Quali sono i possibili destini dell'universo e cos'è la densità critica?

Il big bang e l'universo inflazionario:

Il pioniere dell'espansione dell'universo è Friedmann. L'universo è in continua evoluzione a partire da uno stato primordiale caldo e denso, attraverso un iniziale big bang. All'inizio del tempo, nell'istante zero, l'universo era concentrato in un volume più piccolo di un atomo con densità infinita e una temperatura elevatissima. Questo si squarcio con un esplosione immane. Però non c'era un "fuori", cioè uno spazio esterno in cui potesse dilatarsi un esplosione, ma lo spazio si generò insieme all'espansione. Quindi l'universo sarebbe passato attraverso una brevissima fase in cui le forze fondamentali si sarebbero comportate in modo diverso rispetto a oggi: si sarebbe verificata una violentissima esplosione che in 10^-32 secondi, avrebbe fatto aumentare il volume dell'universo di miliardi e miliardi di volte, mentre la temperatura sarebbe scesa rapidamente fino allo zero assoluto. Al termine la sfera di fuoco avrebbe preso ad espandersi con un ritmo più lento. Nei primissimi istanti, l'energia cominciò a condensarsi prima in particelle elementari (quark, elettroni), poi particelle maggiori (protoni, neutroni), finchè dopo i primi 3 minuti, quando la temperatura scese a 10⁹ K, si formarono i primi nuclei atomici. Per un lungo tempo, l'universo restò una nube di gas ionizzati e radiazioni. Solo dopo 300000 anni la temperatura scese a 3000 K e gli elettroni che furono catturati dai nuclei formaronon un gas neutro, formato da idrogeno ed elio. Con la formazione di idrogeno neutro la materia si separò nettamente dalla radiazione e fu la componente fondamentale dell'evoluzione dell'universo. Da quel momento la luce poteva viaggiare libera nell'universo. La radiazione emessa dalla sfera di fuoco si irradiava in ogni direzione e oggi dovrebbe impregnare debolmente tutto l'universo. Questa radiazione di fondo, osservata da Wilson e Penzias, corrisponde a 3 K ed è come l'eco del big bang, duro colpo per i sostenitori dello stato stazionario. Il satellite COBE, che orbita intorno alla Terra, nel 1989, rilevò variazioni nella radiazione di fondo, interpretate come disuniformità della materia. Dopo il primo miliardo di anni, la temperatura dell'universo è quella di una qualsiasi stella e la materia è fatta di idrogeno, elio, elettroni, protoni e fotoni. Dove il gas è più denso, la gravità fa condensare l'idrogeno in gigantesche masse, dove lampeggiano gigantesche esplosioni dei quasar. Mentre i quasar diventano più rari e si formano enormi galassie a spirale, si formano gli elementi chimici più pesanti che si mescolano, sotto forma di ceneri, ai gas ed alle polveri delle nebulose, dove nascono nuove stelle.

Verso gli abissi del futuro:

Non si è ancora certi della densità media della materia di cui è costituito l'universo. Se il valore della densità fosse quello definito critico, l'espansione rallenterebbe tendendo a zero, ma senza mai arrivarci. La materia visibile, cioè identificabile (perché emette radiazioni), giustifica l'1% del valore critico. Si è tenuto conto della materia oscura (nane brune, buchi neri etc.), la cui presenza è messa in evidenza da perturbazioni nei moti delle stelle e delle galassie, ma studi teorici mostrano che anche così, si arriverebbe al 10% del valore critico. La materia mancante può essere rappresentata da neutrini (particelle piccolissime di grande energia e velocità, che vengono prodotte in grandi quantità in molte reazioni nucleari e hanno solo debolissime interazioni con la materia "usuale"). Se la densità è inferiore al valore critico, l'espansione continuerà senza fine, le stelle consumeranno tutto il loro combustibile e le galassie diventeranno sistemi oscuri di corpi freddi e inerti, in un cosmo completamente buio. Tra 10³⁰ anni solo i buchi neri continueranno a crescere e tra 10⁶⁰ anni rimarranno le uniche concentrazioni di massa. Comunque anche loro producono radiazioni, e quindi, tra miliardi di anni si dissolveranno anche loro. Tra 10¹⁰⁰ anni in uno spazio enorme, buio e vuoto, vagheranno solo poche particelle infinitamente lontane tra loro. Ma se la densità è superiore a quella critica e la forza di gravità riuscisse a frenare l'espansione dell'universo, allora le galassie finiranno per arrestare la loro fuga e invertiranno il loro movimento, facendo contrarre l'universo. La temperatura aumenterebbe, le stelle diventerebbero più calde, gli elementi più pesanti si disintegrerebbero, idrogeno ed elio si dissolverebbero in energia e tutto precipiterebbe allo stadio primordiale.