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Parte seconda
L’Universo si espande nel nulla e non nel vuoto
Un modo per comprendere il mondo in cui viviamo, consiste semplicemente nel
guardarsi intorno, osservare i vari fenomeni che accadono, cominciando a
inquadrarli in leggi che abbiano un valore a carattere generale. La mente umana
sembra svolgere egregiamente tale compito, ma la mente si è evoluta in un certo
tipo di ambiente, e da questo ha tratto certe conclusioni.
Ora, una delle maggiori difficoltà nella comprensione di teorie come la
relatività, o la fisica quantistica, consiste, non tanto nella difficoltà insita
nelle teorie stesse, quanto ad un cambiamento di "gestalt", infatti, capita spesso
di leggere trattati di relatività a carattere divulgativo e non, trovando frasi
del tipo, “abbandoniamo il senso comune e abituiamoci ad abbracciare l’assurdo”.
Un’altra difficoltà tipica di chi si trova a divulgare certi concetti di fisica,
consiste nell’uso delle parole; comunemente la parola ‘lavoro’ ha un certo
significato per il cosiddetto uomo della strada, mentre assume un significato
diverso per il fisico, una cosa del genere avviene anche per parole come ‘rumore’. Ma,
al di la di un ambito specifico, anche termini quali ‘spazio’ – ‘tempo’ –
assumono connotati diversi. Ad esempio, per Newton, tempo e spazio sono
sconnessi, ma per Einstein sono indissolubili.
Proviamo a fare qualche ragionamento sulla parola ‘spazio’. Se svuotiamo una
stanza dai mobili in essa contenuta, diciamo che è vuota, possiamo anche dire,
però, che è piena di spazio. Se riempiamo una stanza vuota con del mobilio,
diciamo che è piena, possiamo anche dire che è vuota da un punto di vista
spaziale; c’è meno spazio!
Ora, se pensiamo al Big Bang, sarà decisamente intuitivo immaginare l’Universo
nascere improvvisamente dal vuoto cosmico, espandendosi così come si espandono i
cocci di un vaso che esplode. Nulla di più errato. Perché nella nostra
immaginazione, (intuitiva), il Tutto si espande nel vuoto, cioè come se fosse
già presente lo spazio nel quale l’Universo si dovrà espandere. E’ decisamente
più difficoltoso immaginare che il Tutto si espande nel nulla e non nel vuoto.
Con il Big Bang nasce anche lo spazio, ma (siccome spazio e tempo diventano
spaziotempo con Einstein), se nasce lo spazio deve necessariamente nascere
anche il tempo.
Visto che, senza Big Bang, concetti come ‘spazio’ e ‘tempo’, non hanno
significato alcuno, domandarsi che cosa c’èra prima del Big Bag è inutile, così
come il domandarsi ‘dove’ siano nato il Tutto. E’ appropriato affermare che
l’Universo si espande nel nulla e non nel vuoto: ma qual è la differenza tra il
nulla e il vuoto?
Nel vuoto è presente dello spazio, nel nulla no.
Il nulla come forza motrice
Una delle domande fondamentali della moderna cosmologia, consiste nella grande
uniformità dell’Universo. Se il cosmo è nato 14 miliardi d’anni fa da un “grande
botto”, l’energia in gioco deve essere stata enorme. G. Gamow, (assieme a due
colleghi Ralph Alpher e Robert Herman), ipotizzò un residuo a tale “palla di
fuoco primordiale”, una radiazione cosmica di fondo, avente una certa
temperatura, di un Universo che espandendosi si raffredda. La scoperta di questa
radiazione cosmica di fondo, fruttò il premio nobel a Arno Penzias e Robert
Wilson, questa radiazione ha una temperatura di 2,7° gradi kelvin, (ricordiamo
che lo zero assoluto - 0 Kelvin – equivale a –273,15 C°). Quello che
maggiormente colpì di questa scoperta, fu la straordinaria uniformità
(isotropia) di questa radiazione, essa permea l’intero Universo, non mostrando
una direzione privilegiata. *
* A parte la cosiddetta anisotropia di dipolo, dovuta principalmente all’effetto
Doppler, si riscontra una temperatura nella radiazione cosmica di fondo
leggermente superiore ai 2,7 K nella direzione del moto della Terra, e
leggermente inferiore dal lato opposto.
