Fotografare l'universo quando era appena nato (e col televisore di casa!)

Questo articolo parla di due cose al limite del fantastico.

La prima è fotografare oggi l'universo quando aveva solo 400mila anni di vita. Adesso ha quasi 14 miliardi di anni. Come se un uomo di 80 anni si facesse un selfie immortalandosi quando era nato appena da 20 ore.

La seconda è che è possibile scattare fotografie simili col televisore di casa.

Il nostro universo è pieno di galassie, e la sua temperatura media è di pochi gradi sopra lo zero assoluto. Nonostante sulla terra in media si stia benino (se si escludono i treni dei pendolari d'estate) e all'interno delle stelle ci siano addirittura decine di milioni di gradi di temperatura, in media l'universo è molto freddo: 270 gradi sotto zero, o giù di li. Però sappiamo che l'universo non è sempre stato così, e in passato è stato addirittura più caldo dei treni dei pendolari quando non funziona l'aria condizionata.

Un primo indizio sul fatto che l'universo in passato doveva essere diverso da quello attuale ci viene dall'osservazione che le galassie si allontanano reciprocamente. L'impressione è che si allontanino da noi, ma in realtà anche noi ci allontaniamo dalle altre galassie, e quindi è solo una conseguenza del nostro punto di vista se ci sembra che tutti gli altri ci schifino e se ne vadano distante.

Pertanto se le galassie si allontanano a vicenda, possiamo pensare di mandare il filmato all'indietro e ipotizzare che in passato esse fossero tra loro più vicine di quanto non siano adesso. E continuando su questa strada possiamo chiederci come doveva essere l'universo se potessimo mandare il filmato molto all'indietro. Possiamo tentare di dare questa risposta fintanto che le nostre conoscenze di fisica tengono botta nel descriverci un insieme di materia (l'universo all'inizio del filmato) in cui la materia stessa era sempre più pressata.

Quindi possiamo chiederci una domanda fondamentale: se supponiamo sia lecito fare il rewind del filmato fino a quando la materia era molto densa e concentrata, quali erano le condizioni di un universo siffatto? E soprattutto, queste condizioni certamente diverse da quelle attuali, hanno lasciato qualche indizio della loro presenza che si è tramandato nel tempo fino a noi, tanto da essere osservabile ancor oggi?

Una doverosa parentesi: lasciamo perdere per ora il fatto che mandando  troppo indietro il filmato si arriverebbe a condizioni di densità idealmente infinita. Le nostre conoscenze di fisica non sono capaci di descrivere situazioni simili, ma per quello che diremo non ci interessa. Qui stiamo solo prendendo atto che l'universo si espande, anche se non sappiamo perché, e ci chiediamo come poteva essere quando, pur avendo già iniziato la sua espansione, era molto più denso. Certo, ci piacerebbe sapere che cosa ha causato l'espansione dell'universo, e descrivere le condizioni della materia in quel frangente, ma per adesso ci accontentiamo. Chiusa la parentesi.

Quindi, ritornando al nostro filmato riavvolto, supponiamo di poter descrivere, utilizzando le leggi della fisica che conosciamo, le condizioni dell'universo primordiale a inizio filmato (anche se non proprio l'inizio-inizio). E supponiamo anche di scoprire che, applicando le leggi della fisica che conosciamo, quelle condizioni cosi diverse da quelle presenti nell'universo odierno debbano aver necessariamente lasciato tracce specifiche della loro peculiarità, non spiegabili in altro modo, che si sono preservate nel tempo fino ad oggi. E supponiamo di poter rilevare, tramiti appositi esperimenti, queste tracce nell'universo di oggi, esattamente come previste dal modello di quell'universo primordiale, allora ci troveremmo in mano una prova scientifica a supporto della nostra ipotesi su come doveva essere l'universo primordiale.

