Un meraviglioso viaggio alla scoperta della storia e della struttura dell’Universo

Il nostro viaggio verso la comprensione della natura del nostro universo è iniziato migliaia di anni fa e aveva le sue radici nella religione e nella filosofia. Circa 2.300 anni fa, gli attenti osservatori nel Mediterraneo dedussero che la Terra doveva essere rotonda e che doveva per forze di cose orbitare attorno al Sole; non c’era alcun modo per dimostrare che queste prime teorie fossero corrette, tuttavia non potevano resistere alla nozione più lusinghiera, ossia che la Terra fosse il centro di tutto e che il cosmo fosse presente per supportare la vita ed il destino umano. Quando l’astronomo italiano Galileo Galilei perfezionò il telescopio astronomico inventato dall’ottico fiammingo Hans Lippershey, e lo puntò per la prima volta al cielo, circa 1.900 anni dopo le prime contemplazioni della volta celeste, è stato finalmente possibile fare osservazioni precise riguardo i pianeti e le stelle. E’nata quindi una scienza della struttura e della storia dell’intero universo, chiamata “cosmologia”. La nostra attuale comprensione della storia dell’universo viene visualizzata nella foto sopra, partendo da sinistra e arrivando a destra. Noi pensiamo che subito dopo la sua creazione, al momento del Big Bang, l’universo si è espanso drammaticamente, in un evento chiamato inflazione. La nostra Terra però si è formata quando l’universo aveva circa 9,2 miliardi di anni. L’espansione dell’universo continua ancora oggi e sta a quanto pare accelerando. Nella prima serie di infografica per prima cosa si da un’occhiata alla struttura dell’universo su scale sempre più grandi e si scopre come siamo arrivati ??alla nostra attuale comprensione di esso. Nella seconda parte della nostra sequenza, inizieremo con il Big Bang e andremo avanti nel tempo per osservare come l’universo si è evoluto fino ai giorni nostri. Circa 2500 anni fa i viaggiatori greci riferirono di aver individuato tante costellazioni nel cielo man mano che si spostavano da Nord a Sud del pianeta. Da attenti osservatori quali erano, notarono inoltre durante un’eclisse di Luna, che l’ombra proiettata dalla Terra aveva un bordo. Dopo qualche secolo, lo studioso Eratostene stimò le dimensioni della Terra, notando la differenza delle ombre proiettate dal Sole in luoghi posti a poche centinaia di chilometri di distanza. Assumendo la distanza del Sole e i raggi paralleli, Eratostene potrebbe aver utilizzato semplici formule geometriche per calcolare la circonferenza della Terra. Non è noto quanto fosse accurata la sua misura, ma potrebbe aver sbagliato di non più di qualche punto percentuale. Davvero straordinario! Ma torniamo indietro nel tempo per dare uno sguardo alla nostra Terra, nel contesto del sistema solare interno. Le prime idee sui movimenti del Sole, della Terra e dei pianeti, sono stati ricavati da nozioni teologiche, astrologiche e filosofiche. Di come Dio avrebbe ordinato il mondo. L’astronomo polacco Niccolò Copernico però nel 1500, causò grande scalpore suggerendo che probabilmente era la Terra che girava intorno al Sole, a differenza di quanto insegnava il cristianesimo in quegli anni, che asseriva che era il Sole a ruotarci intorno in quanto la Terra era al centro dell’universo. Per secoli si è creduto che i pianeti si muovessero come se annidati in sfere di cristallo, ruotando attorno ad un punto centrale. Tuttavia già nel sedicesimo secolo l’osservazione di comete cominciò a far cambiare opinione in merito a questa teoria. Nel 1609, un matematico tedesco di nome Giovanni Keplero, pubblicò le sue teorie in merito al moto dei pianeti, le quali stabilivano che i corpi nel nostro sistema solare si muovevano su orbite ellittiche. Egli infatti stabilì che i pianeti percorrono orbite ellittiche di cui il Sole occupa uno dei 2 fuochi. Fin dalle prime epoche della preistoria umana, l’intero universo è stato pensato per includere solo gli elementi visibili ad occhio nudo: la Terra, la sua luna e il Sole, cinque punti di luce che si muovevano e che sono stati chiamati “pianeti”, più una sfera lontana su cui le stelle e la fascia luminosa della Via Lattea sono state inserite. Le teorie di astrologia e, in seguito, dell’astronomia, sono state concepite per spiegare i movimenti di questi oggetti celesti, ma la loro