Quando la temperatura scende sotto 3mila °C, si formano i primi atomi e l’universo, ancora una volta, si trasforma. Da plasma, diventa gas. Cambia anche l’aspetto. Quando era plasma, l’universo era incandescente e opaco. Dopo, diventa trasparente.

Il primo di questi processi riguarda ancora una volta il vuoto. Dopo 10-10 secondi, il vuoto cambia nuovamente struttura e alcune particelle acquistano massa. Questo meccanismo è stato dimostrato al Cern di Ginevra nel 2012, con la scoperta del bosone di Higgs.

Il Big Bang è sempre stato considerato l’inizio del cosmo, ma ora si ritiene che ci fosse qualcosa prima: un vuoto in veloce espansione.

Nasce la massa 10-10 SECONDI

Sono passati 13,8 miliardi di anni dal momento del Big Bang. Ma l’universo attuale porta ancora impresse su di sé, nei dettagli della radiazione cosmica di fondo e nella distribuzione delle galassie su larga scala, l’impronta della struttura che aveva quando era molto più giovane.

Negli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (Lhc) al Cern di Ginevra si fanno scontrare tra loro particelle molto energetiche, ricreando così per un istante alcune condizioni caratteristiche delle prime fasi dopo il Big Bang.

Al termine del processo di inflazione, il vuoto cambia natura e si infiamma: si genera un mare di particelle, ancora senza massa, che si muovono in ogni direzione ad altissima temperatura.

In teoria, il vuoto primordiale che ha generato il nostro universo potrebbe essersi espanso anche in altri punti, generando altri universi. Questi mondi “paralleli” al nostro sarebbero però a noi totalmente inaccessibili.

Il cosmo continua a espandersi e a raffreddarsi, e per 380 mila anni non succede quasi nulla. In questa fase, l’universo è costituito da un “plasma”, cioè una specie di gas “elettrizzato”. Un gas è composto da atomi o molecole, che sono elettricamente neutri. Un plasma, invece, è formato da particelle cariche come protoni ed elettroni.

Dopo il Big Bang, l’universo continua a espandersi e a raffreddarsi, anche se a un ritmo molto inferiore a quello precedente. E, raffreddandosi, cambia aspetto attraverso alcuni processi bruschi.

Dentro le stelle, si attivano per la prima volta le reazioni nucleari che portano alla formazione degli elementi della tavola periodica come carbonio, ossigeno, silicio e ferro.

Spazio

Che cosa c’era davvero all’origine dell’universo

L’universo oggi 13,8 MILIARDI DI ANNI

Si formano i nuclei atomici 100 SECONDI

Circa 300 milioni di anni dopo il Big Bang, si formano le prime galassie e cominciano a brillare le prime stelle. Soltanto ora i nostri strumenti più avanzati, e in particolare il James Webb Telescope, stanno cominciando a documentare questa fase di vita del cosmo, ancora poco conosciuta.

Arrivano i primi atomi 380.000 ANNI

Secondo la teoria dell’inflazione, prima del nostro universo c’era un vuoto primordiale. A un certo punto, nel vuoto si innesca il processo dell’inflazione cosmica. Ed è da qui che parte la descrizione teorica.

Il vuoto primordiale durante l’inflazione è molto diverso da quello attuale: è freddo e si espande in modo esponenziale, stirando ogni possibile disomogeneità precedente. Nel corso dell’inflazione, però, si generano fluttuazioni quantistiche che rendono il vuoto non perfettamente omogeneo. Queste disomogeneità iniziali sono importanti, perché da lì nascono le prime zone con densità superiore alla media, che costituiscono i “semi” attorno ai quali si addensano stelle e galassie.

L’universo continua a espandersi e a raffreddarsi. La materia si addensa attorno alle piccole disomogeneità iniziali, ma è ancora privo di stelle.

Realizzazione grafica e sviluppo: Vittorio Sacchi/Focus. Testi: Andrea Parlangeli/Focus

Per convenzione, si può continuare a considerare questo come il “tempo zero”, perché da questo momento in poi tutto continua come nella tradizionale teoria del Big Bang.

Nascono anche pianeti come la Terra e, lentamente, nel corso di miliardi di anni, a partire da molecole complesse a base di carbonio si sviluppa la vita.

Nascono stelle e galassie 300 MILIONI DI ANNI

I primi nuclei atomici che si formano sono molto leggeri, soprattutto idrogeno ed elio. I nuclei degli atomi più pesanti si generano solo molto dopo, nelle stelle.

