Il ciclo vitale dell’Universo: siamo già entrati nella sesta e ultima era. Diamo un’occhiata all’universo che ci circonda. Non sarà mai più così ricco o così facile da comprendere. Mai più.
L’universo di oggi non è lo stesso di ieri. Ad ogni momento che passa, si verificano numerosi cambiamenti, sottili ma importanti, anche se molti di essi sono impercettibili su scale temporali umane misurabili. L’Universo si sta espandendo, il che significa che le distanze tra le più grandi strutture cosmiche aumentano con il tempo.
Un secondo fa, l’Universo era leggermente più piccolo; un secondo da ora, l’Universo sarà leggermente più grande. Ma quei sottili cambiamenti si accumulano su grandi scale temporali cosmiche, che influenzano più di semplici distanze. Man mano che l’Universo si espande, l’importanza relativa di radiazioni, materia, neutrini ed energia oscura cambia. La temperatura dell’Universo cambia. Tutto sommato, ci sono sei diverse epoche in cui possiamo spezzare la vita dell’Universo e siamo già in quella finale.
La ragione di ciò può essere compresa dal grafico sopra. Tutto ciò che esiste nel nostro Universo contiene una certa quantità di energia: materia, radiazione, energia oscura, ecc. Mentre l’Universo si espande, il volume che queste forme di energia occupano cambia e così anche la densità della loro energia evolve in qualcosa di diverso. In particolare, se definiamo l’orizzonte osservabile dalla variabile a , allora:
- la densità della sua energia si evolverà come 1 / a 3 , poiché la densità (per la materia) è solo massa su volume e la massa può essere facilmente convertita in energia tramite E = mc 2 ,
- la radiazione evolverà la sua densità energetica di 1 / a 4 , poiché (per la radiazione) la densità numerica è il numero di particelle divise per volume e l’energia di ogni singolo fotone si allunga mentre l’Universo si espande, aggiungendo un fattore aggiuntivo di 1 / un parente della materia,
- e l’energia oscura è una proprietà dello spazio stesso, quindi la sua densità energetica rimane costante (1 / a 0 ), indipendentemente dall’espansione o dal volume dell’Universo.
Un universo che esiste da più tempo, quindi, si sarà espanso di più. Sarà più fresco in futuro e più caldo in passato; era gravitazionalmente più uniforme in passato ed è ora più disordinato; era più piccolo in passato e sarà molto, molto più grande in futuro.
Applicando le leggi della fisica all’Universo e confrontando le possibili soluzioni con le osservazioni e le misurazioni che abbiamo ottenuto, possiamo determinare sia da dove veniamo che dove siamo diretti. Possiamo estrapolare la nostra storia passata fino al periodo dell’inflazione cosmica. Possiamo anche estrapolare lo sviluppo dell’Universo in un lontano futuro e prevedere il destino ultimo che attende tutto ciò che esiste.
Quando tracciamo le linee di divisione in base al comportamento dell’Universo, scopriamo che la sua vita può dividersi in sei fasi.
- Era inflazionistica: che ha preceduto e creato il caldo Big Bang.
- Primordial Soup era: dall’inizio del Big Bang caldo fino alle interazioni nucleari finali trasformative nell’universo primordiale.
- Era del plasma: dalla fine delle interazioni nucleari e di particelle non disperse fino a quando l’Universo si raffredda abbastanza da formare stabilmente materia neutra.
- Era dei secoli bui: dalla formazione della materia neutra fino a quando le prime stelle e galassie reionizzano completamente il mezzo intergalattico dell’Universo.
- Era stellare: dalla fine della reionizzazione fino alla cessazione della formazione guidata dalla gravità e la crescita della struttura su larga scala, quando la densità dell’energia oscura domina sulla densità della materia.
- Era dell’Energia Oscura: lo stadio finale del nostro Universo, in cui l’espansione accelera e gli oggetti disconnessi si allontanano irrevocabilmente e irreversibilmente l’uno dall’altro.
Siamo già entrati in questa era finale miliardi di anni fa. La maggior parte degli eventi importanti che definiscono la storia del nostro Universo si sono già verificati.
