Sappiamo che l'universo ha avuto un inizio
un momento, 13,8 miliardi di anni fa quando venne alla luce,
creando l'immenso cosmo che vediamo oggi.
Ora che ne abbiamo scoperto l'origine,
siamo di fronte ad un'altra questione egualmente fondamentale.
Se l'universo ha un inizio, se è nato,
ciò significa che un giorno morirà
o continuerà ad esistere per sempre, in eterno?
Vedete, per noi esseri umani fin troppo mortali,
il destino ultimo dell'universo
è una domanda direttamente collegata alla nostra psiche.
Tentare di darvi risposta ha generato un'incredibile rivoluzione
nella nostra comprensione del cosmo.
Nonostante ciò, negli ultimi anni ci ha portato a scoprire un universo
molto più strano di quanto potessimo immaginare
e questo ci ha condotto a uno dei momenti più scioccanti della storia scientifica.
È una svolta recente in una storia che risale ad oltre 100 anni fa.
In quel periodo, esperimenti chiave e scoperte cruciali...
Ed ecco qui.
Ecco, esattamente dove lo predisse Hoyle.
...ci hanno portato più vicini di quanto potessimo pensare
alla conoscenza del destino ultimo dell'universo.
2. LA FINE
Le dimensioni totali dell'universo sono davvero sconvolgenti.
Come possiamo immaginare di predire il futuro di qualcosa di così vasto,
di così complesso
e più grande di noi?
Fin dal momento in cui abbiamo iniziato a riflettere su questa domanda,
la risposta si è basata su una sola semplice idea.
Se possiamo registrare, osservare e comprendere come l'universo è cambiato,
come si è evoluto fino ad oggi partendo dalle sue antiche origini,
allora dovremmo essere capaci di dedurre
e predire come si evolverà nel futuro.
Purtroppo, l'unica pecca di questo piano
è il fatto che l'universo opera su una scala
di milioni e miliardi di anni.
Noi no.
Per comprendere come funziona l'universo
è necessario vedere oltre il nostro limitato periodo di esistenza umana.
E in tal caso, abbiamo scoperto che
potevamo usare le enormi dimensioni dell'universo a nostro favore.
L'universo è talmente vasto
che la luce proveniente da alcuni corpi che vediamo nel cielo notturno
ha impiegato milioni, anzi miliardi di anni per giungere sulla Terra.
Quando guardiamo verso l'alto, stiamo guardando
la testimonianza passata dell'intima storia dell'universo.
Il problema è che abbiamo solo un'immagine istantanea,
un'immagine singola, complessa e confusa di tale storia.
È come prendere tutte le parole di un romanzo,
mescolarle, e metterle tutte in un'unica pagina.
La chiave è tentare di sbrogliare la storia,
di imparare a leggerla, a riconoscerla e a comprendere cosa sta succedendo.
Gli astronomi si accorsero che le stelle potevano aiutarci a comprendere.
Se gli scienziati fossero riusciti a capire come cambiano le stelle
come si evolvono nel tempo,
avrebbero iniziato a capire la storia ben più complessa
di come cambia l'universo,
i primi indizi di ciò che ci riserva il futuro.
Ma si dovrà aspettare fino alla metà del XX secolo per ottenere una risposta.
Per rivelare i segreti delle stelle
si dovrà attendere un lampo di genio da parte di quest'uomo, Fred Hoyle.
Hoyle era un brillante matematico e fisico,
uno dei più grandi del suo tempo.
Era creativo, si faceva venire in mente teorie audaci.
Ma soprattutto, amava i problemi,
le questioni spinose che gli avrebbero permesso di lasciare un segno.
E, alla fine degli anni '40, si pose una delle questioni più grandi.
Hoyle voleva sapere da dove venivano gli elementi.
L'universo primitivo era principalmente un mare di idrogeno ed elio,
gli elementi più semplici e leggeri.
Ma sappiamo che questo cambiò.
Guardiamoci intorno, il mondo in cui viviamo non è affatto semplice.
Siamo circondati da complessità
creata da complessi elementi pesanti come l'ossigeno che si respira
e il ferro nel nostro sangue,
e, certamente, il carbonio, negli alberi e in ogni cellula del nostro corpo.
Nessuno sapeva come colmare questo divario,
ossia come l'universo fosse passato da un inizio tanto semplice
a tutto questo.
Questo fu il problema affrontato da Hoyle.
Hoyle sapeva che la risposta era nella fusione nucleare.
Nella fusione nucleare,
gli elementi più leggeri sono fusi insieme per ottenerne di più complessi.
Si sapeva già che questo avveniva nel nucleo delle stelle,
dove l'idrogeno si fonde insieme per formare il più complesso elio.
Hoyle si chiedeva come procedere,
come i nuclei di elio avrebbero potuto fondersi per creare elementi più pesanti.
È un'idea straordinariamente semplice.
Ecco qui il nostro nucleo di elio.
Se si potessero unire insieme due nuclei di elio,
si genererebbe il berillio,
un nucleo più pesante e complesso.
