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Interrogativi fondamentali sull’Universo: L’energia oscura e il multiverso

«I confini dell’Universo non esistono. Lo spazio-tempo euclideo è una superficie chiusa senza fine, come la superficie della Terra. Non c’è nulla a sud del Polo Sud, allo stesso modo non esiste nulla prima del Big Bang».  S.Hawking

biografia hawking
Stephen Hawking

Sembra che l’abbondanza o meno di energia oscura non abbia conseguenze sulla formazione di galassie, stelle e pianeti: una ipotesi che rende gli attuali modelli cosmologici ancora più problematici.

Quello del multiverso l’insieme ipotizzato di miliardi di universi possibili e coesistenti, se non addirittura paralleli, tra i quali anche il nostro – potrebbe essere uno scenario molto favorevole alla vita. È lo scenario presentato in due articoli scientifici in pubblicazione sul The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, che riflettono sullo scopo e sulla distribuzione di un’enigmatica componente del cosmo: l’energia oscura.

Anche se non ne comprendiamo a pieno la natura, chiamiamo energia oscura quella forza misteriosa che guida l’espansione dell’Universo, e che – contrariamente alle aspettative, rispetto all’inflazione (ossia al momento di rapidissima espansione) seguita al Big Bang – con il tempo sta aumentando la sua spinta, anziché diminuirla.

L’energia oscura sembra costituire il 70% del nostro Universo: troppo poco, per le attuali teorie sulla nascita del cosmo, secondo le quali dovrebbe essercene di più. Allo stesso tempo, però, con una maggiore quantità di energia oscura la materia sarebbe così tesa verso l’espansione, e così diluita, che l’aggregazione di pianeti, stelle e galassie non sarebbe possibile. Pertanto, noi non esisteremmo.

Anche per cercare di fare funzionare i nostri modelli è stata formulata l’ipotesi del multiverso, secondo la quale la realtà potrebbe essere formata da molteplici universi, ciascuno con una proporzione diversa di energia oscura in dotazione. Quello in cui viviamo è uno tra tanti, che godrebbe però di una rara fortuna: la “giusta quantità” di energia oscura, abbastanza ridotta da permettere la vita.

Molti scienziati ritengono però che in questo modo abbiamo staccato un biglietto della lotteria un po’ troppo fortunato, per usare un esempio comune: è così anche per Luke Barnes, scienziato della Western Sydney University, in Australia, tra gli autori di entrambi gli studi.

composizione universo
Ecco ciò che sappiamo o crediamo di sapere del nostro Universo: poco meno del 5% di ciò che esiste è materia ordinaria (nebulose, galassie, stelle, pianeti, noi stessi…). Di tutto il resto sappiamo dire solo che dovrebbe esserci un 27% circa (in energia) di materia oscura (che corrisponde all’85% di tutta la materia che supponiamo esistere) e di un 68% circa di una ancora più misteriosa energia oscura, di cui non sappiamo dire altro che il nome.

Insieme ai colleghi dell’Università di Durham, nel Regno Unito, Barnes ha lavorato a simulazioni matematiche che alterassero di volta in volta la quantità di energia oscura nel nostro Universo, usando i dati del progetto EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments), una tra le simulazioni più realistiche del cosmo. Il team ha scoperto che, anche aumentando o diminuendo di centinaia di volte la quantità di energia oscura rispetto alle stime attuali, la formazione di pianeti non ne risentirebbe.

L’aggregazione di materia, e con essa, la vita, sarebbero comunque possibili. La vita potrebbe dunque essere una circostanza meno rara del previsto, nel multiverso. Se non è la ridotta quantità di energia oscura ad aver favorito la nascita della vita, come spiegare l’apparente mancanza di questo elemento nel cosmo che abitiamo?

«La formazione di stelle nell’Universo è un effetto della battaglia tra la forza attrattiva della gravità e quella repulsiva dell’energia oscura», spiega Richard Bower, fisico della Durham University. «Con le nostre simulazioni vediamo che universi con molta più energia oscura rispetto al nostro possono tranquillamente formare stelle. Perché allora c’è una quantità così ridotta di energia oscura, nel nostro Universo?»

Cosmologia della concordanza senza energia oscura

Secondo la congettura dell’universo separato le sub-regioni sfericamente simmetriche in un universo isotropico si comportano come mini-universi con i propri parametri cosmologici. Questa è un’approssimazione eccellente nelle teorie relativistiche newtoniane e generali. Stimiamo i tassi di espansione locale per un gran numero di tali regioni e usiamo un parametro di scala calcolato dagli incrementi mediati dal volume dei parametri di scala locali ad ogni passo temporale in un N cosmologico altrimenti standardizzato simulazione di un corpo La massa delle particelle, corrispondente a una scala a grana grossa, è un parametro regolabile.

