Il “Big Bang” (Cosmologia Parte III)

1° Evidenza a favore del Big Bang G.Lemaître nel 1927 propose lo scenario di un’esplosione iniziale. Negli anni 40 il fisico G.Gamow affrontò il problema in modo analogo ipotizzando che idrogeno, elio, deuterio e litio si siano formati nei primi istanti di vita del cosmo. Si è verificato che le percentuali di elementi presenti nella materia stellare corrispondono a quelle previste dalla teoria.

2° Evidenza a favore del Big Bang Nel 1965 viene scoperta una debole radiazione isotropa di fondo, con massimo di intensità a  = 0.2 cm. Si suppone che sia proprio ciò che si stava cercando: il residuo della radiazione prodotta nel Big Bang. La radiazione rivela uno spettro di corpo nero a 2.7 K

Spettro di Corpo Nero Radiazione di fondo a 2.7 K Intensità della radiazione di fondo cosmica in funzione della frequenza, misurata dal satellite COBE. (NASA Goddard Space Flight Center)

“Ipotesi di Lavoro” Il Big Bang consente di spiegare molte osservazioni, perciò viene considerata “un’ipotesi di lavoro” attendibile ma non priva di problemi. Nel modello l’Universo non inizia al tempo zero, ma ad un istante detto “tempo di Planck” tp = 10-43 s. Prima dell’origine, materia, spazio e tempo costituivano una “singolarità”. Al tp l'Universo era caldissimo (T=1032 gradi) con una dimensione di 10-33 cm.

Era Radiativa Dopo l’inizio si formano i quark dai quali nascono neutroni e protoni con antiparticelle. Dopo 10-23 s, l’Universo è grande come un protone. Fino a 10-6 s, protoni e antiprotoni si annichilano, trasformandosi in energia elettromagnetica. In seguito compaiono elettroni e positroni. Anch’essi si annichilano producendo radiazione elettromagnetica. L’Universo è dominato da radiazione, questo periodo prende il nome di “era radiativa”.

Radiazione e Materia Dopo 1 minuto la temperatura è sotto 109 K, protoni e neutroni danno luogo alle prime fusioni formando nuclei atomici (deuterio, elio e litio). Dopo qualche migliaio di anni, l’Universo non è più dominato dalla radiazione EM; materia e radiazione sono accoppiate. 300mila anni dopo, la diminuzione della temperatura consente a materia e radiazione di disaccoppiarsi. l’Universo diviene trasparente alla radiazione. Gli elettroni si uniscono ai nuclei formando gli atomi.

La Formazione delle Stelle Dopo alcune centinaia di milioni di anni la temperatura è scesa sotto i 4000 gradi. Gli elettroni si combinano con i nuclei: la materia divenne in gran parte elettricamente neutra. La materia si aggrega: si formarono le prime protogalassie. Dopo 2-3 miliardi di anni, si formano gli ammassi galattici A 4 miliardi di anni si formarono le prime stelle.

HST: protogalassia di prima generazione in formazione

I Quasar sono associati a galassie in formazione.