L'UNIVERSO IN ESPANSIONE (universo)

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E. Hubble e le galassie

L'esistenza delle galassie è stata la grande scoperta dell'astronomia del XX^ secolo. In realtà le galassie erano state viste e persino fotografate, molto prima che l'uomo sapesse di cosa si trattava. Ma negli anni '20 Hubble poté dimostrare che queste galassie, questi oggetti stranamente nebulosi, erano grandi raggruppamenti di stelle, miliardi di stelle, più gas e polvere, molto più dense delle componenti della nostra Via Lattea.
Le galassie sono molto importanti, in quanto sono le condensazioni di materia dell'universo. Poiché l'universo è organizzato su vasta scala, le galassie possono aiutarci a capire tale organizzazione. Hubble osservò i diversi tipi di galassie e li classificò secondo le forme visibili: ellittiche, spiraliformi o irregolari.
Come gli astronomi in passato avevano esaminato la distribuzione delle stelle, egli rivolse la sua attenzione alla distribuzione delle galassie. Le stelle non sono sistemate uniformemente nel cielo; ugualmente le galassie non sono distribuite in modo uniforme. Vi è una zona vuota che inizia lungo la Via Lattea stessa, dove si vedono altre galassie. Hubble percepì giustamente che si trattava di un'illusione. Un'illusione dovuta all'oscuramento della nostra galassia.
Ecco, le galassie fanno su vasta scala qualcosa che le stelle non fanno; vale a dire si distribuiscono più o meno uniformemente in ogni direzione. Ma su scala minore, Hubble riscontrò qualcosa di ugualmente notevole: che anche le galassie tendono ad ammassarsi. Nelle 1200 regioni sconosciute da lui intenzionalmente esplorate per evitare gli ammassi già noti, era evidente la tendenza delle stelle a raggrupparsi. Da questo dedusse la probabilità che tutte le galassie formassero ammassi.
Naturalmente la nostra galassia non è un'eccezione alla regola. Noi apparteniamo ad un sistema formato da due dozzine circa di galassie che occupano uno spazio di circa tre milioni di anni luce, vale a dire che la luce per attraversare questo sistema impiega circa tre milioni di anni. Vale a dire che in questo spazio c'è la nostra galassia e un paio di dozzine di altre galassie.
In modo confidenziale le chiamiamo "il nostro gruppo locale".

Gli ammassi di galassie

Al gruppo locale appartiene la galassia più luminosa visibile nell'emisfero nord: Andromeda. Al suo confronto la nostra e altre galassie appaiono molto più modeste.
Alcune sono ancora da scoprire. Il gruppo locale non sarebbe affatto evidente se fosse lontano 10, 15 o 20 milioni di anni luce. Scomparirebbe dietro lo sfondo di altre galassie. Pertanto, se si vuole osservare la distribuzione delle galassie a grandi profondità spaziali, è necessario considerare elementi di maggiore rilievo.
Prendiamo, ad esempio, la costellazione della Vergine. Anche i primi osservatori avevano notato tale concentrazione. Il fatto è che persino l'ammasso della Vergine sarebbe perduto se fosse molto lontano, lontano quanto i tipici oggetti che oggi possiamo osservare con i grandi telescopi.
Fortunatamente esistono ammassi di galassie grandissimi, che non contengono solo qualche dozzina o qualche centinaio di galassie come il gruppo locale o quelle un po' più grandi, ma ne contengono migliaia. Di solito, tali ammassi hanno una notevole simmetria sferica con una grande concentrazione di galassie al centro. Tali ammassi sono molto corposi ed evidenti anche nelle grandi profondità spaziali. Sfortunatamente non ci sono ammassi grandiosi di galassie vicino a noi, per trovarli bisogna cercarli con cura nelle profondità dello spazio.
Questa è una tipica lastra fotografica fatta con un telescopio Smith, osservando lontano, oltre la Via Lattea. Sulla lastra non si vede molto; c'è qualche stella vicina, in primo piano, appartenente alla nostra galassia. Ma osservando la lastra con un microscopio o anche una lente di ingrandimento, è possibile vedere l'immagine di un cospicuo numero di galassie sbiadite in lontananza, molto più numerose delle stelle in primo piano.
L'osservazione sistematica di una fotografia di questo genere, fa percepire letteralmente migliaia di grandi ammassi di galassie che si estendono a distanze di miliardi di anni luce dal Sole.
E' difficile determinare la lontananza di queste stelle. Le tecniche astronomiche moderne e l'analisi computerizzata dei dati dei telescopi, permettono di determinare abbastanza rapidamente una stima della distanza della stella o della galassia osservata. Pertanto, negli ultimi tempi, sono stati effettuati calcoli tridimensionali delle osservazioni su larga scala. E, cosa sorprendente, tali calcoli ci hanno permesso di scoprire che la distribuzione nel cielo, per dirla in modo abbastanza semplice e generico, è piuttosto uniforme. Non è che le galassie sono distribuite uniformemente nello spazio tridimensionale, ma formano spazi vuoti e ammassi che si combinano a formare strisce come stelle filanti di super-ammassi di galassie. Lunghe strisce e spazi fra di esse.
Tutto questo fa nascere delle domande su come tutta questa materia era aggregata all'inizio, al momento dell'esplosione. Cosa è successo all'inizio che ha determinato il formarsi del modello che vediamo? Questo tipo di informazione, relativa alla distribuzione delle galassie e agli ammassi galattici nello spazio, questa notizia piuttosto sorprendente che non sono distribuite uniformemente, ma hanno questo tipo di struttura filamentosa, ci serve per interpretare quanto è accaduto in uno stadio assai primitivo.

