentre l'universo sembra essere isotropo nel tempo (cioè, l'universo in una direzione somiglia molto all'universo in un'altra direzione) non è invece isotropo rispetto alla distanza, che a causa del fatto che la velocità della luce non è finita, significa che non è isotropo nel tempo. Quando uno osserva a distanze sempre più grandi, l'universo appare molto differente. Per esempio, non esistono quasar vicini, mentre ci sono molti quasar una volta passato un certo spostamento verso il rosso, e quindi i quasar scompaiono ad una distanza ancora maggiore. In modo simile, il tipo e la distribuzione delle galassie sembrano cambiare notevolmente nel tempo, e superata una certa distanza il numero di galassie sembra diminuire notevolmente.

Debolezze e critiche della teoria del Big Bang

Per tutta la sua storia, la teoria del Big Bang ha raccolto un numero considerevole di critiche. Alcune di esse sono oggi più che altro di interesse storico, e sono state eliminate o attraverso modifiche della teoria, o attraverso migliori osservazioni. Altri problemi, come il problema dell'alone a cuspide e il problema delle galassie nane, o la materia oscura fredda, sono considerati non fatali perché possono essere risolti attraverso aggiustamenti relativamente minori della teoria. Infine, vi sono proponenti di teorie cosmologiche non-standard, che pensano che non sia mai accaduto un Big Bang.

Il problema delle condizioni iniziali

Una domanda senza risposta è perché sia accaduto un Big Bang. La difficoltà di rispondere a questa domanda dipende dall'assenza di una teoria della gravità quantistica: quando uno risale all'indietro nel tempo, la temperatura e la pressione salgono fino al punto in cui le leggi fisiche che governano le proprietà della materia sono sconosciute. La speranza è che, con una migliore compresione di queste leggi, saremo in grado di rispondere alla domanda di cosa successe "prima" del Big Bang.

Il problema dei monopoli magnetici

Il problema dei monopoli magnetici fu un'obiezione sollevata alla fine degli anni '70. Le teorie di grande unificazione prevedevano difetti puntuali dello spazio, che si sarebbero manifestati come monopoli magnetici, e la densità di questi monopoli era molto più grande di quanto le osservazioni mostravano. Questo problema è risolvibile con l'aggiunta dell'inflazione cosmica alla teoria del Big Bang.

Il problema dell'orizzonte

Il problema dell'orizzonte deriva dal fatto che l'informazione non può viaggiare più velocemente della luce, e perciò che due regioni dello spazio che si stanno espandendo più velocemente della luce (l'una relativamente all'altra) non possono comunicare. Questo significa che non esiste alcun meccanismo per assicurarsi che abbiano la stessa temperatura. Negli anni '70, nessuna anisotropia era stata osservata nella radiazione cosmica di fondo, il che contraddiceva le teorie non-inflazionarie del Big Bang. Questo problema fu parzialmente risolto dall'inflazione cosmica, che ridusse il problema dell'orizzonte argomentanto che l'Universo primitivo subì improvvisamente un periodo di espansione velocissima, in cui regioni che alla fine non erano più in contatto si trovavano invece all'inizio molto vicine tra loro, e potevano quindi equalizzare la loro temperatura.

Comunque, l'inflazone cosmica predice che le anisotropie del Big Bang sarebbero state ridotte ma non eliminate. Anche con l'inflazione, ci sarebbero state regioni di spazio non in contatto termico. All'inizio degli anni '90, ci fu eccitazione e nervosismo quando i dati del satellite COBE non trovarono inizialmente alcuna anisotropia, e numerosi modelli inflazionari furono invalidati. Se fossero passati alcuni altri anni senza alcuna scoperta di anisotropie, il Big Bang ne sarebbe uscito molto malconcio, ma le cose andarono diversamente perché analisi successive iniziarono a trovare varie piccole anisotropie.

