5 grandi enigmi dell’Universo

1. Di cosa è fatto l'universo?

L'universo è pieno di stelle, ovviamente, e nebulose gassose, ma i calcoli mostrano che deve esserci anche qualcosa che non riusciamo  a vedere. I corpi celesti visibili sono solo una frazione modesta dell'universo. Più del 95% è costituito da componenti ancora ignoti.

Analizzando la luce emessa dalle galassie più lontane, osserviamo che nel suo percorso la luce viene deviata più di quanto dovrebbe. L'attrazione gravitazionale delle galassie presso le quali la luce non giustifica una curvatura tanto pronunciata. Per questo gli astronomi ipotizzano che esista la cosiddetta materia oscura (quella componente di materia che si manifesta attraverso i suoi effetti gravitazionali, ma non direttamente osservabile), che rende conto della gravità mancante.

E non solo: l'universo si sta espandendo sempre di più e questo richiede una forza chiamata energia oscura. Grazie alla famosa equazione di Einstein E=mc² (l'equazione fisica che stabilisce l'equivalenza tra l'energia (E) e la massa (m) di un sistema fisico), è possibile "tradurre" in massa l'energia che deve essere presente.

Questo ci consente di avere un'idea precisa di quanta energia e materia oscure ci sono nell'universo, ma non sappiamo nulla della natura di questi elementi oscuri. Oggetti sfuggenti, neutrini e ipotetiche particelle chiamate "Wimp"(dall'inglese weak interacting massive particles: particelle dotate di massa, soggette all'interazione debole - una delle forze fondamentali della Natura).

Gli scienziati, attualmente, sono alla ricerca di particelle grandi e pesanti nella materia oscura, in grado di produrre la gravità mancante. Non è impossibile produrre nuove particelle in laboratorio, quindi ci sono buone possibilità di successo. L'energia oscura è più complessa, non ci sono teorie soddisfacenti sulla sua composizione e la ricerca è molto complessa per la difficoltà di misurare le variazioni nell'espansione dell'universo.

2. Cosa c'era prima del Big Bang?

Forse il Big Bang non è all'origine di tutto. Alcuni scienziati lo considerano un momento di transizione nel quale un universo precedente è collassato e riesploso in quello attuale.

La teoria del Big Bang descrive l'evoluzione dell'universo da quando era più piccolo di un singolo atomo. Ma questa teoria non ci dice nulla di come e perché l'universo abbia avuto origine, né sull'eventuale esistenza di qualcosa che può averlo preceduto. Può darsi che lo spazio e il tempo come li percepiamo oggi, si siano originati proprio con il Big Bang, ma non è impossibile che questi abbiano fatto da sfondo ad una struttura preesistente più generale.

"Niente viene dal nulla" dicevano gli antichi. Dal punto di vista della scienza è difficile comprendere un universo che spunta dal nulla. Per questo sempre più cosmologi considerano il Big Bang un evento causato da qualcosa di preesistente. L'elemento comune alle nuove teorie è l'esistenza di uno spazio vuoto eterno, descritto dalle leggi della meccanica quantistica. Se questo genere di spazio esistesse, potremmo avere delle teorie in grado di dirci cosa è accaduto prima del Big Bang. 

Una di queste teorie, nota come eterna inflazione, ipotizza che dal vuoto si originino di continuo nuovi universi in espansione; il nostro è semplicemente uno di questi universi e gli altri si trovano così distanti nello spazio e nel tempo che ci è preclusa ogni forma di comunicazione. Il vuoto si espande ad un ritmo così elevato che la separazione fra gli universi aumenta di continuo.

Altre teorie ipotizzano universi ciclici, che nascono e muoiono per poi rinascere di nuovo.Queste teorie spiegano in parte cosa è esistito prima del Big Bang, ma non risolvono il mistero fondamentale: perché c'è qualcosa invece del nulla?

Una risposta richiede che il nostro universo possa in qualche modo sentire la presenza degli altri. Il "luogo" migliore dove cercare le tracce è la radiazione cosmica di fondo, ma finora non abbiamo avuto risultati convincenti e probabilmente le cose rimarranno così per diverso tempo.

3. Cosa c'è fuori dall'universo?

Viviamo in un universo che ha 13,7 miliardi di anni. Dato che l'universo visibile è in espansione, in realtà è più grande di quanto si pensi a prima vista. Ad esempio, una galassia la cui luce ha viaggiato per 10 miliardi di anni, non è solo a 10 miliardi di anni luce da noi, ma più lontana, perché l'universo si è espanso mentra la luce viaggiava verso di noi. Tenendo conto di questo fenomeno, si stima che l'universo abbia una dimensione di circa 42 miliardi di anni luce. Questo prende il nome di universo, o volume, di Hubble.

Non è impossibile che al di fuori di quest'area ci sia dell'altro. La teoria del Big Bang consente la presenza di uno spazio infinito al di fuori del volume di Hubble, il cosiddetto multiverso di tipo 1, che in pratica consiste di aree differenti (l'età dell'universo pone un limite a quanto possiamo osservare da qualunque punto). Se questo è il caso, la risposta é: fuori dell'universo c'è semplicemente ancora universo.