Se ad esempio questa teoria strampalata sull'universo primordiale ci prevedesse, che so, che guardando in giro per l'universo la percentuale di elio sul totale degli elementi chimici deve essere in media del 25%, e poi andando a misurare dovessimo trovare che in effetti l'elio rappresenta proprio il 25% della materia nucleare che c'è in giro, beh, questa sarebbe un po' più di una coincidenza. E' come dire che se faccio una teoria su come si muovono i pianeti e questa teoria mi prevede che certe strane anomalie del moto di Urano sono spiegabili dalla presenza di un altro pianeta ancora sconosciuto, e mi dicesse che questo pianeta si trova in un certo punto particolare, e andando a puntare il telescopio quel pianeta ce lo trovo per davvero, allora vuol dire che quella teoria non può essere proprio sbagliata-sbagliata, perché è stata capace non solo di spiegare, ma anche di prevedere dei fenomeni! (per inciso, questo è proprio quello che è successo con la scoperta di Nettuno, in seguito all'osservazione di anomalie nel moto del pianeta Urano, previste dalla teoria della gravitazione di Newton).

Adesso che abbiamo capito come procedere, chiediamoci che condizioni dovevano caratterizzare un universo primordiale siffatto. La prima conseguenza sulle caratteristiche dell'universo di quasi-inizio filmato è che, come conseguenza dell'alta densità della materia, esso doveva essere molto caldo. Incredibilmente caldo. Tanto più caldo tanto più mandiamo indietro il filmato. E questa temperatura doveva essere capace di disgregare la materia come la conosciamo oggi nei sui componenti fondamentali. Quelle particelle che si studiano oggi nei laboratori tipo il Cern, tanto per capirci.

Questa caratteristica, ovvero l'universo primordiale caldo, è sostanzialmente quello che generalmente viene chiamata "teoria del big-bang". Una teoria che non parla dell'istante zero, la grande esplosione o frasi fatte del genere, tutto cose di cui al momento sappiamo dire ZERO (nonostante qualcuno ogni tanto si prenda molto sul serio su questo argomento), ma piuttosto un modello per descrivere l'universo "nato da poco" - qualunque cosa questo possa significare - e in espansione, in cui vigevano condizioni di alta temperatura e densità, e trarne quindi le conseguenze sulla sua successiva evoluzione. Punto.

E questa teoria del big bang, dove il big bang non è l'inizio dell'universo, ma una situazione "poco dopo l'inizio", ammesso che ci sia stato un inizio, in cui l'universo era denso, caldo e in espansione, è un dato di fatto. Non è messa in dubbio, come certi dicono affermando "eh... ma non si sa mica se c'è stato il big bang!". Se per big bang intendiamo, come fanno gli scienziati, che in passato l'universo era molto diverso da quello attuale, molto più denso e caldo, questo è un dato di fatto, e vedremo adesso perché lo è. L'esplosione, il tempo zero, o quello che c'era prima, li lasciamo per ora volentieri fuori della porta, anche perché, nonostante ogni tanto qualcuno ci provi, non ne sappiamo sostanzialmente niente.

E allora usiamo le nostre conoscenze di fisica per descrivere questo tipo di universo così diverso dal nostro, un universo molto denso e caldo, che nel frattempo si espande. Non sappiamo perché si espande, e non ci interessa per il momento. Vorremmo saperlo, certo, ci piacerebbe, ma per quello che serve a descrivere l'evoluzione di questo universo non è cruciale.

E la prima cosa che impariamo è che un universo molto caldo, mentre si espande si raffredda, come succede a un gas quando si espande. Come l'aria calda che sale, si espande e si raffredda, e per questo in montagna fa più freddo, nonostante le montagne siano un po' più vicine al sole di Milano Marittima.

Tuttavia se la densità della materia è sufficientemente elevata, nell'universo di questo tipo possono succedere molte cose diverse in poco tempo.