Poi, aggiungendo un terzo nucleo di elio, si ottiene il carbonio.
E così si possono continuare a costruire elementi sempre più pesanti.
Sembra la soluzione perfetta,
ma c'erano buone ragioni se la formazione del carbonio,
e dunque di tutti gli altri elementi, era ancora tanto misteriosa.
Il problema era che la fisica di questo processo non dava risultati.
I calcoli dimostravano che tre nuclei di elio non potevano stare insieme.
Il nucleo di carbonio che formavano era instabile e si disfaceva.
Se già non resisteva al carbonio,
non c'erano speranze di creare altri elementi più pesanti.
Era come come scontrarsi ogni volta contro un muro.
In maniera tipicamente ardita e ostinata,
Hoyle aggirò il problema predicendo uno stato di carbonio completamente nuovo.
Hoyle si fece guidare dall'intuizione.
Decise che se tre nuclei di elio si legavano all'interno di una stella,
potevano formare carbonio con un po' più di energia rispetto al normale.
In questo particolare stato,
l'elemento riusciva a rimanere intatto quanto bastava per divenire stabile.
In questo modo, le stelle potevano creare carbonio e il muro veniva superato.
Se fosse stato vero, Hoyle avrebbe risolto il mistero.
Gli elementi venivano creati nel nucleo delle stelle.
Ma la posta in gioco era più alta.
Hoyle capì che la sua teoria avrebbe potuto svelare la vita delle stelle.
E, dato che l'universo che vediamo è composto di stelle,
sarebbe potuto diventare uno strumento importante per predire il futuro.
Questo lo metto qui...
Gli astronomi stavano già raggruppando le stelle
a seconda della dimensione, del colore, della luminosità,
inserendole in un grafico
conosciuto come il diagramma Hertzsprung-Russel.
Ecco qui il diagramma che hanno creato.
Qui abbiamo la dimensione e la luminosità,
le stelle molto ampie e molto luminose fino a quelle più esigue e con luce fioca.
E in questo lato ci sono il colore e la temperatura,
da stelle blu molto calde a stelle rosse più fredde.
Le stelle di dimensione regolare
rientravano nella lunga diagonale al centro del diagramma
con un gruppo di stelle giganti e luminose sopra, e piccole stelle nane sotto.
Gli astronomi riuscivano a vedere lo schema,
ma non erano capaci di comprenderne il significato
fino a che Hoyle, con la sua teoria,
non presentò un modo radicalmente nuovo di osservare il diagramma,
in modo che esso rivelasse il ciclo vitale di una stella.
Prendiamo come esempio il nostro Sole.
Ora, in questo momento, è posizionato al centro del diagramma
e brucia felicemente l'idrogeno trasformandolo in elio.
Ma se Hoyle aveva ragione, quando esaurirà il suo idrogeno,
inizierà a fondere l'elio per creare elementi più pesanti.
Ora, a questo punto, avrà luogo una trasformazione importante:
invece di muoversi verso il basso del diagramma in questa direzione,
si espanderà fino a raggiungere più volte la propria dimensione,
arrivando fino a qui per vivere fra i giganti rossi.
In questa fase, inizierà a bruciare l'elio per creare elementi più pesanti
fino a che non inizierà finalmente a produrre carbonio.
Ora, a questo punto, quando esaurirà il suo combustibile nucleare,
subirà la trasformazione finale.
Cambierà la maggior parte dei suoi strati esterni
e si lascerà dietro un briciolo di cenere bianca che vivrà qui fra le nane bianche.
Tutte le stelle seguono il proprio percorso all'interno del diagramma.
La teoria di Hoyle fornì uno strumento per registrare l'evoluzione stellare,
scatenata dall'improvvisa accensione di una nuova fase di formazione di elementi.
Quella era la risposta al mistero dietro gli elementi pesanti,
il fattore chiave per comprendere il ciclo vitale delle stelle,
e una finestra da cui avvistare il futuro dell'universo,
tutto grazie al nuovo stato del carbonio intuito da Hoyle.
C'era solo un piccolo problema.
Nessuno aveva mai visto o rilevato la forma particolare di carbonio di Hoyle,
nemmeno negli spettri rivelatori delle stelle o in alcun luogo terrestre
e neppure in un esperimento di laboratorio.
Fino a prova contraria, non esisteva,
e senza questa forma speciale di carbonio, l'intera teoria non sarebbe stata valida.
Ciò che avvenne in seguito è testimonianza della genialità di Hoyle
e della certezza quasi ostinata nelle proprie idee.
Negli anni '50,
Hoyle si recò all'Istituto di Tecnologia della California, Caltech,
dove vi era uno dei pochi acceleratori di particelle
esistenti in quel tempo, simile a questo.
Lui voleva usare l'acceleratore per creare il carbonio ad alta energia.
ACCEL. CICLOTRONE MC40
Loro non ne erano così entusiasti.
Un britannico sconosciuto tentava di prendere il controllo della nuova macchina
per cercare qualcosa che si era di fatto inventato.
