Per migliaia di anni, gli esseri umani hanno guardato le stelle e si sono chiesti come l’universo è venuto ad essere. Ma fu solo negli anni della prima guerra mondiale che i ricercatori svilupparono i primi strumenti di osservazione e strumenti teorici per trasformare quelle grandi domande in un preciso campo di studio: la cosmologia.,
“Penso alla cosmologia come una delle materie più antiche di interesse umano, ma come una delle scienze più recenti”, ha detto Paul Steinhardt, un cosmologo dell’Università di Princeton che studia se il tempo ha un inizio.
La cosmologia, in poche parole, studia il cosmo come un’unica entità, piuttosto che analizzare separatamente le stelle, i buchi neri e le galassie che lo riempiono. Questo campo pone grandi domande: da dove viene l’universo? Perché ha stelle, galassie e ammassi di galassie? Cosa succederà dopo?, “La cosmologia sta tentando di fare un’immagine su larga scala della natura dell’universo”, ha detto Glennys Farrar, fisico delle particelle della New York University.
Poiché questa disciplina è alle prese con molti fenomeni, dalle particelle nel vuoto al tessuto dello spazio e del tempo, la cosmologia attinge pesantemente a molti campi, tra cui l’astronomia, l’astrofisica e, sempre più, la fisica delle particelle.
“La cosmologia ha parti che sono completamente in fisica, parti che sono completamente in astrofisica e parti che vanno avanti e indietro”, ha detto Steinhardt. “Questo fa parte dell’eccitazione.,”
Una storia della storia dell’universo
La natura interdisciplinare del campo aiuta a spiegare il suo inizio relativamente tardivo. La nostra immagine moderna dell’universo ha iniziato a riunirsi solo nel 1920, poco dopo Albert Einstein ha sviluppato la teoria della relatività generale, un quadro matematico che descrive la gravità come conseguenza della flessione dello spazio e del tempo.
“Prima di capire la natura della gravità, non puoi davvero fare una teoria del perché le cose sono così come sono”, ha detto Steinhardt., Altre forze hanno effetti maggiori sulle particelle, ma la gravità è il giocatore principale nell’arena di pianeti, stelle e galassie. La descrizione della gravità di Isaac Newton spesso funziona anche in quel regno, ma tratta lo spazio (e il tempo) come uno sfondo rigido e immutabile su cui misurare gli eventi. Il lavoro di Einstein ha mostrato che lo spazio stesso potrebbe espandersi e contrarsi, spostando l’universo dal palcoscenico all’attore e portandolo nella mischia come oggetto dinamico da studiare.,
A metà degli anni 1920, l’astronomo Edwin Hubble fece osservazioni dal telescopio Hooker da 100 pollici (254 centimetri) di recente costruzione presso l’Osservatorio di Mount Wilson in California. Stava tentando di risolvere un dibattito sulla posizione di alcune nuvole nello spazio che gli astronomi potevano vedere. Hubble dimostrò che queste “nebulose” non erano piccole nubi locali, ma erano invece vasti ammassi stellari distanti simili alla nostra Via Lattea — “universi insulari” nel linguaggio del tempo. Oggi, le chiamiamo galassie e sappiamo che contano nei trilioni.,
I più grandi sconvolgimenti nella prospettiva cosmica dovevano ancora venire. Il lavoro di Hubble alla fine del 1920 ha suggerito che le galassie in ogni direzione si stanno allontanando da noi, innescando decenni di ulteriori dibattiti. Eventuali misurazioni del fondo cosmico a microonde (CMB) — luce lasciata dai primi anni dell’universo e da allora estesa alle microonde-negli 1960 hanno dimostrato che la realtà corrispondeva a una delle possibilità suggerite dalla relatività generale: partendo piccolo e caldo, l’universo è stato sempre più grande e più freddo da allora., Il concetto divenne noto come teoria del Big Bang, e fece tremare i cosmologi perché implicava che anche l’universo potesse avere un inizio e una fine.
Ma almeno quegli astronomi potevano vedere il movimento delle galassie nei loro telescopi., Uno dei cambiamenti più sismici della cosmologia, ha detto Farrar, è l’idea che la stragrande maggioranza delle cose là fuori sia fatta di qualcos’altro, qualcosa di completamente invisibile. Il materiale che possiamo vedere ammonta a poco più di un errore di arrotondamento cosmico — solo circa il 5% di tutto nell’universo.
