I limiti del Modello Standard dell’Universo

Il grande fisico e cosmologo russo George Gamow (1904-1968), naturalizzato statunitense, ed i suoi collaboratori dimostrarono che tornando indietro nel tempo, il modello standard dell’universo era preciso fino a 3 minuti prima del Big Bang (ovvero il momento in cui si formarono gli elementi leggeri). Prima di allora non c’erano elementi per capire se il modello fosse ancora valido.

Estrapolando audacemente i dati, e proiettandoci al punto t=0 si otteneva una singolarità, uno stato di densità e curvatura infinita. Questo risultato lasciava molte domande senza risposte: cosa diede l’avvio al Big Bang? Perché l’universo è così grande? E perché l’espansione è cosi uniforme?

Un secondo dopo il Big Bang la temperatura era 3,7 miliardi di volte superiore all’attuale temperatura della radiazione di fondo a microonde (2,725K) e l’universo 3,7 miliardi di volte più piccolo di quello attuale. Oggi possiamo vedere indietro nel tempo e nello spazio di 13,8 miliardi di anni e quando osserviamo, in qualunque direzione, fino a quel momento nel tempo, guardiamo la radiazione cosmica di fondo emessa 13,8 miliardi di anni fa.

Il nostro sguardo può puntare in ogni direzione fino a raggiungere i 13,8 miliardi di anni e questo costituisce il limite del nostro universo visibile. Al tempo t=1 secondo l’intera regione che possiamo vedere oggi aveva un raggio di circa 3,7 anni luce (più o meno la distanza che ci separa da Proxima Centauri). Questo significa che in quel tempo soltanto regioni di dimensioni pari a circa un secondo luce hanno avuto il tempo di interagire tra loro e quindi di raggiungere l’equilibrio termico.

Le altre regioni, quelle per intenderci, più lontane di un secondo luce, non hanno avuto la possibilità di scambiarsi fotoni e quindi non possono aver raggiunto una condizione di equilibrio termico. Eppure la radiazione di fondo a microonde ha la stessa temperatura in qualunque punto dello spazio. Come si spiega questa incongruenza?

Nella teoria della relatività generale la gravità è il prodotto della curvatura dello spaziotempo. Lo spaziotempo di Friedmann (1922) si può rappresentare come un pallone di football americano messo in verticale, pronto ad essere calciato. Le linee di congiunzione partono dal basso (Big Bang) risalgono con orbite geodetiche verso l’alto del pallone e quando superano il suo equatore iniziano a curvarsi e tendono a ricongiursi nell’altro polo (Big Crunch).

L’universo di Friedmann è un universo ad alta densità la cui materia fa rallentare l’espansione producendo nel tempo un’inversione che la porta a contrarsi, a collassare nuovamente, appunto il Big Crunch. Torniamo alla teoria della relatività generale ed alla celeberrima equazione di Einstein E=mc2, dove massa ed energia sono per l’appunto equivalenti. Energia e pressione incurvano allo stesso modo lo spaziotempo e sono quindi equivalenti per gli effetti gravitazionali. L’universo si è espanso ad una velocità superiore a quella della luce, cosa per altro ammessa dalla relatività generale, e questo ci porta di nuovo alla considerazione che non dovremmo aspettarci un universo uniforme, perché le regioni che attraversano la cosidetta linea di contatto causale, lo fanno così velocemente da impedire un’effettiva interazione.

L’equilibrio termico non ha avuto il tempo sufficiente per instaurarsi. Le regioni del fondo cosmico a microonde che hanno avuto il tempo di comunicare tra loro e quindi raggiungere l’equilibrio termico nel momento della ricombinazione sono quelle che hanno un raggio di 1,16° rispetto allo stato dell’universo 380.000 anni dopo il Big Bang. Noi però osserviamo l’uniformità della radiazione cosmica di fondo, qualunque sia la direzione e la distanza verso cui puntiamo lo sguardo.

Questa incongruenza del Modello Standard è stata sanata dalla teoria dell’inflazione e per saperne di più è possibile consultare questi altri post del blog: Dal campo dell’inflatone alla nuova espansione dell’universo, La cosmologia inflazionaria e la freccia del tempo, La fine dell’inflazione.

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