Quando A. Einstein sviluppò la teoria della relatività generale, l’Universo era
considerato statico, la materia esisteva da sempre e sarebbe durata per sempre.
Einstein s’accorse che la gravità, (in un simile quadro) avrebbe portato
rapidamente al collasso l’intero Universo, quindi introdusse una “Costante
Cosmologica”, consistente in una forza repulsiva che, contrastando esattamente
la forza gravitazionale, avrebbe mantenuto un equilibrio stabile. Ma la scoperta
dell’espansione cosmica da parte di E. Hubble fu un duro colpo per il nostro,
tanto da indurlo a cancellare la suddetta costante, considerandola “il più
grande errore della mia vita”…
Studiando le equazioni della relatività generale, il brillante fisico russo
Alexander Friedman ricavò tre modelli d’espansione cosmica: Universo aperto,
chiuso e piatto.
Un universo chiuso, (curvatura costante positiva), conoscerà il cosiddetto Big
Crunch. La densità di materia è sufficiente a frenare l’espansione cosmica,
avviando un’implosione.
Un universo di tipo aperto, (curvatura costante negativa), non conoscerà Big
Crunch alcuno, in quanto la gravità non sarà in grado di frenare l’espansione
cosmica (bassa densità ).
Un Universo piatto rappresenta una via di mezzo; in questo caso il cosmo si
espanderà per sempre, senza ne accelerare ne decelerare, andando incontro alla
cosiddetta “morte fredda”.
La densità di materia osservata in astronomia è sempre risultata troppo bassa
per chiudere l’Universo. Fino a non molti anni fa, i modelli di Friedman
rappresentavano un duro banco per le diverse scuole di cosmologia, ma dallo
studio delle curve di luce delle supernovae di tipo Ia, emerse un fatto
sconcertante; l’Universo non solo è in espansione ma addirittura accelera!
Novae e
Supernovae di tipo Ia e II
Le novae
Le stelle non sono immutabili ed eterne come la fisica aristotelica ci portava
a pensare, tutt’altro, le stelle nascono, “vivono” e muoiono. E’ difficile
rendersi conto di quanto appena affermato, in quanto i tempi scala sono enormi;
rispetto alle stelle siamo realmente effimeri. Una delle maggiori difficoltà
dell’astrofisica, consisteva proprio nello studiare fenomenologie la cui durata
supera abbondantemente quella del ricercatore, e anche dei suoi lontanissimi
discendenti, ma non dobbiamo vivere quanto le stelle per renderci conto della
loro evoluzione, allo stesso modo, potremo farci un’idea della vita umana,
osservando dei bimbi a differenti stadi di crescita, dei ragazzini, degli
adulti, degli anziani e dei vecchi, senza necessariamente dover aspettare
ottanta novant’anni per avere un quadro completo del ciclo vitale dell’uomo.
Quando osserviamo le stelle vediamo delle istantanee della loro esistenza, ma
fortunatamente, abbiamo a disposizione un vasto campionario di astri, a tutti i
livelli evolutivi.
Quando una stella faceva la sua improvvisa apparizione nei cielo dell’antichità,
poteva suscitare diverse reazioni: dalla paura all’ammirazione.
Gli antichi
vedevano comunque un astro apparire improvvisamente per poi sparire alla vista
in maniera graduale, chiamarono queste stelle novae, che significa stelle nuove.
Nella realtà ci troviamo di fronte a stelle molto vecchie, ormai prossime alla
fine del loro ciclo evolutivo.
L’esplosione
Perché si accende una nova? Questa è una tipica domanda posta in astrofisica. La
risposta cominciò a prender forma, quando si scoprì che (esaminando vecchie
lastre d’archivio), le cosiddette pre-novae, (prima del tipico aumento di
luminosità), erano tutte stelle binarie, con una stella in stato assai avanzato,
in orbita attorno a una compagna collassata; una nana bianca. Ma il fatto assai
sconcertante è che, quando la luminosità della nova si è attenuata,
permettendoci di dare nuovamente uno sguardo al sistema originario, (ricordiamo
che la luminosità tipica è dell’ordine dei 100.000 volte la luminosità
normale dell’astro, sviluppando un’energia che equivale a quella emessa da
una stella come il nostro Sole in centomila anni), si è scoperto che il sistema
binario non veniva distrutto, se ne dedusse quindi che il fenomeno “nova” non
doveva interessare tutta la stella ma solamente una parte di essa, probabilmente
esterna; quale era il meccanismo responsabile del fenomeno nova?