Le osservazioni di Slipher

Quando ci poniamo le domande sull'universo, su com'è iniziato, su come sta cambiando e come tutto finirà, le galassie ci vengono in aiuto per darci una risposta.
Tali problemi sono al centro della nostra cosmologia. Ebbene, le galassie ci indicano che l'universo sta cambiando e che è in espansione. La scoperta fu fatta da Edwin Hubble che si servì degli effetti Doppler misurati da Slipher, dell'osservatorio Lowell, sugli spettrogrammi delle galassie.
Nelle maggior parte delle galassie il cambiamento di lunghezza d'onde delle righe spettrali è rosso. E guardando le stelle, si può vedere questo. Alcune stelle sembrano avvicinarsi e l'effetto nello spettroè azzurro; mentre altre sembrano allontanarsi e l'effetto nello spettro è rosso.
In quasi tutte le stelle il cambiamento di lunghezza d'onda è rosso, il che sta ad indicare che si stanno allontanando da noi.
Le prime osservazioni che infine portarono alla scoperta che l'universo è in espansione, furono fatte presso l'osservatorio Lowell, a Flagstaff.
Slipher cominciò a studiare gli spettri di lontane nebulose bianche per una decina di anni, prima che Edwin Hubble rivelasse che queste nebulose bianche erano altre galassie, al di là della nostra Via Lattea.
Il primo oggetto di cui Slipher ottenne lo spettro, fu la vicina nebulosa Andromeda. Slipher trovò che le linee dello spettro erano spostate, e questo indica il movimento dell'oggetto lungo la traiettoria visiva; e la velocità del movimento era incredibile. Quando Slifer informò Lowell dei suoi risultati, questi gli disse: "Sembra una scoperta veramente interessante; per avere la conferma, prova con qualche altra nebulosa spiraliforme". Così egli trovò che tutto, tranne piccole parti, si sta allontanando da noi a velocità incredibile.
Una delle galassie viaggia a circa 2.000 chilometri al secondo.
La maggior parte di queste osservazioni furono effettuate prima che Hubble dimostrasse che le nebulose sono galassie vere e proprie. Tali sistemi di stelle si trovano oltre le stelle del nostro sistema, la Via Lattea. Slipher non aveva gli strumenti per sapere la distanza di questi sistemi, tuttavia il suo lavoro fu il primo passo verso l'attuale comprensione dell'espansione dell'universo.
Dai dati ottenuti, sembrava che la maggior parte delle galassie si stessero allontanando da noi, come indicava la recessione delle linee dello spettro galattico verso la zona rossa.