Come Hoyle, anch'io sono un teorico.
La fisica sperimentale è un mondo molto diverso
ed è un'area di competenza diversa.
Ma Hoyle ebbe la sicurezza e il coraggio
di entrare nel laboratorio e, come disse il direttore della struttura,
senza chiedere il permesso, pretendere
che interrompessero le ricerche in corso
per condurre un esperimento complicato
alla ricerca di qualcosa che nessuno credeva esistesse.
Sono sicuro che io non avrei avuto il fegato di farlo.
Hoyle continuò,
argomentando che sarebbe stata una scoperta cruciale e celeberrima.
Alla fine, si arresero. E la ricerca ebbe inizio.
Oggi ricreo lo stesso esperimento.
Il piano era di bombardare un elemento bersaglio con un fascio di particelle
per vedere se potessero creare quello stato di carbonio.
Bene, ho qui con me i miei colleghi
Tzany e Robin, che mi aiuteranno.
Il nostro bersaglio sarà tenuto nel centro di questa camera di reazione.
Quello che loro cercavano era un segnale specifico
che comparisse nel rivelatore.
Se quello stato di carbonio esisteva,
Hoyle prevedeva che sarebbe comparso come un picco nell'energia
a 7,7 milioni di elettronvolt,
l'impronta digitale di questo speciale stato di carbonio.
Cercheremo lo stesso picco di energia.
È il momento di chiudere la camera,
chiudere le porte di radiazione,
e osservare con i nostri occhi cosa avvenne allora.
Ecco, questo è il pannello di controllo, e mi hanno lasciato entrare, un teorico,
per avviare il processo.
Dunque la prima cosa da fare è accendere il raggio...
Poi bisogna puntarlo verso il bersaglio.
Le particelle caricate si stanno scontrando contro il bersaglio.
Negli anni '50, questo fu il momento della verità per Hoyle.
I dati inizieranno ad arrivare a breve
e lo schermo principale da osservare sarà questo.
Ora, se Hoyle aveva ragione,
vedrebbero lo stato eccitato del carbonio su questa energia, proprio qui.
7,7 ENERGIA MILIONI eV
Si aspetterebbero di vedere un picco di energia a questo punto.
Ed eccolo qui.
Esattamente dove Hoyle lo predisse.
Quando questo esperimento fu condotto, circa 60 anni fa,
furono esterrefatti nel vedere che Hoyle aveva ragione.
È alquanto incredibile pensare che lavorò su un'intuizione teorica,
convinse i suoi colleghi a condurre l'esperimento ed ebbe ragione.
Ebbe anche ragione sulla fama.
Il direttore del laboratorio
ricevette il Premio Nobel per la scoperta.
Hoyle, invece, non ricevette niente.
FISICA MODERNA
Pubblicarono le loro scoperte in una delle riviste
di scienza più famose e riconosciute.
Sulla copertina di prima pagina,
gli autori misero una citazione acuta dell'opera di Shakespeare, Re Lear.
"Sono le stelle, le stelle sopra di noi governano le nostre condizioni."
Era la conferma di questo stato eccitato di carbonio
che dimostrava che all'interno delle stelle
venivano forgiati tutti gli elementi che formano il mondo intorno a noi,
proprio tutti, noi inclusi.
E con questa scoperta,
abbiamo ottenuto una reale prospettiva sul ciclo di vita delle stesse.
Potremmo iniziare a comprendere come l'universo è cambiato nel tempo,
sia adesso che nel futuro.
Questa fu la base da cui estrapolare il futuro,
e creò una chiara previsione della fine dell'universo.
Erano l'idrogeno e l'elio a formare le stelle all'inizio,
ed erano questi due elementi che venivano consumati dalle stelle nel tempo,
creando tutti gli altri elementi più pesanti nel processo.
La conclusione logica era allarmante.
Dopo un periodo di tempo incredibilmente lungo,
le stelle useranno tutto l'idrogeno e l'elio esistente.
Nessuna stella potrà generarsi,
e le stelle esistenti un giorno esauriranno il combustibile e moriranno.
L'universo diverrà oscuro.
Per tutto quello che è importante per tutti noi,
la luce e la vita creata dalle stelle,
l'universo arriverà un giorno alla fine.
Ma fu avanzata anche un'altra opzione, una che promise un destino diverso
e che si sarebbe avverata prima che le stelle avessero esaurito il combustibile.
Un destino che implicava una forza fondamentale dell'universo,
la gravità.
Il fatto che la gravità possa definire il destino ultimo dell'universo
fu dapprima intuito da uno degli eroi non riconosciuti dalla scienza.
Vesto Slipher.
Poco conosciuti, i suoi pionieristici calcoli esperti
avrebbero trasformato la nostra comprensione dell'universo.
All'inizio del '900, l'astronomia entrava nella sua età d'oro
con i telescopi più potenti provati nel cielo.
Uno degli obiettivi più grandi del tempo furono le nebulose.