1.) Era inflazionistica . Prima del caldo Big Bang, l’Universo non era pieno di materia, antimateria, materia oscura o radiazioni. Non era pieno di particelle di alcun tipo. Invece, è stato riempito con una forma di energia inerente allo spazio stesso: una forma di energia che ha causato l’espansione dell’Universo sia in modo estremamente rapido che implacabile, in modo esponenziale.
- Allungò l’Universo, da qualunque geometria avesse una volta, in uno stato indistinguibile da spazialmente piatto.
- Ha espanso una piccola patch causalmente connessa dell’Universo a una molto più grande del nostro Universo attualmente visibile: più grande dell’attuale orizzonte causale.
- Ha preso tutte le particelle che potrebbero essere state presenti e ha espanso l’Universo così rapidamente che nessuna di esse è rimasta all’interno di una regione delle dimensioni del nostro Universo visibile.
- E le fluttuazioni quantistiche verificatesi durante l’inflazione hanno creato i semi della struttura che hanno dato origine alla nostra vasta rete cosmica oggi.
E poi, all’improvviso, circa 13,8 miliardi di anni fa, l’inflazione si è conclusa. Tutta quell’energia, una volta inerente allo spazio stesso, è stata convertita in particelle, antiparticelle e radiazioni. Con questa transizione, l’era inflazionistica finì e iniziò il caldo Big Bang.
2.) Era della zuppa primordiale. Una volta che l’Universo in espansione è pieno di materia, antimateria e radiazioni, comincia a raffreddarsi. Ogni volta che le particelle si scontrano, possono produrre qualunque coppia particella-antiparticella consentita dalle leggi della fisica. La restrizione primaria deriva solo dalle energie delle collisioni coinvolte, poiché la produzione è regolata da E = mc 2.
Man mano che l’Universo si raffredda, l’energia diminuisce e diventa sempre più difficile creare coppie di particelle e antiparticelle più massicce, ma le reazioni di anichilimento e altre reazioni delle particelle continuano senza sosta. Da 1 a 3 secondi dopo il Big Bang, l’antimateria sparisce, lasciando dietro di sé solo la materia. 3-4 minuti dopo il Big Bang, può formarsi deuterio stabile e si verifica la nucleosintesi degli elementi luminosi. E dopo alcuni decadimenti radioattivi e alcune reazioni nucleari finali, tutto ciò che ci rimane è un plasma ionizzato caldo (ma in via di raffreddamento) costituito da fotoni, neutrini, nuclei atomici ed elettroni.
3.) Era del plasma. Una volta che questi nuclei di luce si formano, sono gli unici oggetti caricati positivamente (elettricamente) nell’Universo e sono ovunque. Naturalmente, sono bilanciati da una uguale quantità di carica negativa sotto forma di elettroni. Nuclei ed elettroni formano atomi, e quindi potrebbe sembrare naturale che queste due specie di particelle si ritrovino immediatamente, formando atomi e aprendo la strada alle stelle.
Sfortunatamente per loro, sono ampiamente superiori di oltre un miliardo a uno ai fotoni. Ogni volta che un elettrone e un nucleo si legano insieme, un fotone abbastanza carico di energia arriva e li distrugge. Solo quando l’Universo si raffredda drammaticamente, da miliardi di gradi a solo migliaia di gradi, gli atomi neutri possono finalmente formarsi. (E anche allora, è possibile solo a causa di una transizione atomica speciale).
All’inizio dell’era del plasma, il contenuto energetico dell’Universo è dominato dalle radiazioni. Alla fine, è dominato dalla materia normale e oscura. Questa terza fase ci porta a 380.000 anni dopo il Big Bang.
4.) Era dei secoli bui. Riempito con atomi neutri, finalmente, la gravitazione può iniziare il processo di formazione della struttura nell’Universo. Ma con tutti questi atomi neutri intorno, ciò che attualmente conosciamo come luce visibile sarebbe invisibile in tutto il cielo.
Perché? Perché gli atomi neutri, in particolare sotto forma di polvere cosmica, sono eccezionali per bloccare la luce visibile.