Nell'universo in cui valgono queste condizioni non esistono galassie, stelle, e nemmeno atomi. La temperatura è troppo elevata e la materia è disgregata nei suoi componenti fondamentali. L'universo in queste condizioni è quindi pensabile come un calderone caldissimo di elettroni, protoni, neutroni, e luce. Fotoni. In realtà c'erano anche altre schifezze in giro, tipo una marea di neutrini, e una varietà di materia ancora non ben identificata e che per questo è stata chiamata materia oscura. Però per adesso lasciamo perdere questi ultimi, anche se il loro ruolo nell'evoluzione dell'universo primordiale è comunque fondamentale.

Dire che l'universo era caldissimo equivale a dire che le particelle che lo componevano avevano altissima energia cinetica. In pratica si muovevano velocissime e sbattevano continuamente fra di loro urtandosi con violenza.  Gli esperimenti che si fanno negli acceleratori di particelle simulano, in laboratorio, il tipo di urti fra particelle che avvenivano nell'universo primordiale, conferendo a singole particelle le energie tipiche di allora. Ecco perché a volte si dice che in laboratorio si riproduce il big bang, espressione quanto mai infelice e inappropriata se non si spiega bene cosa si intende.

In questi frangenti - stiamo parlando di qualche minuto dopo l'inizio del filmato, filmato che, ricordiamo, dura quasi 14 miliardi di anni (ma dopo l'inizio diventa tutto sommato una palla, e si può usare tranquillamente l'avanti veloce) - in questi frangenti, dicevamo, i protoni e i neutroni che sbattono fra loro si legano assieme a formare i nuclei atomici. Infatti negli urti, se sufficientemente energetici (e in questa fase lo erano!) protoni e neutroni si avvicinano a sufficienza da agganciarsi reciprocamente tramite le forze nucleari, che agiscono soltanto a distanze inferiori a un milionesimo di milionesimo di centimetro.

I neutroni, particelle simili al protone ma prive di carica elettrica, se non sono all'interno di un nucleo ma si trovano liberi nello spazio, hanno il brutto vizio di svanire (decadere, in gergo) trasformandosi in protoni, elettroni e neutrini entro grosso modo un quarto d'ora. Per cui avevano poco tempo per trovarsi un protone e mettere su casa in modo stabile. Quelli che restavano spaiati erano destinati a scomparire entro qualche minuto, aumentando con il loro decadimento il numero di protoni e elettroni già presenti nell'universo.

Nel frattempo la densità della materia nell'universo stava diminuendo velocemente, per cui diventava sempre più difficile per protoni e neutroni trovarsi e formare un nucleo. E infatti secondo questo modello entro due o tre minuti tutti i neutroni in giro devono essersi legati in nuclei di Deuterio (un isotopo dell'idrogeno formato da un protone e un neutrone), e Elio. Poi qualche fortunato è riuscito perfino a spiaccicarsi assieme ad altri neutroni e protoni a formare alcuni elementi più pesanti, tipo il Litio, ma poca roba. Tutti gli elementi più pesanti della tavola periodica, come il Carbonio, l'Ossigeno e l'Azoto, così fondamentali per l'autore di questo blog, sono stati prodotti miliardi di anni più tardi nelle stelle.

Sostanzialmente, quindi, dopo qualche minuto i giochi per formare i nuclei erano fatti, chi è fuori è fuori e chi è sotto è sotto, e dopo questa fase c'erano in giro molti protoni spaiati che non avevano trovato un neutrone che li volesse (candidati quindi a diventare, in quanto semplici protoni, nuclei di atomi di idrogeno, non a caso l'elemento più diffuso dell'universo), oltre ai nuclei di deuterio e Elio di cui dicevamo prima. Più una grande quantità di fotoni, circa un miliardo per ogni protone.

La cosa interessante è che la nostra teoria è capace di prevederci quanto elio ci doveva essere in giro sul totale, quando il nostro filmato era solo a due o tre minuti dall'inizio: il 25%.

