Inizio dell'espansione

Perché quattrocento mila anni? Come era l’universo prima di quattrocento mila anni? Perché non lo vediamo direttamente?
Intanto possiamo dire questo: noi sappiamo che oggi la temperatura media dell’universo è di 2,7 gradi assoluti. Sappiamo quale è la densità media, la possiamo misurare da una stima statistica del contenuto dell’universo, cioè delle galassie e degli ammassi delle galassie e si trova circa a un millesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo della densità dell’acqua.

Conoscendo questi due dati possiamo ricostruire come è cambiata la temperatura e la densità nel passato, quando la scala dell’universo era più piccola. Parlo di scala, non di raggio, perché non sappiamo se l’universo è finito o infinito, quindi per scala intendo la distanza fra due, per esempio, due ammassi di galassie qualsiasi. Nel passato questi ammassi erano più vicini e noi sappiamo che la densità cresce con l’inverso della scala al cubo, la temperatura cresce con l’inverso della scala. Quindi siamo in grado di calcolare temperatura e densità nel passato, a qualsiasi epoca.
Temperatura e densità sono quelle che definiscono le proprietà fisiche della materia; quindi possiamo trovare che quando l’espansione dello spazio era cominciata, diciamo da qualche frazione di secondo, la temperatura era di miliardi di miliardi di miliardi di gradi; la densità di miliardi di miliardi di miliardi di volte la densità dell’acqua. Poi, espandendo, questi valori sono diminuiti e arrivò un momento in cui la temperatura e la densità raggiunsero valori dell’ordine di tremila gradi e la densità molto più bassa. A tremila gradi succede qualcosa: fra pochi secondi e quattrocento mila anni l’universo attraversa varie fasi.
All’inizio dell’espansione – appunto ripeto, noi sappiamo se è iniziato o no l’universo, sappiamo che a un certo momento è iniziata l’espansione – con queste densità enormi e temperature enormi, l’unico stato possibile della materia era quello di una zuppa di particelle elementari, le più elementari possibili che sono gli elettroni, i neutrini, i quark che sono i costituenti dei protoni e neutroni, che sono particelle che formano il nucleo degli atomi. L’universo espande, la temperatura diminuisce e da queste particelle elementari cominciano a formarsi particelle non più elementari come i protoni e i neutroni che contengono ciascuno tre quark. La temperatura diminuisce ancora: quando sono passati qualcosa fra circa tre minuti dall’inizio dell’espansione, la temperatura è scesa a un valore dell’ordine di un miliardo di gradi; la densità è circa quella dell’acqua. In queste condizioni, protoni e neutroni possono combinarsi, unirsi, dando luogo alle prime reazioni nucleari. Un protone e un neutrone danno luogo alla formazione di un nucleo di idrogeno pesante, quello che si chiama anche deuterio; due protoni e un neutrone danno luogo a un nucleo di elio3; due protoni e due neutroni danno luogo a un nucleo di elio4. Elio3 e elio4, sono due forme in cui compare l’elio nell’universo: l’elio3 molto meno abbondante; l’elio4 è la parte più abbondante.

Prima dei tre minuti la temperatura è troppo alta. Temperatura troppo alta, cosa vuol dire? Vuol dire che le particelle si agitano freneticamente e gli urti, urtandosi freneticamente, distruggerebbero qualsiasi nucleo più complesso di un protone. Quindi, prima di tre minuti niente si può formare di più complesso di un protone. Poi la temperatura è seguita a diminuire e dopo circa otto minuti, si calcola, che la temperatura è diventata troppo bassa perché possano avere luogo altre reazioni nucleari. Perché una reazione nucleare possa avere luogo bisogna che le temperature siano abbastanza alte, perché più protoni, cioè particelle aventi la stessa carica positiva che tendono a respingersi vengano conficcate insieme a formare nuclei più complessi. Quindi, fra tre e otto minuti avvengono queste reazioni nucleari: formazione di idrogeno pesante, di elio e di litio. Poi la temperatura e seguita a diminuire e quando arriviamo a 400000 anni, ecco che succede un altro cambiamento. Prima di 400000 anni, la temperatura è sempre abbastanza alta perché i gas siano ionizzati. Cosa vuol dire gas ionizzato? I nuclei positivi, i protoni e le particelle alfa, cioè i nuclei di elio sono separati dagli elettroni che hanno carica negativa. Quindi, noi abbiamo un miscuglio di gas formato di particelle cariche positivamente e cariche negativamente, separate. Un gas così si chiama ionizzato. Ora un gas ionizzato è completamente opaco alla radiazione, cioè noi possiamo visualizzare la situazione in questo modo: i fotoni, quelle particelle di luce, si muovono freneticamente in questo gas ionizzato, ma avanti e indietro, a zig zag, come rimbalzando da una particella all’altra senza potere procedere; quindi si muovono freneticamente a caso ma restano sempre nello stesso posto; e quindi, questa luce, questi fotoni non possono arrivare fino a noi, quindi noi non potremmo mai vedere direttamente come era fatto questo universo primordiale. Ma quando sono passati, circa, 400000 anni e la temperatura è diventata più bassa di tre mila gradi, il gas diventa neutro, cioè i protoni catturano un elettrone e abbiamo un atomo neutro, le particelle alfa catturano due elettroni e abbiamo l’elio neutro; un gas neutro è trasparente alla radiazione.
Ed ecco che la radiazione può arrivare liberamente fino a noi. Quindi a 400000 anni c’è questo muro di luce che ci impedisce di vedere direttamente come era fatto l’universo prima, però da 400000 anni, dall’inizio dell’espansione in poi, noi possiamo vedere direttamente come era fatto l’universo e quindi visivamente avere una successione di immagini che ci fanno vedere l’universo a varie epoche nel passato. Ecco, questo è quello che rappresenta l’evoluzione dell’universo. Ora, dopo 400000 anni dall’inizio dell’evoluzione, noi abbiamo un universo che è fatto esclusivamente di idrogeno, di idrogeno pesante, elio nelle due forme – elio3, elio4 – e litio. E tutti gli altri elementi? Quelli che conosciamo noi? Noi sappiamo che sulla Terra ci sono degli elementi dall’idrogeno all’uranio, tutto quello che conosciamo intorno a noi, noi stessi, conteniamo questi 92 elementi.