vera natura poteva solo essere tirata ad indovinare. Quando nel 1609 l’astronomo italiano Galileo finalmente puntò il suo cannocchiale nel cielo, scoprì che c’erano altri mondi, e che non tutti quei puntini erano stelle. Molti di questi mondi avevano a loro volta dei satelliti che gli ruotavano intorno. Prima dell’avvento del telescopio infatti i pianeti erano praticamente sconosciuti e soltanto quelli visibili ad occhio nudo avevano quantomeno la denominazione in quanto mostravano un moto differente dalle stelle. Con l’avvento del telescopio poi, ne sono stati scoperti anche altri non visibili ad occhio nudo, come Urano nel 1781 (teoricamente è visibile da un cielo molto buio ma a quei tempi era difficilissimo poterlo distinguere come pianeta), e Nettuno nel 1846. Successivamente è venuto il tempo di studiare piccoli corpi come comete ed asteroidi, stelle e nebulose sempre più lontane. Nel 17° secolo, l’invenzione del telescopio e la scoperta delle leggi del moto di Keplero hanno dimostrato che il Sole è una stella come quei puntini luminosi nel cielo, e che tutto obbedisce alle leggi della fisica. Nel 19° secolo poi, la spettroscopia, lo studio delle lunghezze d’onda della luce che sono emesse da oggetti, ha consentito di indagare sui gas di cui sono composte le stelle. Gli scienziati hanno anche scoperto nel 19° secolo come misurare le distanze delle stelle attraverso il metodo della parallasse. Dal momento che le stelle sono molto più distanti rispetto agli oggetti del nostro sistema solare, lo spostamento di parallasse è molto piccolo e di difficile misurazione. Il matematico e astronomo tedesco Friedrich Bessel fu il primo a misurare con successo la parallasse della stella 61 Cygni e a stimare la sua distanza dalla Terra di 10,4 anni luce. (Stime successive l’hanno regolata a 11,4 anni luce). Studiando la forma delle galassie distanti e misurando accuratamente gli oggetti che vediamo nella nostra galassia, abbiamo dedotto che la nostra è una galassia a spirale barrata. Contiene un nucleo centrale a forma di cuore composto di stelle (e di annidamento di un buco nero estremamente grande) ed è circondato da braccia a spirale, formato da stelle, gas e polvere. La configurazione esatta dei bracci a spirale è ancora dibattuta dagli astronomi, ma secondo una recente indagine si suppone che la nostra galassia Via Lattea abbia due bracci principali, che si diramano in quattro braccia verso l’esterno. Si pensa che i bracci a spirale della nostra galassia possano essere una sorta di onda di densità che viaggia in tutto il disco galattico, e le stelle si formerebbero lungo i bracci. Tutto ciò che orbita nella galassia intorno al suo centro, comprese le braccia, non sono strutture solide. Il nostro sistema solare viaggia all’interno e all’esterno delle braccia a spirale mentre gli orbita attorno. Studiando la rotazione delle galassie, è stato osservato che esse non girano come ci aspettiamo che facciano in base alla forza gravitazionale della materia che osserviamo. L’astronomo svizzero Fritz Zwicky nel 1934, suggerì che ci deve essere una grande quantità di materiale invisibile, rendendo le galassie a spirale più massiccie di quanto non appaiano. Da quel momento gli astrofisici hanno cercato questa materia oscura, spesso speculando che possa essere costituita da particelle esotiche diverse da qualsiasi cosa che conosciamo sulla Terra. Le stime attuali indicano che il nostro universo è composto per lo più di forme sconosciute di materia oscura e di energia oscura, mentre gli atomi familiari occupano solo una piccola frazione dell’universo. La Via Lattea, una scia di luce debole che abbraccia il cielo, è stata conosciuta nel corso della storia. La sua vera natura non è stata sconosciuta sino al 17° secolo, quando Galileo Galilei l’ha studiata con il suo telescopio e ha stabilito che era composta da una moltitudine di stelle. Piccole macchie sfocate di luce potevano essere visto però nel cielo; questi oggetti sono stati chiamati nebulose. Dal 18° secolo è stato ipotizzato che la Via Lattea sia stato un enorme sistema di stelle tenute insieme dalla forza di gravità, ma la reale natura delle nebulose è rimasto sconosciuto. Avrebbero potuto essere piccole nubi di gas all’interno della Via Lattea, o forse erano esterne alla nostra galassia. Utilizzando il