E le misure effettuate oggi sulla frazione di elio nell'universo, tenendo conto dal fatto che nel frattempo le stelle hanno prodotto altro elio, ci danno una frazione dell'elio primordiale del 25%. Coincidenza? Io non credo!

Ma vediamo alla foto dell'universo bambino. Se uno oggi ci dicesse di poter fotografare l'universo come era 14 miliardi di anni fa gli daremmo probabilmente del pazzo. Nemmeno Giucas Casellas! E invece...

Il nostro modello di universo caldo in espansione, dopo la formazione dell'elio, ci prevede che il tutto deve aver continuato ad espandersi (e quindi nel frattempo a raffreddarsi), per circa 400mila anni. Qui potete mandare avanti il filmato col fast forward, perché tanto non succede niente di interessante. Fermatevi quando il tempo indica più o meno 370mila anni. Nel frattempo tutti i neutroni liberi erano scomparsi (decaduti), e i protoni, i nuclei di idrogeno e di elio che c'erano in giro, gli elettroni e i fotoni (la luce, anche se non era proprio luce visibile) che riempivano l'universo sbattevano fra di loro in continuazione, amalgamandosi perfettamente in energia e nello spazio. In particolare i fotoni erano in numero enormemente superiore a tutti gli altri (qualche miliardo per ogni altra particella), e sostanzialmente dettavano legge. Una volta ho letto uno che sosteneva che la Bibbia nella Genesi lo aveva previsto, quando dice "e in principio fu la luce". Vabe', lasciamo perdere...

Comunque il frullato che c'era nell'universo era tale che se ogni tanto da qualche parte si formava qualche piccola fluttuazione di densità, e quindi un luogo un po' più denso o con temperatura diversa dalla media, ecco che arrivava subito l'orda di fotoni a rimettere le cose a posto e a livellare tutto. Una pogata generale, insomma, in cui mediamente tutti si sbattono allo stesso modo, e se uno vuole fermarsi o agitarsi più della media non ci riesce a causa di tutti gli altri che gli vengono addosso di continuo. Se uno vuole avere un'idea delle condizioni dell'universo in questa fase primordiale, questo breve filmato, dal 15esimo secondo in avanti, è molto esplicativo.

Ogni tanto qualche elettrone, passando vicino a un protone o a un nucleo, ci provava a legarsi assieme per formare un atomo, ma la cosa durava pochissimo, perché c'erano sempre in giro talmente tanti rompicoglioni di fotoni, tutti di energia sufficientemente alta da distruggere immediatamente questo legame.

Nel frattempo però l'universo, espandendosi, si raffreddava, e aspettava i fotoni al varco. Sì, perché raffreddarsi vuol dire che l'energia cinetica (di movimento) media delle particelle che componevano l'universo andava diminuendo nel tempo. Più passava il tempo, e più tutti si muovevano più lentamente. Anche i fotoni quindi perdevano energia, diminuendo la loro frequenza (i fotoni sono obbligati ad andare alla velocità della luce, quindi non possono rallentare come fanno le particelle dotate di massa, ma perdono energia diminuendo la frequenza, o aumentando la lunghezza d'onda, che è poi la stessa cosa). La pogata continuava, ma sempre meno frenetica. E quindi anche l'energia dei fotoni diminuiva nel tempo.

Quindi ad un certo punto (i fisici ci dicono circa 370mila anni dopo l'inizio del film, punto dove molto furbamente abbiamo arrestato il fast forward!) succede che un elettrone e un protone si uniscono assieme per formare un atomo di idrogeno, così come avevano già provato a fare senza successo per i precedenti quasi-400 mila anni, ed ecco che arriva il solito fotone gradasso rompiballe. Avranno pensato: "eccolo là, addio, è durato poco ma è stato bello!", ma invece ecco che succede una cosa incredibile: il fotone piazza la solita spallata ma stavolta non ce la fa a distruggere il loro legame. E' troppo fiacco, si è "raffreddato troppo", in seguito all'espansione dell'universo, da non avere più energia sufficiente da distruggere il legame fra l'elettrone e il nucleo. La pogata generale si è talmente infiacchita che quando un elettrone e un protone si mettono a ballare un lento nessuno è più in gradi di separarli. Nasce il primo atomo di idrogeno. Non si sa che giorno fosse, ma per noi che siamo qui, oggi, tutti fatti di atomi, sarebbe una ricorrenza importante da festeggiare.