Le nebulose erano chiazze e vortici di luce visibili fra le stelle
e non si sapeva molto di questi misteriosi corpi.
Così, gli astronomi lottavano per scoprire più informazioni possibili al riguardo.
Slipher era interessato ad un aspetto particolare delle nebulose,
il loro movimento.
E per indagare questo aspetto, scelse la più famosa di tutte, Andromeda.
OSSERVATORIO UCL: LONDRA
Slipher voleva essere il primo a misurare la velocità di movimento di una nebulosa.
Il problema era che il telescopio che possedeva non era dei migliori,
per niente.
Ma Slipher aveva un grande vantaggio sui suoi avversari.
Era un astronomo eccezionale.
Questo telescopio ha le stesse identiche dimensioni di quello di Slipher.
Ha uno specchio di 60 centimetri,
ma Slipher sarebbe stato molto felice di mettere le mani su un telescopio così.
Sì, perché lui aveva bisogno di ottenere uno spettro.
Ora, questo implica dividere la luce delle nebulose
in diverse lunghezze d'onda,
nei diversi colori di cui è fatta.
Lui avrà usato qualcosa di simile a questo, è un reticolo di diffrazione,
ed io vedo che riflette questa luce
e che fornisce tutti i vari colori dell'arcobaleno.
La preoccupazione di Slipher era ottenere la maggior luce possibile
per avere uno spettro utilizzabile,
visto che le nebulose sono straordinariamente indistinguibili.
Temeva che ottenere abbastanza luce dal suo telescopio
sarebbe risultato impossibile.
Avrà anche avuto la stessa dimensione,
ma questo telescopio moderno può catturare lo spettro di Andromeda
in pochi minuti.
Con il suo telescopio
Slipher impiegava 14 ore per produrre uno spettro,
due giorni di sforzi estenuanti,
sette ore ogni notte impiegate ad aggiustare costantemente il telescopio
per tenerlo fisso su Andromeda.
Slipher voleva conoscere i movimenti di Andromeda
e per farlo non aveva bisogno soltanto dello spettro di luce su Andromeda,
ma anche di linee di assorbimento.
Queste linee sono aperture modeste nello spettro, come questa.
Le linee di assorbimento devono sempre essere nella stessa posizione
se la fonte non si muove.
Se vanno verso destra, indicando l'estremo rosso dello spettro,
ciò significa che la fonte si sta allontanando da noi.
Se vanno verso sinistra, indicando l'estremo blu dello spettro,
ciò significa che la fonte si muove verso di noi, uno spostamento blu.
Dopo due giorni di osservazione,
Slipher era pronto a sviluppare la sua fotografia,
ma non ottenne un'immagine bella e pulita come questa,
ottenne questa.
Questa è addirittura ingrandita.
In realtà, ciò che ottenne fu un'immagine molto più piccola di questa
e nemmeno queste linee, in alto e in basso.
In realtà, ciò che ottenne fu questa sorta di sbaffo nel centro.
Quello era lo spettro da Andromeda.
Si potrebbe pensare che avesse fallito
e che quest'immagine non fosse niente di significativo.
In realtà, non solo fu capace di ottenere un calcolo significativo,
riuscì anche a comprendere che Andromeda mostrava uno spostamento blu molto chiaro,
e cioè che si stava muovendo verso di noi.
Comprese addirittura che si stava muovendo verso di noi
ad una velocità di 300 km al secondo,
e questo corrisponde alle stime moderne.
Slipher ce l'aveva fatta,
la primissima misura della velocità di una nebulosa,
la sua abilità e tenacia avevano superato i limiti del suo telescopio.
Quando Slipher presentò le sue scoperte ad un convegno di astronomia nel 1914,
ricevette una standing ovation.
È spesso facile dimenticarsi dell'importanza di persone come Slipher,
del fatto che alcune svolte fondamentali nella scienza
non siano solo grandi idee o teorie meravigliose.
Ma che dipendono da persone
straordinariamente capaci di osservare e misurare il mondo naturale.
Oggi sappiamo che la nebulosa Andromeda è in realtà una galassia
come la nostra, la Via Lattea.
Ed è il movimento di Andromeda
che rivela come la gravità può avere un impatto sul destino dell'universo.
Dal momento in cui è stato generato con il Big Bang, l'universo si è espanso.
Dunque la maggior parte delle galassie si stanno distaccando l'una dall'altra.
Quando si formarono all'inizio,
sarebbe successa la stessa cosa per Andromeda e la Via Lattea
se la gravità non avesse iniziato a funzionare e a sopraffare l'espansione.
È la gravità che trascina Andromeda e la nostra galassia della Via Lattea
insieme inesorabilmente.
La domanda è
se può mettere in atto questa strategia nel nostro piccolo angolo del cosmo,
è possibile che lo faccia anche sull'intero spazio dell'universo?
Se la gravità può sopraffare l'espansione, allora ben prima che le stelle si spengano
il nostro vasto universo giungerebbe inevitabilmente a collassare su se stesso.
L'universo sarebbe finito con una grande compressione, detta Big Crunch.