nuovo telescopio di 100 pollici dell’osservatorio del Mount Wilson, in California, l’astronomo americano Edwin Hubble, studiò delle stelle chiamate Cefeidi, adatte per l’utilizzo come parametro di riferimento nella stima delle distanze cosmiche. In un articolo del 1925, Hubble concluse che alcune delle nebulose erano esterne alla Via Lattea, e che l’universo doveva essere più grande di quanto ci si aspettasse. E ‘stato notato prima nella seconda metà del 19° secolo che c’era un folto gruppo di nebulose nella costellazione della Vergine. Più tardi si scoprì che queste nebulose sonoin realtà galassie separate esterne alla nostra Via Lattea. Cento anni dopo, gli astronomi hanno ipotizzato che l’allineamento apparente di queste galassie potrebbe indicare un più elevato livello di struttura cosmica, variamente chiamato  “metagalassia” o “superammasso”. Nel 1982 l’astronomo R. Brent Tully pubblicò un’analisi delle distanze delle galassie del superammasso, dimostrando che erano in realtà parte di un’organizzazione più grande. Le distanze sono state determinate dalla constatazione dello spostamento verso il rosso dello spettro della luce proveniente da galassie. Le più grandi strutture che conosciamo sono proprio i superammassi, circondati da vasti vuoti nello spazio. Le galassie sono legate insieme in questo caso dalla forza di gravità. Quando la prima di queste strutture è stata scoperta da Margaret Geller e da John Huchra nel 1989, è stata soprannominata “la Grande Muraglia”. Una struttura molto più grande, la “Sloan Great Wall,” è stata successivamente scoperta nel 2003 da J. Richard Gott III e da Mario Juri?. La ricerca attuale nella struttura a larga scala dell’universo utilizza i dati raccolti dai sondaggi dello spostamento verso il rosso come la Sloan Digital Sky Survey. Questi sforzi utilizzano sensori di fotocamere digitali per fotografare le regioni del cielo, catturando milioni di oggetti distanti insieme ai dati necessari per formulare una mappa in 3-D dello spazio. L’universo osservabile è tutto quello che possiamo rilevare. Si tratta di una sfera di 93 miliardi di anni luce di diametro. Non possiamo percepire l’intero universo in una sola volta, a causa della lentezza della velocità della luce rispetto alla vastità dell’universo. Se guardiamo nello spazio, vediamo gli oggetti come erano in passato, sempre prima nella storia. Inoltre, a causa della espansione e dell’accelerazione dell’universo, gli oggetti distanti sono molto più lontani di quanto la loro età vorrebbe farci pensare. Per esempio, il bordo dell’universo osservabile è stimato in circa 46 miliardi di anni luce di distanza, anche se l’universo stesso è stimato in “soli” 13,7 miliardi di anni. La reale portata dell ‘universo è sconosciuta. Potrebbe essere molto più grande dell’universo osservabile – forse anche di dimensioni infinite. Tuttavia, la luce dalle più lontane regioni, non sarebbe mai in grado di raggiungerci, perchè lo spazio che dovrebbe percorrere si sta espandendo troppo velocemente. La nostra immagine attuale dell’universo osservabile deve molto al fisico americano Alan Guth, che nel 1980 ha lavorato molto in questa ricerca. Nel 20 esimo secolo l’astronomo belga e sacerdote cattolico Georges Lemaitre, calcolò che l’universo era in espansione. Il sacerdote ha teorizzato che ogni cosa nell’universo, una volta doveva essere compattato in un piccolo oggetto denso, che ha definito “l’atomo primordiale”. Il nome Big Bang derivò successivamente da Fred Hoyle.  L’espansione dell’universo spiega perché la luce proveniente da oggetti lontani è spostata verso l’estremità rossa dello spettro, un fenomeno chiamato “redshift”. Più lontano è un oggetto dalla Terra, più l’oggetto sarà stato spostato verso il rosso. Gli astronomi nel 1970 hanno riscontrato un problema nella comprensione dell’universo primordiale. Quando hanno sondato lo spazio profondo con i radiotelescopi, hanno scoperto un debole bagliore di radiazione di fondo. Le variazioni nella densità del segnale sono state interpretate come variazioni nella densità della materia nell’universo primordiale. Sorprendentemente, il bagliore di radiazione di fondo è risultato essere uniforme in ogni direzione. Questo sembrava irragionevole, perchè gli scienziati si aspettavano di trovare regioni di spazio con densità e temperature