Da li in poi per gli elettroni e i nuclei è stata tutta una strada in discesa, e in poco tempo si sono tutti accoppiati a formare gli atomi. Un mega-accoppiamento di massa. Un fertility day molto prima che ci pensasse la Lorenzin.

E i fotoni, poverini? Improvvisamente esclusi dai giochi dopo aver dettato legge per tutto questo tempo? I fotoni hanno adesso un'energia troppo bassa per interagire con gli atomi e ionizzarli, e non possono fare altro che stare a guardare. Per loro gli atomi sono ormai a tutti gli effetti invisibili, come se non ci fossero, perché non hanno più la possibilità di interagirvi. Si dice che a questo punto la materia si "disaccoppia" dalla radiazione. E a tutta quella caterva di fotoni non resta che continuare a vagare per l'universo perdendo nel frattempo sempre più energia in seguito alla sua espansione. Tuttavia, il fatto che essi non possano più interagire con gli atomi fa sì che in questo loro vagare mantengano intatte le caratteristiche che avevano un attimo prima di smettere di interagire con il resto della materia dell'universo.

Cosa vuol dire "mantenere le caratteristiche intatte?". Vuol dire che se all'epoca in cui quei fotoni hanno smesso di interagire con la materia, nell'universo c'erano qua e là piccole fluttuazioni di densità di materia, zone leggermente più calde o meno calde, tenui strutture in formazione, qualunque cosa ci potesse essere, quei fotoni ne hanno conservato il ricordo. E' come una fotografia. Per fare una fotografia, per vedere un oggetto, la luce che lo illumina deve interagire con quell'oggetto, in modo da esserne modificata nelle caratteristiche, e raccogliere informazioni sulla struttura, la forma, il colore, la temperatura di quell'oggetto. Quella luce, una volta interagito con l'oggetto che vogliamo vedere, deve arrivare a noi o al sensore della macchina fotografica senza essere modificata da ulteriori interazioni con altri oggetti. La stessa cosa è avvenuta con quella luce primordiale: da allora niente l'ha più modificata. Il suo ultimo interagire con la materia è rimasto impresso nelle sue caratteristiche, e quella luce ha continuato a vagare nell'universo praticamente intatta, a parte diminuire di energia. Quindi se nell'universo c'erano all'epoca delle microstrutture in formazione ancora allo stadio embrionale, quella luce oggi è in grado di mostrarcele, come ce le mostrerebbe la luce in qualunque fotografia.

E la cosa sorprendente è che adesso siamo capaci di vedere quella luce, che ha viaggiato per 14 miliardi di anni. E quando la vediamo, stiamo guardando a tutti gli effetti l'universo appena nato.

La scoperta di questa luce, che si chiama "radiazione cosmica di fondo", è avvenuta per caso nel 1964. Due astronomi, Arno Penzias e Robert Wilson, dovevano effettuare alcune misure per la compagnia di telecomunicazioni Bell, riguardanti il rumore di fondo indotto della nostra galassia. Le loro misure, pur tenendo conto di tutti gli effetti previsti, mostravano un eccesso di fondo nel campo delle microonde. All'inizio credevano che fosse colpa di due piccioni che avevano fatto il nido nell'antenna, depositando "uno strato di dielettrico" sulle apparecchiature. Tuttavia, fatti sloggiare i pennuti, il segnale rimase. Consultatisi con l'astronomo Robert Dicke, scoprirono che esisteva una previsione in termini cosmologici per la presenza di questo tipo di radiazione, effettuata da George Gamow già negli anni 40.