Se la gravità venisse meno, l'universo continuerebbe semplicemente ad espandersi
ben oltre il momento della morte dell'ultima stella.
Tutto dipende da un fattore
predetto dalla teoria generale della relatività di Einstein.
Usando la relatività generale fu rivelato
che si prospettavano due futuri molto diversi per l'universo.
Inoltre, si riuscì a calcolare un numero preciso
che segnava il confine fra questi due scenari differenti.
Il nome definitivo fu quello di "densità critica".
La densità critica era in realtà una soglia,
basata sulla quantità di materia ed energia,
e di cose presenti nell'intero universo.
Se il totale andava oltre la densità critica,
allora la gravità avrebbe trascinato l'intero universo unendolo nuovamente,
generando il Big Crunch.
Se il totale era al di sotto della densità critica,
allora l'espansione dell'universo sarebbe continuata per sempre.
Il destino dell'intero universo si ridusse ad una semplice domanda.
In quale universo viviamo,
uno che va oltre la densità critica o uno che ne è al di sotto?
Un modo per poter dare una risposta era osservando l'espansione dell'universo.
Se l'universo era oltre la densità critica
se si dirigeva verso il collasso,
allora il tasso di espansione doveva già essere più lento.
Quindi, gli astronomi iniziarono a cercare
il modo di misurare come l'espansione dell'universo stava cambiando.
Erano ottimisti,
fino a che una giovanissima dottoranda chiamata Beatrice Tinsley
notò un errore fatale nel piano.
Tinsley, conosciuta come Little Beetle in famiglia e fra gli amici,
era una musicista estremamente dotata. Avrebbe potuto diventare professionista.
Ma invece decise di concentrarsi sull'altra sua grande passione,
l'astrofisica.
Ed anche in questo ambito eccelse.
Ma per una donna, una carriera accademica negli anni '60 non era affatto facile,
e la sua facoltà, nell'Università del Texas,
sembrava determinata ad ignorare questa brillante scienziata.
Nonostante ciò, completò il suo dottorato
in meno della metà del tempo impiegato normalmente.
E quel dottorato ebbe alcuni effetti sulla misura del tasso di espansione.
Il piano era misurare come le galassie si stavano muovendo
a diverse distanze dalla Terra,
e dunque, in periodi diversi del passato.
Il cambiamento del loro movimento
avrebbe rivelato come stava cambiando l'espansione dell'universo.
Misurare il movimento era un procedimento relativamente lineare.
Era la misura della distanza che creava problemi.
Nel mondo di ogni giorno, siamo circondati da indizi visivi
che ci danno un buon senso della misura e quindi della distanza.
Ma riportare questo all'immensità dell'universo è molto più difficile.
Gli astronomi si rivolsero così verso qualcosa di inusuale, la luce stessa.
La luce non è forse un metodo di misurazione ovvio,
ma in questo caso sembrò ideale.
E questo ha a che fare con un principio molto semplice.
Il livello di luminosità percepito da una luce, dipende dalla mia vicinanza ad essa.
Quindi, se sono molto vicino,
i miei occhi saranno colpiti da molta luce e sembrerà tutto luminoso.
Ma allontanandomi,
la luce ha più opportunità di diffondersi
e ne entrerà meno nei miei occhi, quindi apparirà più tenue.
Questo cambiamento del livello di luminosità è cruciale
e segue una relazione matematica molto precisa.
Io posso quindi usare questa relazione per calcolare la distanza.
Se misuro la differenza fra la luminosità di una luce vicina a me...
Duecentoventi.
...e di una più lontana...
Circa 1,5.
Non so se riuscite a vedere, è piuttosto buio qui.
...posso calcolare quanto è lontana la luce.
E dunque adesso devo dividere questi due numeri,
e fa, beh, circa 150.
Adesso devo calcolare la radice quadrata.
La radice quadrata di 150,
bene, è circa 12. Poco più di 12.
Circa 12,2 metri.
Esatto.
Adesso controlliamo il meccanismo.
È questo il principio usato dagli astronomi
per misurare la distanza con le galassie.
Dunque il mio risultato è 11,5 metri.
È leggermente inferiore a 12 metri dal mio calcolo, ma è abbastanza vicino.
Sono piuttosto soddisfatto.
Ma questa tecnica funziona solo se sai quanto è luminoso un corpo distante,
allora puoi misurare quanto questa luminosità cambia,
e fu questo che sarebbe diventato il tallone d'Achille degli astronomi.
Essi misuravano le galassie a distanze diverse,
ovvero in diversi momenti di tempo nella vita dell'universo.
Questo significa che le galassie hanno età diverse
di milioni o miliardi di anni.
Vedete, affinché la misurazione della distanza funzioni,
dovevano immaginare che tutte queste galassie di diverse età
avessero lo stesso livello di luminosità.
In altre parole, che la luminosità della galassia non cambiasse nel tempo.
Ma per Beatrice Tinsley,
c'era un difetto fatale nel cuore di questa ipotesi.