Il problema dell'orizzonte è ancora di grande interesse, perché permette di dedurre grandi quantità di informazione dalla radiazione cosmica di fondo. Differenti velocità di espansione risulteranno in differenti raggruppamenti della radiazione di fondo, come risultato di materiale che cade attraverso un orizzonte a tempi differenti, e questo fornisce molti dati sulle condizioni dell'Universo al tempo in cui la radiazione cosmica di fondo si formò.

Età degli ammassi globulari

Alla metà degli anni '90 si presentò un grosso problema che poteva invalidare la teoria del Big Bang. Le simulazioni al computer degli ammassi globulari suggerivano che essi fossero vecchi di 15 miliardi di anni, il che era in contraddizione con i valori accettati della costante di Hubble, che ponevano l'età dell'Universo a circa 10 miliardi di anni. Chiaramente l'Universo non può contenere oggetti più vecchi di se stesso. Questo problema fu risolto alla fine degli anni '90, quando nuove simulazioni che includevano gli effetti di perdita di massa dovute ai venti stellari indicarono per gli ammassi globulari un'età molto minore.

Dibattito sulle abbondanze degli elementi

Durante la metà degli anni '90, le misure di abbondanza dell'elio primordiale suggerirono la possibilità che le prime stelle avrebbero contenuto meno del 20% di elio. Se questo fosse stato il caso, avrebbe posto molti problemi per la teoria del Big Bang, perché è molto difficile ottenere basse concentrazioni di elio dal Big Bang. Questo problema fu risolto alla fine degli anni '90 da misure migliore di abbondanza dell'elio.

Come prima menzionato, ci sono anche problemi con la densità di barioni e l'osservazione di elementi pesanti nei quasar. Questi sono considerati problemi minori del Big Bang, ma comunque hanno la possibilità di invalidare la teoria se non verranno trovate spiegazioni adeguate.

Per esempio, il consenso è che per poter spiegare gli elementi pesanti mostrati dai quasar, è necessaria una forte e improvvisa formazione stellare, e correntemente (2004) molte ricerche sono indirizzate a trovare tali stelle. Se queste stelle di Popolazione III verranno trovate, la teoria del Big Bang ne uscirà rafforzata.

Spostamento verso il rosso

C'è un piccolo numero di astrofisici, inclusi Y.P. Varshni e Halton Arp, che sostengono che lo spostamento verso il rosso non dipende strettamente dall'effetto Doppler, e che questo elimina il bisogno di un Big Bang.

Materia oscura

Durante gli anni '70, vennero fatte osservazioni che, assumendo che tutta la materia dell'Universo possa essere vista, creavano problemi alla teoria del Big Bang, perché essa sembrava sottostimare l'ammontare di deuterio presente e portava ad un universo che era molto più "raggrumato" di quanto osservato. Questi problemi vengono risolti se uno assume che la maggior parte della materia dell'Universo non è visibile, e questa assunzione sembra essere consistente con le osservazioni che suggeriscono che la maggior parte dell'Universo sia composta da materia oscura.

Gli effetti che la materia oscura ha sui calcoli del Big Bang non dipendono in generale dalle proprietà precise della materia oscura. La proprietà principale della materia oscura, per quanto riguarda i suoi effetti sulla cosmologia, è se essa consista di particelle pesanti, che si muovono quindi lentamente, creando la materia oscura fredda, o se consiste di particelle leggere che si muovono quindi velocemente, creando la materia oscura calda, o se la materia oscura consiste di materia ordinaria come la materia barionica.