Questa approssimazione media dei campi trascura le forze di marea e gli effetti di confine, ma è il primo passo verso una stima statistica non perturbativa dell’effetto dell’evoluzione non lineare della struttura sul tasso di espansione. Utilizzando il nostro algoritmo, una simulazione con un’impostazione iniziale Ω = 1 Einstein-de Sitter segue da vicino l’espansione e la storia di crescita strutturale della cosmologia Λ fredda materia oscura (ΛCDM). A causa di piccole ma caratteristiche differenze, il nostro modello può essere distinto dal modello ΛCDM da future osservazioni di precisione. Inoltre, il nostro modello può risolvere la tensione emergente tra le misure costanti di Hubble locali e il Planck la cosmologia più adatta. Ulteriori miglioramenti della simulazione sono necessari per studiare la propagazione della luce e confermare la piena coerenza con le osservazioni di fondo delle microonde cosmiche.

Che cosa avremmo visto alla nascita dell’Universo?

Un infinitesimale punto di energia: tutto ebbe inizio così, 13,8 miliardi di anni fa, ma – per definizione – nessuno era presente al momento del “fatto”. Immaginiamoci invece, almeno per un momento, testimoni del Big Bang. Che cosa avremmo visto e percepito? Un articolo pubblicato su ArXiv cerca di stimare la quantità di luce che poteva esserci nell’Universo bambino e offre alcuni spunti di riflessione.

L'espansione dell'Universo
L’espansione dell’Universo in un’illustrazione concettuale.

Il cielo notturno può sembrare soltanto scuro, ma è pervaso da una radiazione a microonde (invisibile all’occhio umano) che lo scalda fino a una temperatura di 2,7 °C sopra allo zero assoluto: siamo perciò a -270 °C. L’Universo è in espansione e possiamo ipotizzare che, in futuro, l’ulteriore “diluizione” di questa radiazione di fondo porterà il Cosmo intero alla temperatura sotto alla quale pensiamo non sia possibile scendere oltre, ossia -273 °C (o, se preferite, 0 Kelvin).

In passato però l’Universo era più piccolo e compresso, e la luce (la radiazione) che lo riempiva si trovava a più alte frequenze e temperature. Tenete presente che “futuro” e “passato” sono da intendersi come “tempi cosmici”.

A una frazione di secondo dal Big Bang l’Universo era un milione di miliardi di volte più piccolo di un atomo, ed era anche un quadrilione di volte più caldo (o un milione alla quarta, 10 elevato alla ventiquattresima potenza) del centro del Sole. Da questo minuscolo e super energetico inizio presero avvio l’espansione e il progressivo (in tempi cosmici) raffreddamento.

Se avessimo potuto aprire gli occhi, prima di bruciare saremmo rimasti accecati da una luce intensissima a frequenze luminose non percepibili dall’uomo. Non c’erano stelle, ma un’informe zuppa di particelle.

Gli atomi iniziarono a formarsi soltanto 370 mila anni più tardi e le condizioni di luminosità iniziarono a essere compatibili con l’occhio umano a partire da 1,2 milioni di anni dall’inizio. A quel punto il “cielo”, o come volete chiamarlo, aveva il colore e la temperatura della luce di una candela nel suo punto più caldo: 1.400 °C.

Nei successivi 4,6 milioni di anni quel cielo sarebbe diventato progressivamente più rosso e scuro, fino a essere finalmente quel nero notte che dalla Terra non vediamo, ma possiamo almeno immaginare: buio, senza l’ombra di una stella e ancora caldo come un forno.

Solo 4,3 milioni di anni più tardi, quando l’Universo aveva 10 milioni di anni, la temperatura si fece più tollerabile (più o meno quella di una sauna). Un milione di anni di espansione più tardi, avrebbe raggiunto quella di una tazza di tè, o di un bagno caldo.

Se fossimo stati lì, avremmo indossato le maniche corte ancora per 5 milioni di anni, e iniziato a mettere la giacca solo 15 milioni di anni dopo il Big Bang. A 16 milioni di anni dall’inizio le temperature erano già sotto lo zero e dopo appena 110 milioni di anni dal suo principio, lo Spazio era alla temperatura dell’azoto liquido (-196 °C).

Se ci fossimo trovati “fuori” e avessimo avuto molta pazienza, dopo 150 milioni di anni avremmo visto il cielo notturno cambiare. La materia cominciava ad ammassarsi per effetto della gravità e, in alcuni sparpagliati punti, lontanissimi tra loro, luce e calore iniziarono a tornare: nascevano le prime stelle.

Che cosa c’era prima del Big Bang? Una volta Hawking rispose così

C’è stato un tempo, prima dell’inizio del tempo? La domanda che oltrepassa i confini dell’astrofisica per entrare nel dominio della filosofia fu rivolta, durante un’intervista, a Stephen Hawking, il fisico britannico venuto a mancare nel marzo 2018. La risposta fu tutto sommato semplice: non ha senso parlare di un tempo prima della nascita dell’Universo, sostenne Hawking, perché il tempo è stato sempre presente, sebbene in una forma diversa da quella che noi umani siamo abituati a misurare. Hawking sostenne questa posizione appellandosi alla teoria del continuum spazio-temporale:

«I confini dell’Universo non esistono. Lo spazio-tempo euclideo è una superficie chiusa senza fine, come la superficie della Terra. Non c’è nulla a sud del Polo Sud, allo stesso modo non esiste nulla prima del Big Bang».