Da allora sono state fatte misure molto precise di questa "luce" che riempie l'universo. E' una luce che ha le caratteristiche di "corpo nero", ovvero è emessa da un oggetto (l'universo dell'epoca) avente una temperatura ben definita, con le caratteristiche di essere estremamente isotropa (uguale in tutte le direzioni") e omogenea (uguale ovunque).

Questo si traduce nel fatto che l'universo all'epoca era uguale dappertutto. Una brodaglia di particelle estremamente uniforme, come era lecito aspettarsi da tutte le considerazioni che abbiamo fatto prima sulla pogata generale.

Ma non proprio esattamente uniforme. In questo panorama di estrema uniformità c'erano piccole, tenui fluttuazioni di densità e temperatura, che sono rimaste impresse in quella luce primordiale, e che son osservabili adesso. Fluttuazioni di una parte su 100mila, quindi molto piccole. Come se avessimo un asfalto all'apparenza estremamente liscio, ma che ad un'accurata indagine mostrasse che alcune zone sono più alte o più basse delle altre dello 0,001%. Ma quelle piccole fluttuazioni primordiali così insignificanti in un panorama più piatto del Ferrarese hanno un'importanza straordinaria, perché rappresentano i germi, i semi della materia che si stava addensando, e che avrebbe prodotto in seguito le galassie, le stelle, e anche noi. Piccole fluttuazioni di densità della materia che avrebbero attratto altra materia amplificandosi nel tempo in strutture complesse.

La mappa del cielo in termini della radiazione cosmica di fondo. I diversi colori rappresentano le fluttuazioni di temperatura (in pratica di frequenza), amplificate in modo da essere visibile. Si noti la scala che è infatti ampia soltanto 400 milionesimi di grado. Vuol dire che il blu scuro e il rosso scuro differiscono soltanto di 400 milionesimi di grado di temperatura.

Questa "luce" riempie l'universo. E' ovunque, anche in questo momento, anche attorno a noi, e è il ricordo più antico che possiamo avere dell'universo. Tutto quello che è avvenuto prima è stato lavato via, distrutto dall'incessante e continuo interagire delle particelle che lo componevano. La pogata generale ha cancellato qualunque traccia di quello che stavano facendo in precedenza i partecipanti. E' l'immagine più antica che possiamo avere dell'universo. Se volessimo avere immagini ancora più antiche dovremmo utilizzare, per scattare la nostra fotografia, qualcosa di diverso dalla luce. Qualcosa che non è stato influenzato da quella super pogata cosmica. Ad esempio i neutrini, o le onde gravitazionali. Tecnicamente è molto più difficile, a causa del comportamento di questi tipi di "luce", restia per natura a farsi vedere dai nostri apparati sperimentali, ma concettualmente è possibile. Vedremo, magari in futuro questo diventerà realtà.

I fotoni di questa luce fossile sono mediamente 300 per centimetro cubo, e corrispondono alla quasi totalità dei fotoni presenti nell'universo. La luce che viene dalle stelle di tutte le galassie è una quantità irrisoria al confronto. Lo studio approfondito di questa radiazione cosmica primordiale ci fornisce in realtà una quantità di informazioni incredibili su come era fatto l'universo e quali erano le sue caratteristiche, ma questo magari un'altra volta.

E la tv di casa cosa c'entra? C'entra perché avete presente quando c'era la tv analogica, che dovevi girare l'antenna per prendere il segnale? Che se ti collegavi su un canale dove non c'era niente vedevi tutti i puntini e quel rumore tipo l'aspiratore del dentista mentre ti ottura la carie? Bene, una piccola parte di quei puntini, circa l'1%, era dovuto alla presenza della radiazione cosmica di fondo captata dall'antenna. Con la tv digitale tutto questo non accade più. Abbiamo centinaia di canali, ma non vediamo più la foto dell'universo primordiale, che sarà pure monotona, ma vuoi mettere!