Il futuro secondo la teoria del Big Bang

Tutta la materia dell'Universo è gravitazionalmente attratta a tutto il resto della materia che si trova nell'orizzonte osservabile (che è definito dall'età dell'Universo). Questo dovrebbe causare un rallentamento progressivo del ritmo di espansione dell'Universo. Il rapporto esatto tra quanta materia è presente in un certo volume, relativamente a quanto è grande l'orizzonte e a quanto veloce l'Universo si sta espandendo in questo momento può portare ad uno di tre scenari diversi:

Il Big Crunch

Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è abbastanza alta, allora essa può fermare l'espansione dell'Universo, e invertirla. L'Universo allora si contrarrebbe, all'incirca nello stesso tempo in cui si è espanso. Alla fine, tutta la materia e l'energia verrebbero compresse in una singolarità gravitazionale. È impossibile chiedere cosa succederebbe dopo questo evento, perché il tempo si fermerebbe anch'esso in questa singolarità. Nonostante questo, la teoria del punto Omega suggerisce che un ammontare infinito di energia computazionale potrebbe essere disponibile nel tempo finito prima del Big Crunch.

Il Grande Congelamento (morte termica)

Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è troppo bassa, allora l'espansione non si fermerà mai. Mentre la materia si sparge in volumi sempre maggiori, le stelle smetterebbero alla fine di formarsi. La temperatura media dell'Universo si avvicinerebbe asintoticamente allo zero assoluto, e l'Universo diventerebbe immobile e quieto. Eventualmente, tutti i protoni decadrebbero, i buchi neri evaporerebbero, e l'Universo consisterebbe di particelle subatomiche sparse. Il Grande Congelamento è più noto come la morte termica dell'Universo.

Bilanciamento

Se l'attrazione gravitazionale di tutta la materia nell'orizzonte osservabile è esattamente quella giusta, allora l'espansione dell'Universo rallenterebbe sempre più fino a fermarsi. La temperatura dell'Universo si avvicinerebbe asintoticamente ad un valore stabile poco sopra lo zero assoluto. L'entropia continuerebbe però a crescere, e il risultato finale sarebbe simile alla morte termica.

Osservazioni recenti

Una scoperta recente estremamente problematica viene dall'osservazione delle supernovae di tipo I, che permettono agli astronomi di calcolare accuratamente la distanza delle galassie, dalle osservazioni della radiazione cosmica di fondo, dalle lenti gravitazionali, e dall'uso di statistica a grande scala della distribuzione di galassie e quasar come unità standard per misurare le distanze. Sembra che l'espansione dell'Universo non stia rallentando ma accelerando, un'osservazione che gli astrofisici stanno in questo momento cercando di capire meglio (vedi universo in accelerazione). L'approccio attualmente preferito è di reintrodurre una costante cosmologica diversa da zero nelle equazioni di Einstein della relatività generale, e di aggiustare il valore di tale costante per far combaciare la teoria con l'accelerazione osservata. Questo equivale a postulare un' "energia oscura" di repulsione, chiamata anche quintessenza.

Vedi anche: destino ultimo dell'Universo.

Teoria del Big Bang e religione

Quando la teoria del Big Bang venne originariamente proposta, fu rifiutata da molti scienziati ed entusiasticamente accettata dal Papa, perché sembrava implicare un evento di creazione. Molti scienziati, per esempio l'astronomo Robert Jastrow, vedono il Big Bang anche come la conferma del racconto dato nella Genesi. Mentre molti scienziati oggigiorno vedono la teoria del Big Bang come la migliore spiegazione delle osservazioni disponibili, e la Chiesa Cattolica ancora lo accetta, alcuni Cristiani (in genenere Fondamentalisti) lo rifiutano perché l'età dell'Universo che viene implicata è molto superiore a quella calcolata da un esame letterale del libro della Genesi della Bibbia.

Un modo per tentare di riconciliare le due età è di sostenere che la parola giorno, come usata nella Genesi, non corrisponde ad un intervallo di 24 ore: dovrebbe essere tenuto presente che Giorno, in aramaico, significa "intervallo" o "periodo di tempo". In effetti, anche la durata del giorno solare varia col tempo. Una lettura di Genesi 1:14 indica anche che non erano presenti "giorni" come li intendiamo fino al Quarto Giorno, quando le luci del firmamento venno create per darci il Giorno e la Notte. Un problema di questa intepretazione è che la Bibbia pone la creazione dei mari prima della creazione delle stelle, il che è del tutto incompatibile con la teoria del Big Bang.

