Big Bang - come si è sviluppato l'universo in 8 fasi

E' riduttivo e sbagliato pensare al Big Bang come l’attimo in cui l’universo ebbe inizio attraverso una esplosione dalla quale traboccò tutta la materia che vediamo oggi. In questo articolo cerchiamo di fare un po di chiarezza.
Il Big Bang non è stato un evento, non è stato un attimo.
Il Big Bang è un modello che descrive la nascita e l’evoluzione dell’universo, a partire dai primi attimi, fino ad oggi, passando per tutte le sue fasi.
Nel tempo questo modello ha avuto diverse variazioni e ancora ne avrà a mano a mano che avremo nuove osservazioni, nuove domande e nuove risposte.
Insomma, il Big Bang non è stato l’inizio e non è ancora finito.

Diversamente da altre testate, In questa analisi su come si è evoluto l’universo non parleremo di periodi in frazioni di secondo tipo 10 alla -43 o 10 alla -32 secondi, perché questi sono numeri davvero difficili da comprendere anche per le menti più acute.
Per noi questi saranno semplicemente attimi.

La singolarità prima del Big Bang

E’ il periodo, quanto lungo non lo sappiamo, in cui l’universo era, forse, una singolarità.
Ovvero una entità molto piccola e molto densa.
Evidenziamo forse, perché per quanto se ne possa parlare chiaramente, in realtà nessun cosmologo ha la certezza di cosa ci fosse in questo periodo.

Si potrebbe immaginare questa singolarità come ad un enorme buco nero, ma qui si nasconde uno dei più grandi errori nella comprensione dell’universo: non bisogna pensare che tutta la materia dell’universo fosse compressa in un unico punto dalla massa altissima.
Questa sarebbe una singolarità molto simile a quella di un buco nero, tenuta assieme dalla gravità della materia.
Ma non è assolutamente la singolarità prima del Big Bang. La singolarità che c’era prima del Big Bang era costituita solamente da energia.
Era una zona molto piccola, estremamente calda, e densissima di sola energia. Non esisteva neanche un grammo di materia, e nemmeno la forza gravitazionale.

Da quanto tempo esisteva? Cosa l’ha generata? Queste domande sono ancora un grosso interrogativo così come è ancora grossa l’incertezza sul fatto che questa entità sia esistita.

Epoca di Planck

L’epoca di Planck dura una frazione di secondo, ed è la primissima fase di vita dell’universo.

In questa fase l’universo è più piccolo di un millimetro, ma iniziano a manifestarsi le forze fondamentali che ancora oggi governano l’universo: l’elettromagnetismo, le forze nucleari debole e forte, e la gravità.

Inflazione

Fino a questo momento l’universo era una zona energetica omogenea estremamente densa e grande probabilmente meno di un millimetro.

Ma durante la brevissima fase inflazionaria, accadde un evento fondamentale.
In meno di un secondo la bolla di energia che costituisce l’universo bambino, si espande di un miliardo di miliardi di miliardi di volte: 10 seguito da circa 10 zeri.

Questo evento straordinario potrebbe essere stato causato dalla separazione delle forze fondamentali, ma anche in questo caso il forse è d’obbligo.

Se vogliamo, questo è stato il vero Big Bang! Anche se come dicevamo prima è sbagliato pensare al Big Bang come ad un evento circoscritto.
In ogni caso è stata proprio l’inflazione l’attimo in cui l’universo ha iniziato ad espandersi in maniera significativa.

Dopo l’inflazione l’universo ha continuato ad espandersi, e lo sta facendo anche ora, ma il ritmo di crescita è crollato.
La velocità con la quale l’universo si espande oggi, pur essendo in crescita, è drasticamente più lenta di quanto non lo fosse stata durante l’inflazione.

Bariogenesi

Nei primi tre minuti circa dopo l’inflazione, l’universo ha iniziato a perdere un po’ di energia e c’è stata la bariogenesi: cioè la prima formazione di particelle.

E’ stato “adesso che nacquero le prime gocce di materia”.

Ad essere precisi si formarono sia particelle che antiparticelle. E la natura vuole che particelle e antiparticelle scontrandosi si annichiliscano svanendo.
Le particelle vinsero la battaglia sulle antiparticelle, e iniziarono a proliferare nell’universo.

Non stiamo parlando degli atomi, e nemmeno dei neutroni, dei protoni o degli elettroni che compongono gli atomi: stiamo parlando di quark, gluoni, fotoni e altre particelle subatomiche che comporranno più avanti i neutroni, i protoni e gli elettroni.

Da questo momento l'universo consisteva in un brodo di particelle subatomiche.

Raffreddamento dell'universo

Dopo l’inflazione iniziale, l’universo continuò a raffreddarsi, ad espandersi, e a diventare di conseguenza meno denso.

