dal BIG BANG a MARTE

DAL BIG BANG A MARTE

Quando tutto ebbe inizio, circa 14 miliardi di anni fa, tutto lo spazio, tutta la materia, tutta l’energia dell’Universo erano contenuti in un volume molto, molto più piccolo del puntino che conclude questa frase.

Prima dell’istante del suo ingresso nella fase di descrivibilità fisica, cioè entro i primi 10-43 s della sua esistenza (tempo di Planck) l’Universo era una ‘’singolarità cosmica’’ un ente privo di dimensioni a densità infinita.

Uno stato a densità e temperature praticamente infinite, in cui materia e radiazione sono unite e indistinguibili.

Big Bang: da una fluttuazione quantistica di materia e energia nasce lo spazio-tempo.

In meccanica quantistica le fluttuazioni quantistiche sono mutamenti temporanei dello stato di energia dello spazio vuoto; questo significa che la conservazione dell’energia può essere violata, ma solo per brevissimi periodi di tempo. Maggiore è l’energia presente nella fluttuazione, tanto più celermente essa può persistere:

DE × Dt ≥         Principio di indeterminazione di Heisenberg.

L’indeterminazione quantistica permette l’apparizione dal nulla di piccole quantità di energia, a condizione che esse scompaiano in un tempo molto breve.

In questo tempo le quattro forze fondamentali: elettromagnetica (fotone) gravità (gravitone) nucleare debole (bosoni W, Z) nucleare forte (gluone) erano unificate e dovevano avere valori paragonabili.

Ma la Gravità subito si separa dalle altre forze.

Nell’Universo vi sono solo radiazioni (energia): è un mare di fotoni: trasportatori senza massa ma con energia sufficiente per creare coppie di particelle di materia e antimateria, che subito annichiliscono trasformandosi nuovamente in fotoni.

La Forza di gravità si è separata, ma le altre tre interazioni rimaste sono unite e agiscono come un’unica forza: Era della Grande Unificazione (GUT => Grand Unified Theory).

In seguito, l’interazione forte si separa da quella elettrodebole, mentre la forza elettrodebole di divide in interazione debole ed elettromagnetica.

Si ritiene che un’anomalia (fluttuazione quantistica?) probabilmente durante la separazione di una forza, abbia causato una lieve ma decisiva asimmetria tra il numero di particelle di materia e quello di antimateria (» una su un miliardo).

È a questo punto (qualche frazione di secondo dopo il B-B) che si verifica un fenomeno straordinario: l’inflazione cosmica, una espansione esponenziale delle dimensioni dell’Universo.

Si stima che l’inflazione (avvenuta intorno a 10-35 s dal B-B e durata intorno a 10-30 s) abbia aumentato il raggio dell’Universo di un fattore enorme: 1022, come se due punti distanti 1 mm improvvisamente si trovassero a una distanza di 1000 anni luce. (d = 1 mm -> 1016 km  » 1.000 anni luce).

L’energia liberata da questa immane espansione ha dato origine alle prime particelle elementari.

Dopo circa 10-12 s dal B-B nel nostro Universo coesistono materia, sottoforma di particelle elementari (leptoni e quark) ed energia sottoforma di fotoni.

  • Leptoni: elettroni e neutrini
  • Quark: up, down
  • Bosoni: fotoni, gluoni

L’Universo è permeato da uno stato denso e caldo (T » 1012 K) in cui i quark e i gluoni sono liberi (plasma di quark, leptoni e gluoni).

Continuando a espandersi e raffreddarsi, dopo circa 10-9 s, il cosmo assume le dimensioni del nostro sistema solare (50×miliardi km) e la T scende a  » 1010 K.

Dopo » 10-6 s, i quark, mediante la forza Forte, si uniscono formando una nuova famiglia di particelle, gli ‘’adroni’’ dando così origine a protoni e neutroni (formati da 3 quark).

La lieve asimmetria presente nell’Universo di quark e leptoni, si trasferisce agli adroni: per ogni miliardo di annichilazioni, sopravvive un singolo adrone, con conseguenze molto importanti.

Senza questa discrepanza, tutta la massa dell’U si sarebbe autoannichilita, dando origine a un cosmo costituito di soli fotoni: un ‘’oceano di fotoni’’.