Un autore che crede che la riconciliazione sia possibile è Gerald Schroeder: sostiene che i suo calcoli confermano una corrispondenza relativistica tra l'età misurata dell'Universo e i sei giorni della creazione descritti nella Genesi.

Origine del termine

Il termine "Big Bang" fu coniato nel 1949 da Fred Hoyle durante un programma radio della BBC, The Nature of Things (La Natura delle Cose). Il testo fu pubblicato nel 1950. Hoyle non sottoscriveva la teoria, ed intendeva prenderla in giro. Forse è stata anche una battuta riferita al fatto che George Gamow, al tempo il principale sostenitore della teoria, aveva anche lavorato allo sviluppo della bomba atomica.

Vedi anche

Big Bang: Cronolgia del Big Bang | Destino ultimo dell'Universo | Struttura a grande scala dell'Universo | Grande Rimbalzo | Big Crunch (Morte termica dell'Universo e Universo oscillante) | Big Rip | Nucleosintesi primordiale | Singolarità gravitazionale | Inflazione cosmica | Varianza cosmica | Universo di De Sitter

Creazione: Mito della creazione | Creazionismo | Stime della data della creazione

Cosmologia e Astrofisica: Breve storia del tempo | Oltre il modello standard del Big Bang | Argomento cosmologicos | Stime della data della creazione | Formazione ed evoluzione delle galassie | Cosmologia non-standard (Evoluzione creativa, Ekpyrotic, Cosmologia al plasma, Sistema reciproco di teoria, e Teoria dello stato stazionario) | Buco nero primordiale | Abbondanza primordiale dell'elio | Popolazioni stellari | Cronologia della cosmologia | Astrofisica teorica | Destino ultimo dell'Universo

Astronomia: Storia dell'astronomia | Cronologia della radiazione cosmica di fondo | Massive compact halo object | Nana rossa | Forma dell'Universo | Stellas | Buco nero supermassiccio | Universo (Struttura a grande scala dell'Universo)

Persone: Hannes Alfvén | Albert Einstein | George Gamow | Fred Hoyle | Georges Lemaître | Peter Lynds | Arno Allan Penzias | Gerald Schroeder | Janez Strnad | Robert Woodrow Wilson

Argomenti di fisica correlati: Freccia del tempo | Forza elettronucleare | Distanza comovente | Effetto Compton | Energia oscura | Materia oscura (Materia oscura fredda e Materia oscura calda) | Legge di Hubble | Effetto integrado di Sachs Wolfe | Monopolo magnetico | Paradosso di Olbers | Transizione di fase | Gravità quantistica | Spostamento verso il rosso | Teoria del tutto | Processo Triple-alpha | Postulato di Weyl

elementi chimici : Berillio | Carbonio | Deuterio | Elio | Ylem

Link esterni e riferimenti

(in inglese)

General

• Wright, Edward L., "Brief History of the Universe".
• "Welcome to the History of the Universe". Penny Press Ltd.
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• PBS.org, "From the Big Bang to the End of the Universe. The Mysteries of Deep Space Timeline"
• D'Agnese, Joseph, "The last Big Bang man left standing, physicist Ralph Alpher devised Big Bang Theory of universe". Discover, July, 1999.

• "Cosmology" via Google

Research articles [ed. full of technical language, but sometimes with introductions in plain English]

• Openly published observational cosmology research article preprints:
• Openly published theoretical cosmology research articles

Analysis

• Narlikar, Jayant V. and T. Padmanabhan, "Standard Cosmology and Alternatives: A Critical Appraisal". Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Vol. 39, p. 211-248 (2001).
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• Whitehouse, David, "Before the Big Bang". BBC News. April 10, 2001.
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• Klempner, Geoffrey, "The ten big questions. Big Bang Theory"

Fisica

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