L’universo è nato con il Big Bang come un punto inimmaginabilmente caldo e denso. Quando l’universo aveva appena 10-34 di secondo o giù di lì – cioè un centesimo di miliardesimo di trilione di trilione di secondo di età – ha sperimentato un’incredibile esplosione di espansione nota come inflazione, in cui lo spazio stesso si è espanso più velocemente della velocità della luce. Durante questo periodo, l’universo ha raddoppiato le sue dimensioni almeno 90 volte, passando dalle dimensioni subatomiche a quelle di una palla da golf quasi istantaneamente.
Il lavoro per comprendere l’universo in espansione deriva da una combinazione di fisica teorica e osservazioni dirette degli astronomi. Tuttavia, in alcuni casi gli astronomi non sono stati in grado di vedere prove dirette – come nel caso delle onde gravitazionali associate al fondo cosmico a microonde, la radiazione residua del Big Bang. Un annuncio preliminare sul ritrovamento di queste onde nel 2014 è stato rapidamente ritrattato, dopo che gli astronomi hanno scoperto che il segnale rilevato potrebbe essere spiegato dalla polvere nella Via Lattea.
Secondo la NASA, dopo l’inflazione la crescita dell’universo continuò, ma a un ritmo più lento. Mentre lo spazio si espandeva, l’universo si raffreddava e si formava la materia. Un secondo dopo il Big Bang, l’universo era pieno di neutroni, protoni, elettroni, anti-elettroni, fotoni e neutrini.
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Durante i primi tre minuti dell’universo, gli elementi leggeri sono nati durante un processo noto come nucleosintesi del Big Bang. Le temperature si raffreddarono da 100 non miliardi (1032) di Kelvin a 1 miliardo (109) di Kelvin, e protoni e neutroni si scontrarono per formare il deuterio, un isotopo dell’idrogeno. Per i primi 380.000 anni circa, l’universo era essenzialmente troppo caldo perché la luce potesse brillare, secondo il Centro Nazionale di Ricerca Spaziale francese (Centre National d’Etudes Spatiales, o CNES). Il calore della creazione ha frantumato gli atomi insieme con abbastanza forza per romperli in un plasma denso, una zuppa opaca di protoni, neutroni ed elettroni che ha disperso la luce come nebbia.
Circa 380.000 anni dopo il Big Bang, la materia si è raffreddata abbastanza perché gli atomi si formassero durante l’era della ricombinazione, risultando in un gas trasparente ed elettricamente neutro, secondo la NASA. Questo ha scatenato il lampo di luce iniziale creato durante il Big Bang, che è rilevabile oggi come radiazione cosmica di fondo a microonde. Tuttavia, dopo questo punto, l’universo era immerso nell’oscurità, poiché non si erano ancora formate stelle o altri oggetti luminosi.
Circa 400 milioni di anni dopo il Big Bang, l’universo cominciò ad emergere dall’età oscura cosmica durante l’epoca della reionizzazione. Durante questo periodo, durato più di mezzo miliardo di anni, le masse di gas collassarono abbastanza da formare le prime stelle e galassie, la cui energica luce ultravioletta ionizzò e distrusse la maggior parte dell’idrogeno neutro.
Anche se l’espansione dell’universo rallentò gradualmente mentre la materia dell’universo tirava su se stessa per gravità, circa 5 o 6 miliardi di anni dopo il Big Bang, secondo la NASA, una forza misteriosa ora chiamata energia oscura cominciò ad accelerare nuovamente l’espansione dell’universo, un fenomeno che continua ancora oggi.
Poco dopo 9 miliardi di anni dal Big Bang, nacque il nostro sistema solare.
Il Big Bang
Il Big Bang non avvenne come un’esplosione nel modo usuale in cui si pensa a queste cose, nonostante si possa dedurre dal suo nome. L’universo non si è espanso nello spazio, poiché lo spazio non esisteva prima dell’universo, secondo la NASA. Invece, è meglio pensare al Big Bang come alla comparsa simultanea dello spazio ovunque nell’universo. L’universo non si è espanso da nessun punto dal Big Bang – piuttosto, lo spazio stesso si è allungato e ha portato la materia con sé.
Siccome l’universo per sua definizione comprende tutto lo spazio e il tempo come lo conosciamo, la NASA dice che è oltre il modello del Big Bang per dire in cosa l’universo si sta espandendo o cosa ha dato origine al Big Bang. Anche se ci sono modelli che speculano su queste domande, nessuno di loro ha ancora fatto previsioni realisticamente testabili.
Nel 2014, gli scienziati dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics hanno annunciato di aver trovato un debole segnale nel fondo cosmico a microonde che potrebbe essere la prima prova diretta di onde gravitazionali, esse stesse considerate una “pistola fumante” per il Big Bang. Le scoperte sono state molto discusse, e gli astronomi hanno presto ritrattato i loro risultati quando si sono resi conto che la polvere nella Via Lattea avrebbe potuto spiegare i loro risultati. increspature misteriose
Età
L’universo è attualmente stimato a circa 13,8 miliardi di anni, più o meno 130 milioni di anni. In confronto, il sistema solare ha solo circa 4,6 miliardi di anni.