Proviamo a capire… Immaginiamo di poter premere “rewind” sul telecomando del tempo fino ad arrivare a 13,8 miliardi di anni fa: avvicinandoci all’inizio, l’Universo si contrae sempre di più fino a raggiungere le dimensioni di un singolo atomo. In questo granello ultracompatto di calore ed energia le leggi della fisica e del tempo così come le conosciamo cessano di funzionare.

Nell’immaginario viaggio a ritroso fino alle origini, la linea del tempo si assottiglia all’infinito a mano a mano che l’Universo si fa più piccolo, senza mai raggiungere un punto di partenza. Prima del Big Bang il tempo era ripiegato, curvo su se stesso: «Si avvicinava a raggiungere il niente, ma non è mai stato il niente», spiegò Hawking: «non c’è mai stato un Big Bang che ha prodotto qualcosa dal nulla. Sembra così soltanto da una prospettiva umana».

In un precedente intervento su questo tema, Hawking aveva scritto: «Gli eventi precedenti al Big Bang sono semplicemente non definiti, perché non c’è modo di misurare che cosa sia successo a tali eventi. Poiché gli eventi avvenuti prima del Big Bang non hanno conseguenze osservazionali, si possono anche tagliare fuori dalla teoria, e dire che il tempo è iniziato con il Big Bang».

Il multiverso di Hawking

I molteplici universi alternativi che compongono la realtà potrebbero non essere poi troppo diversi l’uno dall’altro, né tanto meno infiniti: l’insieme di universi possibili potrebbe, in altre parole, essere circoscritto.

multiversi

È una delle ipotesi proposte nell’ultimo, atteso e assai anticipato lavoro di Stephen Hawking, un articolo scientifico intitolato A Smooth Exit from Eternal Inflation? (una facile via d’uscita dall’eterna inflazione?), frutto di una lunga collaborazione con il fisico belga Thomas Hertog e pubblicato ieri in forma definitiva sul Journal of High Energy Physics.

Una delle teorie più accreditate sulla nascita dell’Universo è che al Big Bang siano seguite ondate successive di inflazione cosmica, ossia processi a cascata di espansione vertiginosa, in parte ancora in corso, che avrebbero dato origine a un “universo a bolle”: una struttura a frattale in cui ogni bolla rappresenterebbe un’unità cosmica a sé.

«La teoria convenzionale dell’inflazione eterna prevede che, globalmente, il nostro Universo sia come un frattale infinito, con un mosaico di differenti universi-tasca separati da un oceano inflazionario», aveva affermato Hawking lo scorso autunno, aggiungendo di non essere però un grande “fan” di questa ipotesi.

Nel suo ultimo lavoro, pone dei limiti a questa infinità: gli universi alternativi potrebbero non essere governati da leggi fisiche radicalmente diverse e, al contrario, non essere molto differenti l’uno dall’altro. Questa teoria aiuterebbe a spiegare perché, data la varietà di condizioni ostili possibili, quello in cui viviamo sia un universo così incredibilmente adatto alla vita.

«Nella vecchia teoria – spiega Hertog – c’era qualunque tipo di universo: alcuni vuoti, altri pieni di materia, altri espansi troppo velocemente, altri di vita breve. Era presente una varietà immensa. Il mistero era perché noi dovessimo vivere in questo universo speciale dove tutto è perfettamente bilanciato così da permettere la complessità della vita. Questo lavoro […] riduce invece il multiverso a una gamma più gestibile di universi che si somigliano. Stephen direbbe che teoricamente è quasi come se l’Universo dovesse essere così. Ciò ci lascia sperare che si possa arrivare a una struttura completamente predicibile della cosmologia.»

Riferimenti e approfondimenti

  1. Roger Penrose, Before the Big Bang: An Outrageous New Perspective and its Implications for Particle Physics (PDF), in Proceedings of the EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, 2006, pp. 2759–2762.
  2. Richard Panek, Il 4% dell’universo. La storia della scoperta della materia oscura e dell’energia oscura, 2012
  3. David Deutsch, The Structure of the Multiverse
  4. Tom Gehrels, The Multiverse and the Origin of our Universe
  5. Nature, Volume 448 Number 7149 pp. 1-104 (Il numero di Nature del 5 luglio 2007)
  6. Dal big bang ai buchi neri (A Brief History of Time), regia di Errol Morris (1992)
  7. Stephen Hawking, modern cosmology’s brightest star, dies aged 76, in The Guardian, 14 marzo 2018.

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