Tinsley era affascinata dal ciclo di vita delle stelle,
di come esse cambiavano durante la loro vita.
Il suo dottorato aveva come oggetto l'effetto che questo avrebbe avuto
sulla luminosità delle galassie.
Per Tinsley, era chiaro che se le stelle avevano un ciclo di vita
durante il quale la loro apparenza, e, quindi, la loro luminosità cambiava,
allora poiché le galassie sono fondamentalmente composte da stelle,
questo avrebbe cambiato la loro luminosità nel tempo.
Le scoperte di Tinsley generarono un'ondata di shock nel settore.
"Un tangibile senso di panico,"
come lo descrisse un astronomo del tempo
e furono immediatamente messe alla prova.
Vedete, un'ingente quantità di tempo, sforzi e denaro
erano stati investiti in queste misurazioni di espansione,
e nonostante ciò, era apparsa una sconosciuta giovane dottoranda,
per di più una donna, che poneva tutto in dubbio.
Eppure, non c'erano dubbi sul funzionamento della teoria di Tinsley,
così dopo quattro anni, venne finalmente accettata.
Con questa scoperta, si ricominciò tutto daccapo.
Ci voleva un modo per misurare quanto l'universo era vicino alla densità critica
per vedere se sarebbe collassato oppure se avrebbe continuato l'espansione.
C'era un'altra opzione, un approccio più diretto.
Un modo evidente per vedere quanto l'universo era vicino alla densità critica
era semplicemente contare il numero di corpi presenti.
È un'idea semplice, ma piuttosto difficile da applicare.
Dopo tutto, in qualcosa di tanto vasto quanto l'universo,
come si poteva contare ogni galassia, ogni stella, ogni tratto di gas interstellare?
È quasi impossibile.
Così gli astronomi decisero di considerare solo una fetta dell'universo.
Fecero un conteggio medio su una piccola parte,
e lo moltiplicarono.
Ciò fu possibile
grazie ad una caratteristica unica dell'universo.
Da quello che possiamo comprendere, l'universo, su grande scala,
è lo stesso indipendentemente dalla direzione in cui lo guardiamo.
Quindi, un astronomo seduto qui sulla Terra che guarda nello spazio,
avrà praticamente la stessa visione
di un astronomo alieno di un pianeta lontano migliaia di anni luce,
che guarda da una direzione completamente diversa.
Ed è per questo che misurare quanti corpi ci sono in una piccola parte dell'universo
ci fornisce una misura piuttosto accurata del totale.
Presero le medie
e calcolarono una quantità totale di massa ed energia nell'universo.
I risultati sorpresero tutti.
Tutti insinuavano che l'universo fosse ben inferiore alla densità critica.
In realtà, la stima migliore indicò che l'universo aveva una massa così piccola
che la sua densità era un'esigua frazione del valore critico.
Dunque, se questo era esatto,
allora non esisteva affatto la possibilità che l'universo stesse collassando.
Ma c'era un problema con questa prima stima
riguardo la vicinanza dell'universo alla densità critica.
I risultati furono così bassi che non avevano senso.
Posso avere un flat white per favore?
Il nostro universo è chiaramente fatto di materia, massa ed energia.
Queste componenti dominano il nostro mondo. Esse sono il nostro mondo.
Queste scoperte hanno dipinto un'immagine dell'universo
così aliena rispetto alla nostra esperienza quotidiana,
che è forse comprensibile
capire perché fu un concetto tanto difficile da accettare.
Inoltre, le stime sembravano essere in conflitto con l'universo stesso.
La scala della discrepanza fu rivelata
quando l'universo venne disegnato sulla mappa su una scala inedita
da Margaret Geller dell'Università di Harvard.
Geller e il suo team presero dapprima una fetta di universo
lunga 500 milioni di anni luce e larga 300 milioni di anni luce,
che era comunque solo una piccola parte dell'universo visibile.
Osservarono più galassie possibili
e le disegnarono in base alla distanza.
Quindi, ciascuno di questi puntini è una galassia individuale.
Ce ne sono oltre mille.
Ciò che stupì tutti, fu la forma che videro,
come bolle o una struttura simile ad un nido d'api.
Vedete, tutti pensavano
che le galassie venissero sparpagliate casualmente nell'universo.
Qui per la prima volta si dimostrò
che non era affatto casuale, al contrario l'universo aveva davvero una struttura.
E al centro di questa struttura appena scoperta
c'era la forza di gravità.
Quasi fin dall'inizio dell'universo,
la gravità ha attratto la materia
creando dapprima nuvole di gas,
che poi si sono raggruppate insieme per formare galassie.
Queste galassie si sono unite per formare ammassi di galassie,
e da ammassi sono poi diventate superammassi.
Sembra un'opera d'arte.
Questi superammassi di galassie sono tutti uniti
da filamenti di polvere e gas,
tutti controllati da una stessa irresistibile forza.
Il mio universo è appena collassato.
Qui possiamo vedere chiaramente che la gravità agisce come architetto
plasmando ed influenzando la struttura dell'intero universo
su una scala cosmica.
