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www.ildialogo.org Quando è nato l’Universo?,Michele Zarrella  *

Quando è nato l’Universo?

Michele Zarrella  *

 

https://www.ildialogo.org/foto2/MicheleZarrella250.jpg               L’Universo è nato 13,8 miliardi di anni fa. Chiunque sia in grado di utilizzare un tablet scrive la domanda sul motore di ricerca, clicca e gli compare ”13,7 miliardi di anni fa: ha luogo il Big Bang che segna la nascita dell'Universo, o meglio, l'inizio della sua espansione tramite la nascita dello spaziotempo[da Internet]. Ma come si fa ad affermare con tanta sicurezza qualcosa che è avvenuta oltre dieci miliardi di anni fa?

Nel 1929 l’astronomo statunitense Edwin Powell Hubble, studiando per anni e anni, notte dopo notte, le mappe del telescopio Hooker dell'Osservatorio di Monte Wilson, scoprì che le galassie si allontanano da noi e che più sono lontane più velocemente si allontanano. Hubble allora formulò, insieme a Milton Humason, la legge empirica di spostamento verso il rosso (redshift), oggi nota come Legge di Hubble, utilizzata per calcolare la distanza delle galassie, e affermò una cosa che sconvolse il modo comune di pensare: l’Universo è in espansione. A quell’epoca gli scienziati credevano che l’Universo fosse fermo e immutabile e tale teoria ha avuto il suo seguito fino a mezzo secolo fa. Anche Einstein credeva che l'Universo fosse fermo e immutabile, per questo nella equazione della relatività generale Rab – ½ R gab = 8 π G Tab introdusse la costante universale Λ (lambda), in seguito detta costante cosmologica, e aggiunse a primo membro della sua equazione il termine + Λ gab che bilanciava la forza gravitazionale di attrazione e così manteneva l'Universo statico. Ne abbiamo già parlato ampiamente nell'articolo Primo centenario della Relatività generale (https://www.ildialogo.org/cEv.php?f=http://www.ildialogo.org/astronomia/Luniverso_1447316438.htm). La scoperta di Hubble rivoluzionò il mondo e costrinse Einstein ad affermare che la costante universale Λ che lui aveva introdotto nella sua equazione della relatività generale era stato "il più grande abbaglio della sua vita". Oggi, per spiegare la recente scoperta dell'accelerazione dell'espansione dell'Universo che sta avvenendo da 4 miliardi di anni, la costante cosmologica è stata reintrodotta ma col significato di componente energetica del vuoto.

Nel tempo la costante di Hubble ha avuto vari aggiustamenti. Oggi i cosmologi concordano nell’affermare che la costante di Hubble è pari a 67,8 +/- 0,8 km/s/Mpc. Il simbolo "km" sta per chilometri, "s" per secondi e "Mpc" per megaparsec, un milione di parsec. Un parsec è la lunghezza del cateto del triangolo rettangolo che ha come altro cateto la distanza Terra-Sole quando quest'ultimo è sotteso a un angolo di 1", cioè 1/3600 di grado. Sapendo che la distanza Terra-Sole è pari a 150 milioni di chilometri si ha che un parsec è 30,9 x 1012 km [si legge 30,9 bilioni di chilometri - un bilione è pari a un milione elevato alla seconda: (106)2 = 1012] pari a 3,26 anni luce. Pertanto un megaparsec è 30,9 x 1018 km, [si legge 30,9 trilioni di chilometri - un trilione è pari a un milione elevato alla terza: (106)3 = 1018]. La costante di Hubble dice che più la galassia si trova ad una distanza maggiore da noi più velocemente si allontana e tale maggiore velocità è di 67,8 km/s se la maggiore distanza è di un Mpc. O diversamente: per ogni megaparsec più distante da noi la galassia si allontana di 67,8 km/s più velocemente. Per esempio una galassia che dista da noi 10 Mpc si allontana con una velocità di 678 km/s, mentre una che dista 11 Mpc si allontana con una velocità di (678 + 67,8 =) 745,8 km/s. Beh, immaginate un panettone con 4 canditi nel forno. Prima della lievitazione tre canditi si trovano dal candito di sinistra ad una distanza che misuriamo di 1 cm, di 2 cm e di 3 cm. Quando inizia la lievitazione tale distanza aumenta e quelli che si trovano più lontani si allontaneranno più di quelli che sono più vicini. Alla fine della lievitazione il candito che si trovava a 1 cm si troverà a 2 cm (si è allontanato di 1 cm), quello che si trovava a 2 cm si troverà a 4 cm (si è allontanato di 2 cm) e quello che si trovava a 3 cm si troverà a 6 cm (si è allontanato di 3 cm). Quindi i canditi più lontani dal candito di sinistra si saranno allontanati di più di quelli più vicini. È quello che succede per il nostro Universo: le galassie più lontane si allontanano con maggiore velocità.

