1. I modelli cosmologici
2. Limiti del modello
3. Caratteristiche matematiche del modello
4. L’orizzonte dell’universo osservabile

Il modello cosmologico del Big Bang descrive come l’universo si è espanso da uno stato iniziale di alta densità e temperatura. Ci sono vari modelli cosmologici del Big Bang che spiegano l’evoluzione dell’universo osservabile dai periodi più antichi fino alla sua forma a larga scala successiva. Questi modelli offrono una spiegazione ben fondata per una vasta gamma di fenomeni osservati, tra cui l’abbondanza degli elementi leggeri, la radiazione cosmica di fondo e la struttura a larga scala. Il cosiddetto problema della piattezza viene spiegato attraverso l’inflazione cosmica: una rapida espansione improvvisa dello spazio durante i primi momenti. Tuttavia, attualmente non esiste una teoria ampiamente accettata della gravità quantistica che possa modellare con successo le condizioni iniziali del Big Bang e il modo in cui da tali condizioni iniziali l’universo possa essersi evoluto fino alle successive condizioni che siamo in grado di descrivere usando la fisica attuale.

I modelli cosmologici

I modelli del Big Bang sono compatibili con la legge di Hubble-Lemaître, secondo la quale più lontana è una galassia, più velocemente si sta allontanando dalla Terra. L’espansione cosmica viene quindi proiettata all’indietro nel tempo utilizzando le leggi fisiche note e i modelli descrivono un universo che nel passato (inteso rispetto al cosiddetto tempo cosmologico) doveva essere sempre più denso e caldo. Nel 1964 è stata scoperta la radiazione cosmica di fondo, che ha convinto molti cosmologi che il modello concorrente di evoluzione cosmica di tipo stazionario non fosse più considerabile corretto, poiché i modelli di Big Bang prevedono proprio una simile radiazione di fondo uniforme causata dalle alte temperature e densità nel passato cosmologico. La misurazione dettagliata del tasso di espansione dell’universo colloca la cosiddetta singolarità del Big Bang (concetto tuttavia non ben definito da un punto di vista fisico) a circa 13,787±0,020 miliardi di anni fa, valore considerato come l’età dell’universo.

Limiti del modello

Esistono aspetti dell’universo osservato che non sono ancora adeguatamente spiegati dai modelli di Big Bang. Dopo la sua espansione iniziale, l’universo si è sufficientemente raffreddato da consentire la formazione di particelle subatomiche e successivamente di atomi. Le abbondanze disuguali di materia e antimateria che hanno consentito ciò sono un effetto non ancora ben spiegato, noto come asimmetria barionica. Gli elementi primordiali, principalmente idrogeno, con l’aggiunta di (molto meno) elio e litio, hanno interagito gravitazionalmente formando le prime stelle e le galassie, tuttavia gli effetti gravitazionali osservati sembrano dovuti a molta più materia rispetto alla semplice materia cosiddetta barionica, cioè appunto quella costituita da idrogeno, elio, litio e gli altri elementi conosciuti. In altre parole sembra esistere una materia oscura sconosciuta che circonda le galassie. Addirittura la maggior parte del potenziale gravitazionale presente nell’universo sembra essere dovuto a questo tipo di materia sconosciuta.

Caratteristiche matematiche del modello

I modelli di big bangi dipendono da due assunzioni principali: l’universalità delle leggi fisiche e il principio cosmologico. L’universalità delle leggi fisiche è uno dei principi fondamentali della teoria della relatività, mentre il principio cosmologico afferma che su larga scala l’universo è omogeneo e isotropo, cioè appare lo stesso in tutte le direzioni indipendentemente dalla posizione.

Queste idee sono state inizialmente assunte come postulati, ma successivamente sono state effettuate verifiche per testarle. Ad esempio, la prima assunzione è stata testata attraverso osservazioni che mostrano che la più grande possibile deviazione della cosiddetta costante di struttura fine per gran parte dell’età dell’universo è dell’ordine di 0,00001. Inoltre, la teoria della relatività generale stessa ha superato test rigorosi su scala del Sistema Solare e delle stelle binarie.

L’universo a larga scala appare effettivamente isotropo, entro certi limiti, se osservato dalla Terra. Se è effettivamente isotropo, il principio cosmologico può essere derivato dal principio copernicano più semplice, che afferma che non esiste un osservatore o punto di vista privilegiato.

L’espansione metrica dell’universo è stata dedotta dalle osservazioni astronomiche dei primi anni del XX secolo ed è un ingrediente essenziale dei modelli del Big Bang. Matematicamente, la relatività generale descrive lo spaziotempo tramite una metrica, che determina le distanze tra punti (spaziotemporali) vicini. I punti, che possono essere relativi a galassie, stelle o altri oggetti, sono specificati utilizzando un sistema di coordinate globale che si estende su tutto lo spaziotempo. Il principio cosmologico implica che la metrica dovrebbe essere omogenea e isotropa su larga scala, il che fa pensare alla correttezza della cosiddetta metrica di Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), che contiene un fattore di scala, che descrive come le dimensioni dell’universo cambiano nel tempo. Ciò consente di effettuare una scelta comoda di un sistema di coordinate, chiamato coordinate comoventi, in cui il sistema di riferimento si espande insieme all’universo e gli oggetti che si muovono solo a causa dell’espansione dell’universo rimangono fissi sulla griglia costituita da tale sistema di riferimento. In altre parole, con l’avanzare del tempo cosmologico la distanza fisica tra due punti comoventi si espande proporzionalmente al fattore di scala dell’universo.

Il Big Bang non è un’esplosione di materia che si espande per riempire un universo vuoto, ma lo spazio stesso si espande nel tempo ovunque e aumenta le distanze fisiche tra i punti comoving. In altre parole, il Big Bang non è un’esplosione nello spazio, ma piuttosto una espansione dello spazio. Poiché la metrica FLRW assume una distribuzione uniforme di massa ed energia, si applica solo al nostro universo su larga scala. Le concentrazioni locali di materia, come la nostra galassia, non si espandono necessariamente con la stessa velocità dell’intero universo.

L’orizzonte dell’universo osservabile

Una caratteristica importante dello spaziotempo del Big Bang è la presenza di orizzonti. Poiché l’universo ha un’età finita e la luce viaggia a una velocità finita, ci possono essere eventi nel passato il cui segnale luminoso non ha ancora avuto il tempo di raggiungerci. Ciò impone un limite, cioè implica l’esistenza di un orizzonte passato per gli oggetti più lontani di una certa distanza da noi. Poiché lo spazio si sta espandendo e gli oggetti più lontani si stanno allontanando sempre più velocemente, tale limite è dovuto proprio al fatto che la luce emessa oggi da noi potrebbe non “raggiungere” mai tali oggetti molto lontani e viceversa.