La velocità di espansione

Sembra che l'universo si stia espandendo. Secondo una delle teorie, avvenne una gigantesca esplosione. La materia, che ora sta formando l'universo, miliardi di anni fa era unita in un'unica massa cosmica. Secondo tale teoria, le galassie formatesi dal materiale esploso, continueranno a viaggiare, allontanandosi sempre più le une dalle altre, a grande velocità. La velocità di espansione dell'universo è definita dalla costante di Hubble. Questo numero indica la velocità alla quale una galassia, ad una determinata distanza, si allontana da noi. Ma sapendo la velocità di espansione, possiamo calcolare anche il passato, per sapere quanto tempo fa l'universo ha cominciato ad espandersi. Il valore della costante di Hubble fa risalire l'età dell'universo a poco meno di 20 miliardi di anni fa, poco più della più vecchia stella individuata.
La scoperta di Hubble, Humason, e Slipher è interessante e sorprendente. Secondo la loro scoperta, più lontane sono le galassie, maggiore è il cambiamento di lunghezza d'onda delle linee spettrali rispetto alle galassie più vicine. La spiegazione più comune di questo cambiamento, è il movimento. In questo caso, l'allontanamento delle galassie dalla Terra. Tale movimento provoca "l'effetto Doppler". Questo significa che più lontano è la galassia, e più rossa è la sua luce. Più rossa la sua luce, maggiore il cambiamento di lunghezza d'onda delle righe spettrali; e maggiore è tale cambiamento, maggiore è la velocità di fuga .
Pertanto le galassie più distanti si allontanano da noi alla maggiore velocità. Tutte le galassie si allontanano e la loro velocità è direttamente proporzionale alla loro distanza. Come si spiega questo? La spiegazione più semplice è che l'universo si sta espandendo, sta diventando più grande; e si sta espandendo uniformemente e senza cambiare forma.
Ogni galassia si allontana da tutte le altre; e osservando una galassia, ad esempio della Via Lattea, che è la nostra galassia, ci sembra che tutto si stia allontanando da noi.
E non c'è motivo di dire che per tutto il resto dell'universo non sia come per noi; per tutto il resto dell'universo l'immagine è uguale.
Nell'universo tutto si allontana da tutto il resto. E basta fare un piccolo salto per arrivare all'assunto che questa espansione è cominciata dopo un breve momento, avvenuto miliardi di anni fa, quando l'intero universo era molto piccolo e più condensato.

Il Big Bang e l'universo stazionario

L'espansione è iniziata dopo un'intensa esplosione di luce e di calore, e da quel momento l'universo ha cominciato a crescere, a raffreddarsi e a farsi meno denso; e così è continuato fino a raggiungere lo stato attuale.
Questa immagine dell'universo in espansione è correlata alla teoria del Big Bang dell'universo; secondo tale teoria, l'universo si evolve, crescendo cambia. Pertanto l'universo che vediamo oggi è diverso da come era miliardi di anni fa, e naturalmente in futuro sarà diverso da quello che vediamo oggi.
Queste teorie sull'universo di cui parliamo con tanta sicurezza non sono che interpretazioni di quanto vediamo nelle galassie e nella luce che ci rimandano. Quello del Big Bang sull'universo in espansione non è che un'interpretazione dei dati raccolti da Hubble. Naturalmente questa è l'interpretazione che oggi ci sembra più probabile. Quando Hubble la propose sorsero dei problemi, in quanto secondo le sue osservazioni la velocità di espansione dell'universo era eccessiva. Le galassie si allontanavano troppo rapidamente le une dalla altre; tale velocità di espansione implicava un universo troppo giovane. Un universo più giovane persino dei corpi stessi presenti in esso. Questo non aveva senso, pertanto i ricercatori si affrettarono a trovare risposte alternative. Poco dopo la seconda guerra mondiale, emerse una teoria antagonista a quella dell'universo in espansione, quella di un universo stazionario.
Tale teoria di un universo stazionario, era abbastanza seducente rispetto alla teoria del Big Bang, in quanto l'età dell'universo ricavata dall'espansione delle galassie non era attendibile. Dalle prime misurazioni di Hubble, la stima dell'età dava un fattore sballato; sembrava troppo giovane rispetto all'età a noi nota del sistema solare, ricavata dal materiale radioattivo della crosta terrestre. E la differenza era troppo grande; pertanto l'universo doveva essere più vecchio di quanto misurato.
Ma con un piccolo dato in più rispetto alle equazioni della relatività, c'era una possibile soluzione alternativa. L'universo è stato sempre lo stesso, sia nel tempo che nello spazio. Questa era la base su cui si fondava la teoria dell'universo stazionario.
Nel 1948, Fred Hoyle sviluppò il suo modello di universo fisso, basandosi anche sulle ricerche originali di Hermann Bondi e Thomas Gold. La teoria dell'universo fisso è basata sul principio perfetto della cosmologia. L'universo non appare solo lo stesso a tutti gli osservatori, ma sembra sempre uguale in ogni tempo. Tal modello si rifà ad un processo di continua creazione. Non esiste un atomo primordiale, non esiste un principio definito o una fine. L'universo si spande da sempre e continuerà ad espandersi.
Le galassie nascono, vivono e poi scompaiono, ma la densità della materia nell'universo rimane sempre costante invece di rarefarsi con l'espansione dell'universo, in quanto nuova materia sotto forma di idrogeno si crea in continuazione, provocando la nascita di nuove galassie.
Per questo, nonostante il passare del tempo, le distanze fra una galassia e un'altra rimangono invariate. Pertanto, secondo la cosmologia del Big Bang, la materia diventa sempre più rarefatta, mentre secondo la teoria dell'universo stazionario la densità della materia non cambia. Le galassie che scompaiono vengono continuamente sostituite da nuove galassie, che si formano da una fonte infinita di idrogeno.