In teoria potrebbe esistere anche un altro tipo di multiverso, detto di tipo 2. Anche in questo caso c'è un numero infinito di universi, che però non condividono lo spazio fra loro. Ogni universo è una bolla nel vuoto, che possiamo solo descrivere matematicamente. Le leggi fisiche nelle varie bolle, possono essere diverse; forse tutte le leggi possibili esistono contemporaneamente da qualche parte. Se questa ipotesi è corretta, fuori dal nostro universo c'è il vuoto e molte bolle lontanissime.

A proposito, la teoria di un universo infinito di tipo 1 ha un'importante conseguenza filosofica: se le leggi della natura sono le stesse ovunque, è tutto ripetuto un numero infinito di volte. Per ovvie ragioni è difficile osservare qualcosa fuori dall'universo visibile.

Ma potrebbe essere indirettamente possibile: nel 2008 si è scoperto che le galassie si muovono nell'universo come se risentissero della gravità di qualcosa molto lontano. Ulteriori osservazioni di questo cosiddetto flusso oscuro potrebbero portare nuove socperte.

4. C'è vita altrove nell'universo?

Se la vita è una conseguenza naturale delle leggi della natura, è strano che non abbiamo trovato alcun segno in altri luoghi. Gli scienziati si basano sulla vita sulla Terra per valutare la possibilità di vita in altri luoghi. La lunga storia del nostro pianeta fornisce 2 importanti indizi: la vita è iniziata non appena la Terra è divenuta abitabile.

Ma per molto tempo sulla Terra non c'è stato altro se non organismi unicellulari. Questo potrebbe significare che la vita si sviluppa in modo relativamente semplice, ma che il salto agli organismi multicellulari non è altrettanto semplice.

Perciò, forse dovremmo distinguere fra vita unicellulare e multicellulare. Sappiamo che alcuni microrganismi, detti estremofili, possono sopportare condizioni estreme. Molti estremofili terrestri potrebbero prosperare su Marte, nell'atmosfera di Venere, o sui satelliti di Giove. Gli organismi più complessi non vivrebbero così facilmente.

L'esperienza sulla Terra ci dice che animali e piante non sopportano le condizioni estreme come gli estremofili. Perciò se cerchiamo forme di vita evolute dobbiamo rivolgerci a pianeti simili alla Terra: questo significa che dobbiamo cercare fuori dal sistema solare fra i numerosi pianeti che esistono ovunque nella Via Lattea. Ciò è molto difficile con la teconologia attuale.

Possiamo continuare ad ascoltare eventuali messaggi degli alieni; lo facciamo da 50 soli anni, ma invanno. Benché 50 soli anni siamo un tempo brevissimo per questo genere di ricerche, c'è comunque un paradosso: se ci sono altre creature intelligenti, alcune civiltà potrebbero essere milioni di anni avanti a noi. 

Potrebbero aver avuto già molto tempo per esplorare la Via Lattea e, forse, anche per colonizzare ogni pianeta abitabile, e non dovrebbe essere impossibile trovarne traccia; ma tracce non ne abbiamo trovate, per questo alcuni scienziati ritengono che siamo davvero soli.

Per quanto riguarda il sistema solare, avremo presto una risposta sull'esistenza di altre forme di vita. Fuori dal nostro sistema solare ci sono difficoltà molto maggiori; forse la tecnologia futura ci permetterà di analizzare l'atmosfera e di trovare tracce di vita sugli altri pianeti. 

5. Quale sarà la fine di tutto?

Come muoiono tutti gli esseri viventi, così sembra naturale prevedere che anche l'universo abbia una fine. Le teorie attuali ci consentono di dire nulla sulla morte dell'universo?

I cosmologi hanno posto 2 punti fermi: l'universo è in espansione e le sue risorse energetiche sono limitate. Ciò significa che in un futuro remoto le stelle si spegneranno una dopo l'altra e, alla fine, rimarranno solo delle piccole nane rosse, che bruciano idrogeno ad un ritmo così lento che possono continuare a vivere per diverse migliaia di miliardi di anni.

In futuro la distanza fra le galassie aumenterà sempre di più e queste tenderanno a disgregarsi. Parte delle stelle saranno inghiottite dagli enormi buchi neri presenti al centro delle galassie, altre saranno scalgiate lontano, nel vuoto profondo, e, prima o poi, non ci saranno più stelle visibili nell'universo.

Alla fine rimarranno solo buchi neri e stelle spente in un universo totalmente buio. Per procedere oltre nel destino dell'universo abbiamo a disposizione diversi modelli cosmologici.

Si possono ipotizzare altri scenari. Forse l'energia oscura lacererà l'universo nel cosiddetto Big Rip (grande strappo), o magari l'universo rinascerà in seguito alla collisione con un altro universo. In passato gli scienziati hanno esplorato a fondo la possibilità di inversione dell'espansione dell'universo, in una contrazione totale chiamata tecnicamente Big Crunch, nella quale tutta la materia si riunisce nello stesso punto.

Dopo la scoperta dell'energia oscura, questa ipotesi è stata pressoché abbandonata. Siamo in grado di predire l'evoluzione dell'universo per migliaia di miliardi di anni, ma non conosciamo l'esito finale, perché non siamo in grado di provare definitivamente i diversi modelli cosmologici.