La stella collassata è una tipica nana bianca, un astro veramente denso formato
da materia in stato degenere. In origine si trattava di una stella del tipo
solare, ridotta alle dimensioni di un pianeta grande come la nostra Terra dall’enorme implosione. La stella compagna è una tipica gigante rossa, con un
diametro centinaia di volte superiore a quello del nostro Sole. L’atmosfera
espansa ed estremamente rarefatta di una gigante rossa, permette un afflusso di
materia verso la nana bianca. Si forma un disco di accrescimento, (la materia
non cade direttamente sulla nana bianca ma forma un disco di gas, avente una
certa viscosità, che le orbita attorno), dal quale discende un flusso di materia
verso la stella nana. Sulla superficie di quest’ultima si forma una macchia
calda, (in inglese hot spot), sulla quale, raggiunto un limite critico di
temperatura e di pressione, si verifica una deflagrazione, che produce il
fenomeno nova.
Le Supernovae
Esistono diversi tipi di supernovae, in questo caso mi occuperò solo delle Ia,
le quali presentano lo stesso meccanismo esplosivo delle novae. In sostanza,
anche in questo caso si assiste a una caduta di materia su una stella compatta,
ma (senza scendere nei dettagli), la deflagrazione distrugge l’intera stella, la
quale può superare in splendore l’ìntera galassia che la ospita!
Ho detto che esistono diversi tipi di supernovae, le quali, oltre ad avere
differenti meccanismi che ne innescano il fenomeno esplosivo, raggiungono
magnitudini assolute al massimo diverse.
SN II
Le supernovae di tipo II, quelle che non si utilizzano come candele standard per
la misurazione delle distanze intergalattiche, sono stelle singole di massa
molto grande, (8 – 10 masse solari), e la loro vita media è breve, circa 10/20
milioni di anni.
Una stella splende a causa delle reazioni termonucleari che si svolgono nel suo
nucleo, dove una certa quantità di idrogeno, viene convertita in elio. Una volta
esaurito l’idrogeno si ha il bruciamento dell’elio, ma quando anche quest’ultimo
elemento si esaurisce nel nucleo, avvengono altre reazioni termonucleari, dove
l’elio, (attraverso la cosiddetta “reazione tripla alpha”) si converte in
carbonio, in ossigeno, e così via fino alla sintesi del ferro,
arrivati a questo punto la stella subisce un collasso, perché la sintesi del
ferro rappresenta un processo endotermico, (non viene più prodotta energia).*
*
Questo avviene perchè l'energia di legame
raggiunge il picco proprio nel ferro.
La
stella si contrarrà così come ha sempre fatto ogni qualvolta ha esaurito un
combustibile nella regione nucleare, con la fusione del quale si veniva a creare
un nuovo equilibrio, questa volta però, nessun nuovo equilibrio verrà
ripristinato e la stella è costretta a implodere, il nucleo si contrarrà
irrimediabilmente fino alle più estreme conseguenze.
Ad una certa temperatura, raggio e densità, la materia si neutralizzerà e
assumerà uno stato degenere, e quando le dimensioni del nucleo saranno diventate
più piccole della Terra, l’enorme energia verrà rilasciata in forma di onda
d’urto, che distruggerà l’intera stella. La magnitudine assoluta di una SN di
tipo II è mediamente di -16,3.
SN Ia
Una supernova di tipo I, è sempre parte di un sistema binario, dove una delle
due componenti si trova nello stadio di nana bianca al carbonio (o all'ossigeno). La nana bianca
è composta da materia degenere, con un grado di densità molto elevato, che
esercita una forte attrazione gravitazionale sulla stella compagna. Se le due
componenti sono sufficientemente vicine, ci sarà un trasferimento di materia
che, dalla stella non collassata fluirà sulla nana bianca. Una nana bianca è
stabile solamente finchè la sua massa non supera il limite di Chandrashekhar di
1,4 masse solari.
Quando sulla nana bianca, a causa di questo trasferimento di materia, viene
superato il limite di massa di Chandrashekhar, la stella si contrae bruscamente,
il che innesca le reazioni nucleari, per la combustione del carbonio, la cui
energia rilasciata è sufficiente a disintegrare l’intera stella. La magnitudine
assoluta di una SN di tipo Ia è di -18,3.
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