I primi secondi dopo il Big Beng

 

I primi secondi dopo il Big Beng

Paul M. Sutter è un astrofisico del SUNY Stony Brook e del Flatiron Institute, conduttore di Ask a Spaceman e Space Radio, e autore di How to Die in Space. Ha contribuito a questo articolo per Space.com's Expert Voices: Opinioni e approfondimenti.


Che ci crediate o no, i fisici stanno cercando di capire l'universo quando aveva solo una manciata di secondi. 


Ma la situazione è complessa, a dir poco, e mentre abbiamo fatto progressi significativi, c'è ancora molto da imparare. Dai buchi neri in miniatura alle interazioni esotiche, l'universo neonato era un posto molto impegnato.

Impressione artistica del Big Bang con particelle che sparano via da un nucleo luminoso.
Impressione artistica del Big Bang con particelle che sparano via da un nucleo luminoso.

Quello che "sappiamo"

Cominciamo con il quadro generale: 13,77 miliardi di anni fa, il nostro universo era incredibilmente caldo (una temperatura di oltre un quadrilione di gradi) e incredibilmente piccolo (circa le dimensioni di una pesca). Gli astronomi sospettano che, quando il nostro cosmo aveva meno di un secondo, ha attraversato un periodo di espansione incredibilmente rapida, noto come inflazione.


Questo evento di inflazione è stato forse l'epoca di maggior trasformazione mai avvenuta nella storia del nostro universo. In meno di un battito di ciglia, il nostro universo è diventato incredibilmente più grande (ingrandendosi di un fattore di almeno 10^52). Quando questa rapida fase di espansione si è conclusa, qualsiasi cosa abbia causato l'inflazione (non siamo sicuri cosa) è decaduta, inondando l'universo di materia e radiazioni (non siamo sicuri come).


Pochi minuti dopo (letteralmente), sono emersi i primi elementi. Prima di questo momento, l'universo era troppo caldo e troppo denso perché si formasse qualcosa di stabile - era solo un enorme miscuglio di quark (i mattoni fondamentali dei nuclei atomici) e gluoni (i portatori della forza nucleare forte). Ma una volta che l'universo aveva una buona dozzina di minuti, si era espanso e raffreddato abbastanza da permettere ai quark di legarsi insieme, formando i primi protoni e neutroni. Quei protoni e neutroni formarono i primi idrogeno ed elio (e un po' di litio), che continuarono centinaia di milioni di anni dopo a costruire le prime stelle e galassie.


Dalla formazione dei primi elementi, l'universo si è espanso e raffreddato, diventando alla fine un plasma e poi un gas neutro. 


Mentre sappiamo che questa storia a grandi linee è corretta, sappiamo anche che ci mancano molti dettagli, specialmente nel tempo prima della formazione dei primi elementi. Un po' di fisica strana potrebbe essere stata in funzione quando l'universo aveva solo pochi secondi, ed è attualmente al di là della nostra comprensione teorica - ma questo non ci impedisce di provare. 

Questo grafico mostra una linea temporale dell'universo basata sulla teoria del Big Bang e sui modelli di inflazione.
Questo grafico mostra una linea temporale dell'universo basata sulla teoria del Big Bang e sui modelli di inflazione.

Le incognite conosciute

Un articolo apparso recentemente sulla rivista arXiv, e accettato per la pubblicazione su The Open Journal of Astrophysics, delinea alcuni degli scenari più esotici dell'universo primordiale.


Per esempio, c'è tutta la questione della materia oscura. Non sappiamo di cosa sia fatta la materia oscura, ma sappiamo che è responsabile di oltre l'80% della materia nell'universo. Abbiamo una storia ben compresa di come la materia normale abbia avuto origine nel brodo caldo e denso del primo cosmo, ma non abbiamo idea di quando o come la materia oscura sia entrata in scena. È apparsa nei primi secondi? O molto più tardi? Ha incasinato la chimica cosmica che ha portato ai primi elementi, o è rimasta sullo sfondo?


Non lo sappiamo.


Poi c'è l'inflazione stessa. Non sappiamo cosa abbia fornito la fonte di energia per l'incredibile evento di espansione, non sappiamo perché sia durato il tempo che è durato, e non sappiamo cosa l'abbia fermato. Forse l'inflazione ha indugiato più a lungo di quanto abbiamo supposto, e ha fatto sentire la sua presenza per un intero secondo, piuttosto che per la piccola frazione che abbiamo supposto. 


Eccone un altro: c'è questa enorme spina nel fianco di ogni cosmologo conosciuta come asimmetria materia-antimateria. Vediamo dagli esperimenti che la materia e l'antimateria sono perfettamente simmetriche: per ogni particella di materia prodotta nelle reazioni in tutto l'universo, c'è anche una corrispondente particella di antimateria. Ma quando ci guardiamo intorno nel cosmo, vediamo cumuli e cumuli di materia normale e non una goccia di antimateria in vista. Qualcosa di enorme deve essere successo nei primi secondi dell'esistenza dell'universo per rompere questo equilibrio. Ma su chi o cosa sia stato responsabile, e sull'esatto meccanismo, non siamo sicuri.


E se la materia oscura, l'inflazione e l'antimateria non fossero abbastanza, c'è anche la possibilità che l'universo primordiale abbia prodotto una marea di piccoli buchi neri. I buchi neri nel cosmo attuale (cioè negli ultimi 13 miliardi di anni) provengono tutti dalla morte di stelle massicce. Questi sono gli unici luoghi in cui la densità della materia può raggiungere le soglie critiche necessarie per innescare la formazione di buchi neri. Ma nell'esotico universo primordiale, macchie casuali del cosmo potrebbero aver raggiunto una densità sufficiente, innescando la creazione di buchi neri senza dover prima passare attraverso l'intera faccenda della formazione delle stelle. Forse.



Scavare più a fondo

Mentre la nostra teoria del Big Bang è supportata da una grande quantità di dati osservativi, ci sono molti misteri per soddisfare la curiosità di generazioni di cosmologi. Per fortuna, non siamo completamente ciechi quando cerchiamo di studiare questa prima epoca. 


Per esempio, anche se non possiamo vedere direttamente lo stato dell'universo quando aveva solo pochi secondi, possiamo cercare di ricreare quelle condizioni nei nostri potenti collettori di particelle. Non è perfetto, ma può almeno insegnarci la fisica di quel tipo di ambienti.


Possiamo anche cercare indizi lasciati dai primi secondi. Qualsiasi cosa strana successa allora avrebbe lasciato il segno nell'universo successivo. La modifica della quantità di materia oscura o un'inflazione persistente avrebbero sconvolto la creazione di idrogeno ed elio, qualcosa che possiamo misurare oggi. 


E l'universo è passato da un plasma a un gas neutro quando aveva 380.000 anni. La luce rilasciata allora è rimasta sotto forma di fondo cosmico a microonde. Se l'universo ha fatto spuntare un mucchio di piccoli buchi neri, essi influenzerebbero questo modello di luce di fondo.


Potremmo anche sperare di osservare direttamente questa epoca. Non con la luce, ma con le onde gravitazionali. Quell'inferno caotico deve aver rilasciato un torrente di increspature nel tessuto dello spazio-tempo, che - come il fondo cosmico a microonde - sarebbe sopravvissuto fino ai giorni nostri. Non abbiamo ancora la capacità tecnologica di osservare direttamente quelle onde gravitazionali, ma ogni giorno ci stiamo avvicinando.


E forse quando lo faremo, avremo uno sguardo sull'universo appena nato.

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