Per porre fine a questi secoli bui, il mezzo intergalattico deve essere reionizzato. Ciò richiede enormi quantità di formazione stellare e un numero enorme di fotoni ultravioletti, e ciò richiede tempo, gravitazione e l’inizio della rete cosmica. Le prime grandi regioni della reionizzazione hanno luogo tra 200 e 250 milioni di anni dopo il Big Bang, ma la reionizzazione non si completa, in media, fino a quando l’Universo ha 550 milioni di anni. A questo punto, il tasso di formazione stellare è ancora in aumento e i primi enormi ammassi di galassie stanno iniziando a formarsi.
5.) Era stellare. Una volta terminati i secoli bui, l’Universo è ora trasparente alla luce delle stelle. I grandi recessi del cosmo sono ora accessibili, con stelle, ammassi stellari, galassie, ammassi di galassie e la grande e crescente rete cosmica, tutti in attesa di essere scoperti. L’Universo è dominato, dal punto di vista energetico, dalla materia oscura e dalla materia normale, e le strutture legate alla gravità continuano a crescere sempre più.
Il tasso di formazione stellare aumenta e aumenta, raggiungendo un picco circa 3 miliardi di anni dopo il Big Bang. A questo punto, continuano a formarsi nuove galassie, le galassie esistenti continuano a crescere e fondersi e gli ammassi di galassie attirano sempre più materia al loro interno. Ma la quantità di gas libero all’interno delle galassie inizia a calare, poiché le enormi quantità di formazione stellare ne hanno consumato gran parte. Lentamente ma costantemente, il tasso di formazione stellare diminuisce.
Col passare del tempo, il tasso di mortalità stellare supererà il tasso di natalità, un fatto aggravato dalla seguente sorpresa: quando la densità della materia diminuisce con l’Universo in espansione, una nuova forma di energia – l’energia oscura – inizia ad apparire e dominare. 7,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, le galassie distanti smettono di rallentare nella recessione l’una dall’altra e ricominciano ad accelerare. L’universo in accelerazione è alle porte. Poco dopo, 9,2 miliardi di anni dopo il Big Bang, l’energia oscura diventa la componente dominante dell’energia nell’Universo. A questo punto, entriamo nell’era finale.
6.) Dark Energy age. Una volta che l’energia oscura prende il sopravvento, succede qualcosa di bizzarro: la struttura su larga scala dell’Universo cessa di crescere. Gli oggetti che erano legati gravitazionalmente l’uno all’altro prima della presa dell’energia oscura rimarranno legati, ma quelli che non erano ancora legati all’inizio dell’era dell’energia oscura non si legheranno mai. Invece, semplicemente accelereranno allontanandosi l’uno dall’altro, conducendo esistenze solitarie nella grande distesa del nulla.
Le singole strutture legate, come galassie e gruppi/ammassi di galassie, alla fine si fonderanno per formare una gigantesca galassia ellittica. Le stelle esistenti moriranno; la formazione di nuove stelle rallenterà fino a fermarsi; le interazioni gravitazionali espellono la maggior parte delle stelle nell’abisso intergalattico. I pianeti entreranno a spirale nelle loro stelle madri o resti stellari, a causa del decadimento dovuto alle radiazioni gravitazionali. Anche i buchi neri, con una durata straordinariamente lunga, finiranno per decadere attraverso la radiazione di Hawking.
Alla fine, rimarranno solo stelle nane nere e le masse isolate troppo piccole per accendere la fusione nucleare, scarsamente popolate e disconnesse l’una dall’altra in questo cosmo vuoto e in continua espansione. Questi cadaveri dello stato finale persisteranno per moltissimo tempo, mentre l’energia oscura rimane il fattore dominante nel nostro Universo.
Quest’ultima era, di dominio dell’energia oscura, è già iniziata. L’energia oscura è diventata importante per l’espansione dell’Universo 6 miliardi di anni fa e ha iniziato a dominare il contenuto energetico dell’Universo mentre il nostro Sole e il nostro Sistema Solare nascevano. L’Universo ha vissuto in sei fasi, ma per tutta la storia della Terra, abbiamo vissuto solo quello finale.
Diamo un’occhiata all’universo che ci circonda. Non sarà mai più così ricco o così facile da comprendere. Mai più.
Fonte: Forbes
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