diverse, perché queste regioni sembravano troppo distanti per essersi evolute insieme. Il Fisico americano Alan Guth propose una spiegazione nel 1980. Egli teorizzò che nella piccola frazione di tempo solo dopo il Big Bang, l’universo subì un’espansione rapidissima. In un lampo, il suo volume aumentò di un fattore 10^78  (il numero 10 seguito da 78 zeri). Subito dopo, l’inflazione era terminata. Il modello inflazionario spiega perché l’universo appare uniforme in tutte le direzioni: tutto ciò che in esso si è evoluto insieme prima dell’inflazione. La teoria ha altre implicazioni sconcertanti: la parte di spazio che si vede deve essere solo una piccola parte di quella realmente esistente. Un vasto universo che non possiamo mai individuare direttamente. Un millesimo di secondo dopo il Big Bang, una grande quantità di materia e antimateria ha annientato l’altra (lasciando dietro di sé la materia che esiste nell’universo oggi). Nel giro di tre minuti la temperatura dell’universo è scesa a circa un miliardo di gradi, e gli atomi potrebbero aver iniziato a formarsi, a partire dagli elementi più semplici: idrogeno ed elio. Il plasma di quark dell’universo precoce è ancora teorico e si pensa che sia possibile a causa di una teoria chiamata cromodinamica quantistica. Il fisico americano Murray Gell-Mann è stato tra i primi a formulare questa teoria. I fisici stanno cercando di ricreare sulla Terra il plasma che si pensa abbia costituito l’universo primordiale, e per far questo stanno utilizzando gli acceleratori di particelle per comprimere insieme delle particelle subatomiche ad alta energia. Durante questo periodo, l’universo primordiale era caldo e opaco. A partire da circa 379 mila anni dopo il Big Bang, l’universo si raffreddò a sufficienza in modo che la luce poteva essere separata dalla materia e viaggiare liberamente. In breve, l’universo è diventato trasparente. Nel 1960 l’astronomo olandese Maarten Schmidt individuò strani oggetti nello spazio profondo, molto luminosi in lunghezze d’onda radio, che egli stesso definì “radio sorgenti quasi stellari”. L’astrofisico statunitense Hong Chiu-Yee successivamente li chiamò “quasar”. Fenomeni di Quasar erano stati raccolti nel 1950 dalle grandi antenne riceventi della Terra: i radiotelescopi. Quando Schmidt misurò la distanza del quasar studiando il redshift del loro spettro, quello che trovò fu estremamente sorprendente. Gli oggetti erano a miliardi di anni luce di distanza, e quindi dovevano essere incredibilmente luminosi per essere rilevati sulla Terra. Successivamente lo studio ha mostrato che i quasar sono misteriose galassie attive che si erano formata molto presto nella storia dell’universo. Un collasso gravitazionale aveva causato la fusione della materia, dando vita ai buchi neri giganti con la massa di miliardi di soli. Un buco nero si trova al centro di un quasar, raccogliendo la materia e il riscaldamento conseguente può essere sparato fuori in getti enormi viaggiando quasi alla velocità della luce. Le prime stelle si sono formate quando l’universo aveva solo 300 milioni di anni. La loro creazione è stata di breve durata ed erano composte principalmente da idrogeno ed elio, senza metalli. Queste prime stelle sono esplose come supernovae, e le generazioni successive sono state create dai resti dei soli precedenti. L’analisi dello spettro della luce dal nostro Sole mostra che è ricco di metalli, e quindi potrebbe essere stato creato solo a seguito di molte generazioni di stelle. La fonte dell’energia solare era un mistero fino a quando il fisico tedesco Albert Einstein ha elaborato nel 1905 che la materia poteva essere convertita in energia, con la sua famosa equazione E = mc^2. Nel 1920 l’astrofisico britannico Sir Arthur Eddington ha suggerito che il Sole poteva essere alimentato da un reattore a fusione nucleare, generando calore energia, convertendo l’idrogeno in elio. Gli scienziati hanno messo insieme un quadro impressionante della storia, dell’origine e della natura del nostro universo. Tuttavia, sappiamo ben poco di ciò che è realmente il nostro universo. Molte domande rimangono aperte nel campo della fisica e della cosmologia, e molti misteri affascinano ancora l’umanità. La scienza va avanti, fornisce risposte e amplifica i dubbi. Forse un giorno tanti quesiti saranno risolti.