Posso fare di meglio.
Il problema era che le stime della materia nell'universo erano talmente piccole...
E poi si apre.
...e collocavano l'universo talmente al di sotto della densità critica,
che delle strutture così grandi non potevano formarsi.
Non mi piace.
Se consideriamo i numeri, l'universo come lo conosciamo oggi non poteva esistere.
Questo è un universo tremendo.
Doveva esserci qualcosa che mancava nei calcoli,
ma cos'era,
e cosa avrebbe significato per la densità critica
e per il destino dell'universo?
Uno degli scienziati più esuberanti e controversi del XX secolo
trovò il primo indizio.
Fritz Zwicky.
Zwicky era uno scienziato eccentrico, intrattabile, ma brillante,
occasionalmente conosciuto per riferirsi ai suoi colleghi
come "bastardi sferici",
ovvero bastardi da qualsiasi direzione possibile.
Ma anche quelli che non lo amavano
ammettevano che era capace di eseguire un lavoro brillante.
Anche Zwicky guardava gli ammassi delle galassie
e fu proprio questo a fargli scoprire qualcosa di straordinario.
Quest'immagine è solo un ammasso di galassie.
Si chiama Abell 1689.
Ciascuno di questi puntini gialli forma parte dell'ammasso.
È incredibile pensare
che ciascuno di essi è una galassia a sé.
Dà forse una prima impressione della misura vera e propria di queste cose.
Zwicky era affascinato da cosa teneva insieme gli ammassi.
La risposta, evidentemente, doveva essere la gravità.
Immaginiamo che questi marmi siano tutte singole galassie
che si muovono in orbite caotiche attorno al centro dell'ammasso.
Ma nessuno di essi si muove abbastanza velocemente
per riuscire a liberarsi e fuggire dall'ammasso.
Per questo motivo, Zwicky sfruttò la velocità a cui viaggiavano
per misurare la forza della gravità che li teneva insieme.
E la forza della gravità avrebbe inoltre rivelato quanta materia,
quanti corpi erano presenti all'interno dell'ammasso.
Qui le cose divennero un po' strane:
le galassie si muovevano a velocità tremende.
La forza della gravità necessaria
per mantenere le galassie all'interno dell'ammasso
richiedeva una massa ben maggiore rispetto a quella visibile.
E la differenza non era esigua.
La massa necessaria era approssimativamente 100 volte di più
di quanto si poteva vedere.
Zwicky nominò questa misteriosa massa Dunkle Materie, ovvero "materia oscura".
Questa era un importante fattore per scoprire la massa mancante dell'universo.
Ma per sapere se ciò poneva l'universo sopra o sotto la densità critica,
c'era prima un altro grande problema da risolvere.
Come studiare qualcosa quando non c'è modo di rilevarla.
OSSERVATORIO JODRELL BANK: MACCLESFIELD
La risposta sarebbe arrivata grazie ad una scoperta fatta qui,
nell'osservatorio Jodrell Bank.
Questo piatto gigante è il radiotelescopio Bernard Lovell
e nel 1973, con esso si osservò qualcosa di mai visto prima.
A quel tempo, si stava conducendo un sondaggio su alcuni oggetti molto distanti
e luminosi, i quasar.
Durante il sondaggio scoprirono qualcosa di molto insolito.
Sono venuto qui oggi per guardare di nuovo quello che videro a quel tempo,
questa volta usando non solo i telescopi del Jodrell,
ma anche quelli di tutto il paese.
Ecco, ci siamo, la camera di controllo di Jodrell Bank.
una vista magnifica del Telescopio Lovell.
Adesso, su questi schermi
vediamo dati in tempo reale che arrivano da vari telescopi.
Uno di essi, Mark 2, è un radiotelescopio di Jodrell Bank,
ma gli altri sono sparsi nel paese,
DARNHALL - CAMBRIDGE
tutti collegati insieme da fibre ottiche che portano a questo computer centrale.
La questione è, più a lungo si osserva un oggetto,
migliore è la qualità ottenuta,
e dopo 50 ore di osservazione, ecco cosa videro.
Questa è la stessa immagine come la videro 40 anni fa,
che mostra due puntini luminosi, due quasar.
Quella non era la prima volta che si vedevano i quasar,
ma certamente la prima volta che venivano individuati così vicini l'uno all'altro,
come se fossero una coppia.
Una coppia era qualcosa di nuovo.
Iniziarono così a documentarsi il più possibile,
ne misurarono gli spettri,
l'impronta digitale unica contenuta nella luce.
Questi sono gli spettri dei due quasar.
Ora, già da un primo sguardo, si nota che sono simili.
In realtà sono molto di più che semplicemente simili.
Quando li misurarono per la prima volta, videro che entrambi diventavano rossi
con lunghezze d'onda maggiori nella stessa misura.
E guardate i picchi di emissione qui.
Entrambi rientrano nella stessa lunghezza d'onda.
In realtà gli spettri erano così simili che pensavano di essersi sbagliati,
che avessero osservato lo stesso oggetto due volte..