Bene. Ma se l’Universo si espande vuol dire che in passato doveva essere stato più piccolo? Eh sì. E tornando ancora più indietro doveva essere stato ancora più piccolo.  Tornando sempre più indietro nel tempo e riavvolgendo il processo dell'espansione, vedremmo riavvicinarsi tutte le stelle, le galassie, gli ammassi, le nebulose, le nubi di polvere...  Continuando così la materia, in un turbinio sempre più intenso, si addensa in uno spazio sempre più piccolo e giungeremo ad un momento in cui l’Universo era un neonato: talmente piccolo da essere un puntino densissimo, caldissimo e con una curvatura infinita che i fisici, oggi, chiamano singolarità. La teoria fu proposta fra il 1922 e il 1924 dal matematico russo Alexander Friedmann, dal sacerdote gesuita e fisico belga Georges Lemaître e, infine, dal cosmologo George Gamow, che nel 1956 ipotizzò anche l'esistenza della radiazione cosmica di fondo, scoperta inconsapevolmente nel 1964 da Arno Penzias e Robert Wilson e che fece naufragare definitivamente la "teoria dello stato stazionario" che ipotizzava un Universo statico e eterno tenuta in auge da Hermann Bondi, Thomas Gold e Fred Hoyle. Una curiosità: in una trasmissione della BBC del 1949 la teoria sostenuta da Friedmann, Lemaître e Gamow fu irrisa da Fred Hoyle, acerrimo detrattore del concetto di singolarità, ironicamente, la appellò Big Bang: "Grande Scoppio". Come per dire un "Grande Botto", quasi a significare una "Balla Colossale". Ma quello che doveva mettere inn ridicolo la teoria finì per penetrare nell'immaginario collettivo e la teoria prese definitivamente il nome di Teoria del Big Bang, ma non c'è mai stato nessun grande scoppio. Oggi è il modello cosmologico assolutamente condiviso dagli scienziati perché è quello che meglio spiega l'evoluzione del nostro Universo - avendone avute diverse conferme sperimentali: legge di Hubble (l'Universo è in espansione), radiazione cosmica di fondo (omogeneità della tempeeratura e flusso uniforme in tutte  le direzioni), quantità di idrogeno e di elio nell'Universo previste da Gamow.

E quando è successo tutto questo? Ci occorre la costante di Hubble, che dimensionalmente è l'inverso di un tempo, e pochi calcoli per stimare quando ha avuto inizio l’Universo. Se noi sappiamo con che velocità si espande l’Universo e approssimiamo che essa è costane, possiamo fare questo calcolo, diciamo così, a ritroso, dividendo 1 per la costante di Hubble e cioè 1 / 67,8 km/s/Mpc. Con semplici passaggi matematici e trasformando nelle giuste unità di misura, cioè sostituendo a 1 Mpc = 30,9 x 1018 km si elimina l’unità di misura km e resta quello che vogliamo sapere: s, il tempo. Pertanto si ha: 1 Mpc / 67,8 km/s = 30,9 x 1018 km / 67,8 km/s = 4,55752 x 1017 s = 455,752 x 1015 s, cioè l’Universo è nato 455 biliardi di secondi fa (un biliardo è dato da un bilione [(106)2 = 1012] per 1000 e cioè 1012 x 103 = 1015).

Ora, per passare da secondi a ore dobbiamo dividere per 3600, perché 1 h = 3600 s, quindi avremo 455,752 x 1015 s / 3600 s/h = 126.597,777 x 109 h. Per passare da ore a giorni dobbiamo dividere per 24, perché 1 giorno = 24 h, quindi avremo 126.597,777 x 109 h / 24 h/giorno = 5.274,9074 x 109 giorni. Per passare da giorni ad anni dobbiamo dividere per 365,2422 perché 1 anno = 365,2422 giorni, quindi avremo 5.274,9074 x 109 giorni / 365,2422 giorni/anno = 14,4422 x 109 anni, cioè 14,44 miliardi di anni. E tenendo conto della possibile variazione di +/- 0,8 tale valore oscilla fra 14,46 e 14,42 miliardi di anni fa. Quindi, secondo questi calcoli, l’Universo è nato 14,44 miliardi di anni fa. Ma i cosmologi, tenendo conto della forma dell’Universo e dei dati ottenuti dal telescopio Planck dell'agenzia spaziale europea, pongono la nascita dell’Universo a 13,799 +/- 0,021 miliardi di anni fa con un margine di errore di +/- 0,021 miliardi di anni. Cioè i cosmologi hanno determinato l'età dell'Universo con un errore di poco superiore allo 0,15%. Come se voi valutando l'età di un quattordicenne indichereste la sua data di nascita con un margine di +/- 7,78 giorni: meno di 8 giorni. Per esempio, se il quattordiecenne fosse nato il 15 febbraio 2005 voi indichereste una data compresa fra il 7 e il 22 febbraio 2005. Un risultato straordinario. Non vi pare? Quindi sappiamo che l'Universo ha avuto un inizio e questo inizio è avvenuto 13,80 miliardi di anni fa. A quel tempo, ovviamente, la specie umana non esisteva. L'Homo sapiens è comparso sul pianeta circa 200.000 anni fa. Quindi è molto giovane rispetto all'età dell'Universo. Ma quanto è più giovane? Per capire ciò immaginiamo che l'età dell'Universo sia pari a un anno solare, cioè da gennaio a dicembre e che ora siamo alla mezzanotte del 31 dicembre. Facendo una semplice proporzione otterremo che la specie sapiens è comparsa 7,622 minuti - meno di 8 minuti - prima della mezzanotte del 31 dicembre. Quindi la nostra specie è estremamente recente rispetto all'età dell'Universo. Nella proporzione precedente la nostra specie non ha nemmeno 8 minuti di vita. E quanto ha inciso sull'equilibrio dinamico della biosfera che la ospita? Tantissimo. Tanto che è estremamente probabile che sia la causa del riscaldamento globale riscontrato nell'ultimo secolo e al quale occorre presto porre rimedio. Se vogliamo vivere a lungo su questo pianeta è imperativo rispettare il fragile equilibrio della biosfera che ci ospita.

Gesualdo, 11 novembre 2018

 

* Presidente di ASTRONOMIA MODERNA

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