La confutazione della teoria dell'universo stazionario

Da un punto di vista teorico entrambe le teorie appaiono corrette. Sia quella del Big Bang, che quella dell'universo stazionario. Qui però entra in gioco la scienza, e dalle osservazioni effettuate è possibile valutare che la teoria dello stato stazionario, nella sua formulazione originale, non è corretta.
Vi sono evidenti prove di evoluzione, che in un universo stazionario non dovrebbero esistere. Secondo la teoria dello stato stazionario dell'universo, attorno a noi dovrebbero esserci galassie di età diverse. Giovani, vecchie o di media età; mentre a quanto pare quasi tutte le galassie hanno la stessa età, e si formarono più o meno nello stesso periodo. Inoltre, guardando molto lontano, fuori nello spazio, possiamo vedere molto indietro nel tempo. E indietro nel tempo le cose hanno un aspetto diverso, rispetto a quelle attuali.
Innanzitutto vediamo una maggiore concentrazione di fonti radioattive nel passato, e anche i quasars. Quando l'universo era più giovane, erano più numerosi. Tuttavia la prova decisiva fu trovata nel 1965, con la scoperta dei residui della sfera di fuoco primordiale, lo stesso Big Bang.
In realtà, cosa accade a tutte le radiazioni prodottesi in quella occasione? La prima persona che considerò il problema, il fisico americano George Gamow verso la fine degli anni '40, ipotizzò che le radiazioni dovevano essere ancora presenti intorno e attraverso l'universo, vale a dire intorno a noi, in quanto ora come allora, ci troviamo all'interno dell'universo.
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Validita' della teoria del Big Bang

Gamow ipotizzò l'esistenza di queste radiazioni di microonde come residui incandescenti dell'esplosione della palla di fuoco, testimoni dell'esplosione dell'universo. Non molti considerarono seriamente l'ipotesi di Gamow allora, in quanto non era semplice osservare tali radiazioni. Ma verso la metà degli anni '60, le cose cambiarono. Presso i laboratori dell'industria dei telefoni Bell, proprio dove Jansky ha iniziato la radio-astronomia, Penszias e Wilson stavano cercando di ottenere, grazie al radio-telescopio, misurazioni molto accurate di determinate fonti celesti. Penszias e Wilson volevano misurare la forza assoluta del segnale e per fare questo, dovevano conoscere perfettamente gli strumenti in loro possesso e la provenienza delle radiazioni che vedevano sui loro rivelatori.
Cominciarono a migliorare gli strumenti ed a eliminare i segnali interferenti, tranne un residuo di tre gradi Kelvin, corrispondente ad un sistema di tre gradi che non se ne andava, a prescindere da tutti gli accorgimenti usati con le apparecchiature o dalla zona del cielo osservata. Quel segnale aveva la stessa intensità e la stessa forza dovunque nel cielo, ed era persistente. Contemporaneamente, presso la Princeton University, un gruppo di scienziati stava studiando le possibili conseguenze di un universo iniziato con il Big Bang.
Proviamo ad immaginare un'esplosione contenente tutta la materia e tutta l'energia che vediamo oggi nell'universo. Tutto era compresso in un piccolo volume e tutto è cominciato 15 o 20 miliardi di anni fa in quel modo. Qualche secondo, o qualche minuto dopo l'esplosione, quella piccola palla era caldissima, e il calore e l'energia non sono mai usciti dall'universo, e sono ancora presenti. Man mano che l'universo si è allargato, si è raffreddato sempre più, fino a raggiungere la temperatura attuale che è di 3 gradi Kelvin.
Questa scoperta delle radiazioni cosmiche, vale a dire delle radiazioni ambientali derivate dalla palla di fuoco primordiale, è probabilmente la prova più evidente che l'origine dell'universo è il Big Bang.