Come fanno i fisici a sapere che l’universo è nato dal Big Bang e che si sta espandendo?

Introduzione

È una domanda che mi sono posto diverse volte quando andavo a scuola: il Big Bang è una teoria senza conferme oppure abbiamo dei dati a sostegno di questa ipotesi?

Anni fa ho dovuto farmi un bel po’ di ricerche per trovare una risposta precisa, unendo i pezzi per crearmi un quadro completo. L’argomento infatti non è dei più semplici per chi approccia l’astronomia per la prima volta. Mi sarei risparmiato un bel po’ di lavoro se già allora avessi avuto tra le mani L’universo in un guscio di noce di Stephen Hawking, un libro divulgativo scritto per il pubblico con una chiarezza e una semplicità che non sono mai riuscito a trovare prima.

La luce di molte stelle non arriverà mai sulla Terra

L’assunto parte dalla spiegazione sul perché l’universo non sia statico, ma debba essere per forza in movimento, in continua evoluzione.

Quando alziamo gli occhi, nella notte, vediamo il cielo punteggiato da migliaia di stelle. In realtà anche nelle notti più limpide a occhio nudo non riusciamo a distinguere più di 3-5 mila astri, in gran parte a causa dell’inquinamento luminoso artificiale. Se pensate che soltanto nella Via Lattea, la nostra galassia, sono presenti oltre 200 miliardi di stelle, vi potete rendere conto di quanto sia immenso l’universo.

Prendiamo la stella più vicina a noi escludendo il Sole. Proxima Centauri dista 4,2 anni luce da noi (l’anno luce è un’unità astronomica che corrisponde alla distanza percorsa dalla luce in un anno nello spazio vuoto). Questo significa che la sua luce impiega 4,2 anni a toccare la Terra e che quindi, intuitivamente, noi vediamo Proxima Centauri così com’era quattro anni fa.

Teniamo presente che esistono stelle estremamente più lontane, appartenenti a galassie distanti milioni di anni luce da noi. La loro luce impiega milioni di anni ad arrivare a noi. Molte galassie vengono “scoperte” di recente dai telescopi soltanto perché la loro luce arriva adesso lungo il nostro orizzonte visibile.

Se l’universo fosse fermo, se le galassie fossero da sempre nella stessa posizione, i raggi visivi delle stelle continuerebbero a colpire la Terra e il cielo notturno sarebbe costantemente illuminato a giorno. Visto che da noi arrivano soltanto le luci di alcune stelle, è chiaro che l’universo non può essere fermo, che alcune galassie si stanno allontanando velocemente impedendo alla luce di raggiungerci.

Come sappiamo che l’Universo si espande?

Un fenomeno particolare chiamato Effetto Doppler ci fa capire, con delle misurazioni, se una galassia si sta allontanando o avvicinando alla nostra.

Tra due corpi (due galassie) viaggiano delle onde luminose. Se la galassia si avvicina, queste onde vengono “schiacciate” e le righe spettrali assumono una colorazione sul violetto. Se al contrario la galassia si allontana, le onde luminose si allungano e le righe spettrali si spostano verso il rosso. Si è visto che quasi tutte le galassie hanno la colorazione verso il rosso, quindi si stanno allontanando: è la dimostrazione che l’universo si sta espandendo.

Tra le altre cose si è capito che, nei primi attimi di vita, l’universo si è espanso così rapidamente che alcuni corpi stellari sono ormai in una posizione troppo deviata dalla Terra perché possiamo vedere la loro luce.

Come sappiamo quando è avvenuto il Big Bang?

Dato per assodato che l’universo si espande e non è fisso, resta da capire se vi è stato un punto di origine da cui tutte le galassie sono partite e si sono allontanate. Edwin Hubble si accorse che quanto più lontana era la sorgente luminosa, tanto più rapidamente questa si allontanava (una dimostrazione chiamata appunto legge di Hubble). Le galassie più “esterne”, più lontane a noi, si stanno allontanando con una velocità di molto superiore a come si spostano le galassie più vicine alla nostra.

La velocità di allontanamento delle galassie ci permette di capire che 10-15 miliardi di anni fa queste erano tutte vicinissime tra loro. È la probabile dimostrazione che le stelle hanno un’origine comune: il Big Bang, nato quindi tra i 10 e i 15 miliardi di anni fa.

Perché dimostrare che l’universo si espande è così importante per gli scienziati? Vi risponderò con un’altra domanda, che tra l’altro apre numerosi interrogativi. Se l’universo è sempre lo stesso vuol dire che ha una quantità finita di materia: allora se niente può essere aggiunto, lo spazio sempre più grande che separa le galassie di cosa è composto?