Questa stima deriva dalla misurazione della composizione della materia e della densità di energia nell’universo. Questo ha permesso ai ricercatori di calcolare la velocità di espansione dell’universo nel passato. Con questa conoscenza, hanno potuto portare indietro l’orologio ed estrapolare quando è avvenuto il Big Bang. Il tempo tra allora e oggi è l’età dell’universo.
Struttura
Gli scienziati pensano che nei primi momenti dell’universo, non c’era alcuna struttura di cui parlare, con materia ed energia distribuita quasi uniformemente. Secondo la NASA, l’attrazione gravitazionale di piccole fluttuazioni nella densità della materia di allora ha dato origine alla vasta struttura a rete di stelle e vuoto che si vede oggi. Le regioni dense attiravano sempre più materia attraverso la gravità, e più diventavano massicce, più materia potevano attirare attraverso la gravità, formando stelle, galassie e strutture più grandi note come ammassi, superammassi, filamenti e pareti, con “grandi pareti” di migliaia di galassie che raggiungevano più di un miliardo di anni luce di lunghezza. Le regioni meno dense non sono cresciute, evolvendo in aree di spazio apparentemente vuoto chiamate vuoti.
Contenuto
Fino a circa 30 anni fa, gli astronomi pensavano che l’universo fosse composto quasi interamente da atomi ordinari, o “materia barionica”, secondo la NASA. Tuttavia, recentemente ci sono state sempre più prove che suggeriscono che la maggior parte degli ingredienti che compongono l’universo sono in forme che non possiamo vedere.
Si è scoperto che gli atomi costituiscono solo il 4,6% dell’universo. Del resto, il 23% è costituito da materia oscura, che è probabilmente composta da una o più specie di particelle subatomiche che interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria, e il 72% è costituito da energia oscura, che apparentemente sta guidando l’espansione accelerata dell’universo.
Quando si tratta degli atomi che ci sono familiari, l’idrogeno costituisce circa il 75%, mentre l’elio circa il 25%, con gli elementi più pesanti che costituiscono solo una piccola frazione degli atomi dell’universo, secondo la NASA.
Forma
La forma dell’universo e la sua estensione finita o infinita dipende dalla lotta tra il tasso della sua espansione e la forza di gravità. La forza dell’attrazione in questione dipende in parte dalla densità della materia nell’universo.
Se la densità dell’universo supera un determinato valore critico, allora l’universo è “chiuso” e “curvo positivo” come la superficie di una sfera. Questo significa che i fasci di luce inizialmente paralleli convergeranno lentamente, alla fine si incroceranno e torneranno al loro punto di partenza, se l’universo dura abbastanza a lungo. Se è così, secondo la NASA, l’universo non è infinito ma non ha fine, proprio come l’area sulla superficie di una sfera non è infinita ma non ha un inizio o una fine di cui parlare. L’universo alla fine smetterà di espandersi e inizierà a collassare su se stesso, il cosiddetto “Big Crunch”.
Se la densità dell’universo è inferiore a questa densità critica, allora la geometria dello spazio è “aperta” e “negativamente curva” come la superficie di una sella. Se è così, l’universo non ha limiti e si espanderà per sempre.
Se la densità dell’universo è esattamente uguale alla densità critica, allora la geometria dell’universo è “piatta” con curvatura zero come un foglio di carta, secondo la NASA. Se è così, l’universo non ha limiti e si espanderà per sempre, ma il tasso di espansione si avvicinerà gradualmente a zero dopo una quantità infinita di tempo. Recenti misurazioni suggeriscono che l’universo è piatto con un margine di errore di solo il 2%.
È possibile che l’universo abbia una forma complessivamente più complicata pur sembrando possedere una curvatura diversa. Per esempio, l’universo potrebbe avere la forma di un toro, o di una ciambella.
Universo in espansione
Negli anni 20, l’astronomo Edwin Hubble scoprì che l’universo non era statico. Piuttosto, si stava espandendo; una scoperta che rivelò che l’universo era apparentemente nato in un Big Bang.
Dopo di che, si è pensato a lungo che la gravità della materia nell’universo fosse certa di rallentare l’espansione dell’universo. Poi, nel 1998, le osservazioni del telescopio spaziale Hubble di supernovae molto lontane hanno rivelato che molto tempo fa l’universo si stava espandendo più lentamente di oggi. In altre parole, l’espansione dell’universo non stava rallentando a causa della gravità, ma invece inspiegabilmente stava accelerando. Il nome della forza sconosciuta che guida questa espansione accelerata è energia oscura, e rimane uno dei più grandi misteri della scienza.
Informazioni aggiuntive di Nola Taylor Redd e Elizabeth Howell, collaboratori di Space.com.
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