Gli adroni sopravvissuti hanno fornito la materia base dell’U in cui viviamo.

Dopo » 1s la dimensione dell’U è di qualche anno luce (1 ly » 9.500 miliardi km) e la temperatura è scesa a » 109 K.

Quando la T scende a » 108 K, dopo circa 3-5 min, i protoni si uniscono con altri protoni e con i neutroni per formare i primi nuclei atomici: Era della nucleosintesi.

Si formano i primi nuclei:

idrogeno                                            H (1p)                                   90%

elio                                                       He (2p-2n)                          10%

tracce di deuterio e elio3             D (1p-1n) Li (3p-4n)

T ≈ 106 K => fine nucleosintesi: gli elettroni sono ancora liberi: niente atomi.

Da questo istante e per i successivi 380.000 y, la Temperatura è ancora abbastanza alta da permettere agli elettroni di vagare liberi tra i fotoni, che rimbalzano avanti e indietro a ogni interazione: l’Universo è completamente buio, opaco alla radiazione luminosa; i fotoni sono intrappolati da continui urti con gli elettroni e le altre particelle libere.

Quando però la T scende sotto i 3.000 K, gli elettroni liberi iniziano a legarsi ai nuclei per formare i primi atomi.

La radiazione (fotoni) non più intrappolata dai continui urti con le particelle, viene liberata ed emessa in tutte le direzioni.

La traccia residua di questo evento è un ‘’panorama’’ di luce visibile che ha fissato per sempre nel cielo la distribuzione della materia in quell’istante.

 

WMAP  2003                      t ≈ 380.000 y   T ≈ 3.000 K (last scattering)

CMB => Cosmic Microwave Background Radiation

 

 

PLANCK  2014

Universo composto quasi esclusivamente di H e He; non ci sono stelle o galassie ma solo agglomerati più o meno densi (caldi) di gas.

 

 

Dopo ≈ 500–600 milioni di anni dal B-B, la materia inizia ad aggregarsi, formando strutture sempre più dense.

Si formano le prime stelle: la Forza di gravità raggruppa sufficiente materia per innalzare la Temperatura a livelli tali da innescare le reazioni termonucleari tra gli atomi di H.

Si formano così gli elementi più pesanti: C, N, O, Ca,….Fe.

Poco dopo le stelle si radunano in strutture più complesse: le Galassie.

Le stelle con massa M > 10 Ms (Ms = massa del Sole » 2×1030 kg) raggiungono temperatura e pressione al loro interno sufficienti a produrre elementi più pesanti del Fe.

Quando giungono alla fine della loro vita, esplodono (Supernova) diffondendo il loro ricco carico di elementi chimici nella Galassia.

Dopo ≈ 9 miliardi di anni, in un’anonima parte dell’Universo, in una anonima galassia e in un’anonima regione di essa (braccio di Orione) si forma una anonima stella: il Sole.

La nube di gas da cui il Sole si è formato, contiene elementi pesanti che raggruppandosi danno vita a oggetti orbitanti: pianeti, asteroidi, comete…

Le continue collisioni ad alta velocità e alta energia con i detriti orbitanti rendono liquide le superfici rocciose di alcuni pianeti.

Il nostro, la Terra, si è formato in una zona privilegiata dove gli oceani restano liquidi: se fosse stato più vicino al Sole gli oceani sarebbero evaporati, se più lontano, congelati; in entrambi i casi, la vita non si sarebbe sviluppata.

Così dall’Astralopithecus (≈ 6·milioni di anni fa) si è passati all’Homo Abilis (≈ 3·milioni di anni fa) poi all’Homo Erectus (≈ 2·milioni di anni fa) e all’Homo Sapiens (200.000 anni fa)

Un ramo di questi mammiferi dal grande cervello si è evoluto (» 50×mila anni fa) in una specie, Sapiens Sapiens con intelligenza sufficiente a inventare metodi e strumenti per creare il mondo in cui viviamo.

Ma l’inquinamento ambientale e il riscaldamento globale rischiano di distruggere il nostro pianeta.

Quale sarà, dunque, il prossimo passo?

Probabilmente questo:

 

Perché come dice KIP THORNE (premio Nobel per la Fisica 2017):

 “THE END OF EARTH WILL NOT BE THE END OF US”

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