COME TUTTO È COMINCIATO Fino a un secolo fa, si riteneva che l’universo fosse eterno, infinito e statico. Poi si è scoperto che si sta espandendo. Dunque, se ne dedusse che, andando all’indietro nel tempo, tutto doveva essere cominciato con un’enorme “esplosione”, il Big Bang. Fu una grande conquista del pensiero. Oggi, però, la teoria classica del Big Bang è stata rivista alla luce di una nuova ipotesi, quella dell’inflazione cosmica.

In questo modo, la teoria dell’inflazione ridefinisce il Big Bang, che non è più visto come una “singolarità” iniziale, cioè come uno stato di densità e temperatura infinite. Nel nuovo scenario, sia la densità sia la temperatura sono enormi, ma finite.

Le prime stelle esplodono e muoiono, liberando gas e polveri sempre più ricchi di elementi pesanti. Nel corso di miliardi di anni, nascono le stelle di seconda generazione, cioè che si sono formate dai resti lasciati da altre stelle, come il Sole.

Un’altra trasformazione riguarda i quark, che inizialmente si muovevano in una “zuppa” informe. Quando la temperatura scende sotto un certo livello, i quark si aggregano tra loro per formare i primi nuclei atomici e altre particelle.

L’universo si accende TEMPO “ZERO”

È affascinante notare come le proprietà dell’universo nelle prime fasi sembrino collegate a quelle attuali, e come le caratteristiche alle scale più piccole sembrino determinare quelle alle scale più grandi. Resta però senza risposta la domanda più profonda: da dove è nato tutto questo?

In questo modo, nel 2012 è stato scoperto il bosone di Higgs, e questo ha permesso di ricostruire un processo di mutamento del vuoto avvenuto 10-10 secondi dopo il Big Bang. Attraverso questo e altri esperimenti, e attraverso le osservazioni astronomiche, si cercano ancora risposte ai tanti dubbi che rimangono. E, soprattutto, si cerca di trovare qualche indizio di una teoria capace di spiegare l’origine del nostro universo… e degli altri.

La radiazione cosmica di fondo, misurata oggi dai nostri strumenti, fotografa l’universo in quel momento di transizione. Solo che la luce emessa allora, quando il cosmo era incandescente, ci raggiunge dopo 13,8 miliardi di anni, dopo essere stata “stirata” dall’espansione dell’universo, per cui si è trasformata in microonde.

Evoluzione delle galassie MILIARDI DI ANNI

Le galassie, lentamente, si evolvono, e si allontanano sempre di più le une dalle altre.

Gli elettroni e i quark (che si trovano nei nuclei atomici), infatti, hanno una massa che nasce proprio dall’interazione con il bosone di Higgs.

OLTRE LA REALTÀ VISIBILE La teoria dell’inflazione spiega molto bene che cosa potrebbe aver originato il Big Bang, ma non spiega come siano nati lo spazio e il tempo. Per andare oltre, cioè per spiegare l’inflazione stessa e magari anche gli altri misteri, ci sarebbe bisogno di una teoria di “gravità quantistica”, che però ancora non c’è. Una teoria di questo tipo dovrebbe mettere insieme i due schemi più avanzati che abbiamo: la relatività generale, che descrive straordinariamente bene le scale stellari e cosmologiche, e la meccanica quantistica, che detta le leggi del micromondo. Oggi esistono alcuni tentativi di risolvere questo problema, ma ancora non c’è una soluzione definitiva.

Nei primi secondi e nei primi minuti avvengono un sacco di cose. L’antimateria, per esempio, gradualmente scompare in più fasi, per ragioni ancora poco conosciute.

Inflazione cosmica PRIMA DEL BIG BANG

Secondo i cosmologi, questa impronta riflette quella che era la struttura dell’universo nelle sue primissime fasi di vita, se non addirittura del vuoto che forse c’era prima ancora del Big Bang, con le sue fluttuazioni quantistiche che avrebbero generato i primi nuclei di aggregazione della materia.

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L’universo si accende

L’EVOLUZIONE DELL’UNIVERSO

Nasce la massa

Nascono i nuclei atomici

13,8 MILIARDI DI ANNI

380.000 ANNI

300 MILIONI DI ANNI

L’universo oggi

Arrivano i primi atomi

PRIMA DEL BIG BANG

Nascono stelle e galassie

MILIARDI DI ANNI

-10

Inflazione cosmica

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Evoluzione delle galassie

10 SECONDI

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