Nella fase di raffreddamento, i quark e i gluoni formati durante la bariogenesi iniziano ad accoppiarsi, generando i neutroni e i protoni che vediamo oggi.
Questo fu un passo in più verso la formazione della materia per come la vediamo oggi.

Nucleosintesi: la comparsa degli atomi

E’ passata già una manciata di minuti, ed ecco finalmente comparire i primi atomi generati attraverso un processo chiamato nucleosintesi.

Finalmente grazie al fatto che la temperatura scese drasticamente di circa 1 miliardo di gradi, i neutroni e i protoni iniziarono a combinarsi formando i primi atomi: isotopi dell’idrogeno e dell’elio.
Gli isotopi sono atomi senza elettroni, formati solo dal nucleo, e potete comprenderli meglio a questo link di Wikipedia.

Nacquero così le prime immense nubi formate dagli isotopi di idrogeno e di elio.

Non dovete immaginarle come le nebulose bellissime e colorate che vediamo oggi, ma nubi oscure e quasi invisibili.
I fotoni infatti, in questo periodo, non riuscivano a viaggiare liberamente nello spazio perché interagivano con gli elettroni e i protoni.
Quindi il gas era buio, o al massimo leggermente opaco.

Disaccoppiamento e comparsa della luce nell'universo

Questa materia fanciulla rimase in questo stato di isotopo per 379 mila anni, dopo di che gli elettroni iniziarono a combinarsi con gli isotopi formando i primi atomi completi che oggi popolano l’universo.
Quindi, gli atomi che oggi vediamo composti da protoni, neutroni ed elettroni si sono finalizzati soltanto 379 mila anni dopoil passaggio da singolarità a universo espanso.

E’ soltanto da questo momento in poi, chiamato del disaccoppiamento, che i fotoni si separano finalmente dalla materia e iniziano a viaggiare liberi nello spazio: generando il primo bagliore primordiale nelle microonde.

Questa non è una luce come quella che siamo abituati a vedere oggi, perché non c’erano ancora le stelle per emetterla.
Era una luce molto debole e nello spettro degli infrarossi.
Oggi vediamo questa leggera luce osservando la famosa radiazione di fondo, nota anche come CMB.

Strutturazione e reionizzazione dell'universo

A questo punto, come si può vedere osservando la radiazione cosmica di fondo, nell’universo la materia si distribuiva in modo omogeneo in zone leggermente più dense e in zone leggermente meno dense.

Così nel corso dei diversi miliardi di anni che seguirono il disaccoppiamento, le zone leggermente più dense iniziarono ad essere attratte l'una dall'altra grazie alla forza di gravità.
400 milioni di anni dopo l’inflazione nacquero le prime stelle, e con loro i primi raggi di luce come la vediamo oggi.
Queste stelle poi raggrupparono in galassie. Le galassie si raggrupparono in ammassi e super ammassi di galassie.
Si formarono così zone stracolme di galassie e zone che invece ne contano pochissime: i vuoti cosmici.
Questa è la nostra era, l’era della strutturazione.
È l’era più bella se vogliamo, perché offre ai nostri occhi strutture luminose fantastiche da osservare come le galassie e le nebulose.

La prossima volta che vi fermerete a guardare un bel cielo stellato, oppure che ammirerete una foto di una bella nebulosa, ricordatevi che la materia che vedete non è uscita da una grossa esplosione celeste, ma si formò soltanto dopo qualche minuto a partire dall’energia primordiale.
E che la luce che state vedendo arrivare da stelle di galassie lontane, ha potuto iniziare a viaggiare nello spazio solamente 380 mila anni dopo la formazione delle prime particelle atomiche.

Fasi evolutive dell'universo
Singlorarità	Stato iniziale di concentrazione energetica altissima. Durata sconosciuta
Epoca di Planck	Dura una frazione di secondo, e da origine in egual misura alle forze fondamentali: elettromagnetismo, forze nucleari debole e forte e gravità
Inflazione	Dura anche lei una frazione di secondo, ma espande la singolarità energetica di un miliardo di miliardi di miliardi di volte
Bariogenesi	Dura qualche minuto e da il via alla formazione delle prima particelle subatomiche elementari come quark, gluoni e fotoni
Raffreddamento	Quark e gluoni iniziano ad accoppiarsi e a formare neutroni e protoni
Nucleosintesi	Inizia circa cinque minuti dopo l'inflazione cosmica, e dura 379 mila anni: i neutroni e i protoni si aggregano a formare i primi isotopi di idrogeno e di elio
Disaccoppiamento	Dopo 380 mila anni dall'inflazione, anche gli elettroni si aggregano ai nuclei atomici formando atomi completi. Gli elettroni cessano di iteragire con i prottoni e sono liberi di viaggiare nello spazio. Il risultato è la radiazione cosmica di fondo
Strutturazione e reionizzazione	Nascita delle stelle e delle galassie