Il primo abitante dell’altro 95% dell’universo, quello che è stato chiamato il “settore oscuro”, ha alzato la testa negli anni ‘ 70. Allora, l’astronoma Vera Rubin si rese conto che le galassie giravano così velocemente che avrebbero dovuto separarsi., Più della materia difficile da vedere, ha detto Farrar, la roba che tiene insieme le galassie doveva essere qualcosa di totalmente sconosciuto ai fisici, qualcosa che — tranne che per la sua attrazione gravitazionale — ignora completamente la materia e la luce ordinarie. La mappatura successiva ha rivelato che le galassie che vediamo sono semplicemente nuclei al centro di colossali sfere di “materia oscura”. I filamenti di materia visibile che si estendono attraverso l’universo pendono su una cornice scura che supera le particelle visibili cinque a uno.,
Il telescopio spaziale Hubble ha poi scoperto i segni di un’inaspettata varietà di energia — che i cosmologi ora dicono conti per il restante 70% dell’universo dopo aver contabilizzato la materia oscura (25%) e la materia visibile (5%) — negli 1990, quando ha cronometrato l’espansione dell’universo accelerando come un treno in fuga. “Energia oscura”, forse un tipo di energia inerente allo spazio stesso, sta spingendo l’universo a parte più velocemente di quanto la gravità possa disegnare il cosmo insieme., Tra un trilione di anni, qualsiasi astronomo rimasto nella Via Lattea si troverà in un vero universo insulare, avvolto dall’oscurità.
“Siamo in un punto di transizione nella storia dell’universo, da dove è dominato dalla materia a dove è dominato da una nuova forma di energia”, ha detto Steinhardt. “La materia oscura ha determinato il nostro passato. L’energia oscura determinerà il nostro futuro.”
Cosmologia moderna e futura
La cosmologia attuale racchiude queste scoperte fondamentali nel suo coronamento, il modello Lambda-CDM., A volte chiamato il modello standard della cosmologia, questo fascio di equazioni descrive l’universo da circa il suo primo secondo in poi. Il modello assume una certa quantità di energia oscura (lambda, per la sua rappresentazione nella relatività generale) e materia oscura fredda (CDM) e fa congetture simili sulla quantità di materia visibile, la forma dell’universo e altre caratteristiche, tutte determinate da esperimenti e osservazioni.
Gioca quel film baby-universo avanti 13.,8 miliardi di anni, e i cosmologi ottengono un’istantanea che “statisticamente ha tutto ciò che possiamo misurare fino a un certo punto”, ha detto Steinhardt. Questo modello rappresenta l’obiettivo da battere mentre i cosmologi spingono le loro descrizioni dell’universo più in profondità nel passato e nel futuro.
Per quanto sia stato efficace Lambda-CDM, ha ancora molti nodi che devono essere risolti. I cosmologi ottengono risultati contrastanti quando cercano di studiare l’espansione attuale dell’universo, a seconda che lo misurino direttamente nelle galassie vicine o lo deducano dalla CMB., Questo modello non dice nulla sulla composizione della materia oscura o dell’energia.
Poi c’è quel fastidioso primo secondo di esistenza, quando l’universo presumibilmente passò da un granello infinitesimale a una bolla relativisticamente ben educata. “Inflazione” è una teoria popolare che cerca di gestire questo periodo, spiegando come un breve momento di espansione ancora più veloce abbia fatto esplodere minuscole variazioni primordiali nelle irregolarità su larga scala delle galassie odierne, così come come gli input Lambda-CDM hanno ottenuto i loro valori.,
Nessuno sa come l’inflazione ha funzionato in dettaglio, tuttavia, o perché si è fermato dove presumibilmente ha funzionato. Steinhardt ha detto che l’inflazione avrebbe dovuto continuare in molte regioni dello spazio, implicando che il nostro universo è solo una fetta di un “multiverso” contenente ogni possibile realtà fisica — un’idea non verificabile che molti sperimentalisti trovano inquietante.,
Per fare progressi su questioni come queste, i cosmologi guardano a misurazioni di precisione da telescopi spaziali come il telescopio spaziale Hubble e il prossimo James Webb Space Telescope, così come esperimenti nel campo emergente dell’astronomia delle onde gravitazionali, come l’Osservatorio delle onde gravitazionali Interferometro laser della National Science Foundation. I cosmologi si uniscono anche ai fisici delle particelle e agli astrofisici in una gara interdisciplinare per rilevare particelle di materia oscura.,
Proprio come la cosmologia non poteva iniziare fino a quando altri rami della fisica non fossero maturati, non sarà in grado di finire di rivelare la storia dell’universo fino a quando altre aree non saranno più complete.”Per chiarire la storia, devi elaborare essenzialmente tutte le leggi della fisica a tutte le scale energetiche ea tutte le condizioni”, ha detto Steinhardt. “E un cambiamento in uno di questi potrebbe cambiare radicalmente la storia cosmologica.”
Farrar ha detto che non sa se ciò accadrà, ma si meraviglia che le persone abbiano afferrato le complessità dell’universo tanto quanto hanno., “È incredibile che il cervello umano si sia evoluto al punto che apparentemente queste domande possono essere risolte”, ha detto. “Alcuni di loro almeno.”