Ma non era così.
E questo aprì un'unica possibilità.
Quelli che credevano essere due quasar separati
erano in realtà un singolo quasar
che era in qualche modo stato diviso in due immagini,
un caso di visione doppia astronomica.
C'era una teoria che poteva spiegarlo,
uno strano effetto predetto da Albert Einstein,
le lenti gravitazionali.
Guardando attraverso queste lenti,
si vede qualsiasi cosa deformata in modo strano.
L'effetto bizzarro
è causato dalla luce che passa attraverso un diverso spessore di vetro,
si piega, dando origine ad un'immagine deformata.
Einstein diceva inoltre che la stessa materia deformava lo spazio,
cambiando la struttura stessa, il tessuto dell'universo.
E così, quando la luce passa attraverso le regioni dello spazio
con alte concentrazioni di materia,
si piega, proprio come fa quando attraversa il vetro di queste lenti
dando origine a inganni visivi del genere.
Quanta luce viene piegata
dipende da quanto spazio viene deformato
e questo dipende da quanta massa c'è.
Fra il quasar e i telescopi, doveva esserci un'enorme quantità di massa,
che piegava così tanto la luce da dividere le immagini
facendo sembrare un quasar come due.
Ecco il nostro colpevole, o almeno in parte.
La macchia qui è solo una galassia all'interno di un ammasso di galassie
che sta fra noi e il quasar distante.
Quindi non è solo un po' di massa,
ma centinaia di galassie insieme a miliardi di stelle.
Combinate, piegano la luce del quasar
provocando una doppia immagine.
E la doppia immagine era cruciale per lo studio della materia nera.
Anche con tutta la massa e la materia contenuta nell'ammasso di galassia,
non ce n'era abbastanza per piegare la luce così tanto.
Per questo, si ha bisogno della materia scura misteriosa e invisibile di Zwicky,
e analizzando attentamente quanta luce veniva distorta
si sarebbe potuto rivelare dove si trovava la materia scura.
Questo è quello che si ottiene, una mappa.
Nel centro si ha la materia normale dell'ammasso di galassia stesso,
ma intorno, allargandosi oltre la sua massa,
qui, colorata di rosso, si trovala materia oscura.
Guardate quanto si estende.
Sovrasta completamente la materia normale dell'ammasso.
La materia misteriosa e invisibile di Zwicky era data da un'illusione ottica.
Non rivelava cosa era la materia scura,
ma disegnandola così, come Jodrell fa tutt'oggi,
fornisce una buona idea di quanta ce n'è.
E sembra essere molto superiore alla materia normale.
Ma questa era abbastanza per portare l'universo oltre la densità critica?
Anche se sembrava esserci più materia scura che materia normale,
lasciava comunque l'universo al di sotto della densità critica.
Ma la storia era soltanto all'inizio.
La scoperta della materia scura
aveva colto di sorpresa la comunità scientifica.
Tentare di comprendere la vicinanza dell'universo alla densità critica
originava più misteri che risposte.
OSSERVATORIO ASTR.: LA PALMA
Una nuova scoperta scioccante
che inizialmente promise di rivelare finalmente il destino dell'universo
al contrario, provocò una crisi fra gli scienziati.
Negli anni '90, questi telescopi erano parte di un progetto internazionale
con l'obiettivo di rivelare il destino dell'universo.
Stavano usando ancora una volta una nuova tecnica
per osservare come l'espansione dell'universo cambiava nel tempo.
Sono venuto ad usare questo telescopio, il GTC,
per osservare l'oggetto che era al centro di tali studi.
Questo enorme telescopio, potete vederne il vasto specchio dietro,
andrà a fornire una visione più ravvicinata di una supernova,
la morte esplosiva di una stella.
La luce che ci raggiunge da questi eventi epici distanti
fu fondamentale per scoprire l'espansione passata dell'universo
e, quindi, per rivelare cosa succederà nel futuro.
Per misurare l'espansione,
i ricercatori erano interessati a questo tipo particolare di supernova.
Il nostro bersaglio oggi è lo stesso tipo di supernove che essi cercavano,
di Tipo Ia.
Quello che rendeva le supernove Tipo Ia così utili
era che quando si spegnevano
creavano un picco di luce incredibilmente luminoso.
In breve, la stella si illuminava più dell'intera galassia.
Non solo, ma rilasciavano sempre
quasi la stessa quantità di luminosità.
Questo significava che non solo si vedevano
a grandi distanze nelle varie galassie,
ma che era anche possibile calcolare quanto erano distanti.
Quindi se ne avessero trovate abbastanza,
avrebbero ottenuto un campione delle condizioni dell'universo
su varie distanze e periodi.
Stasera, l'astronomo David Álvarez
si sta avvicinando alla supernova Tipo Ia recentemente scoperta.
Ok, David, che emozione. Hai la supernova?
Questa è l'immagine.
- Questa cosa qui? - Questa cosa qui.
Puoi fare uno zoom?
Si, possiamo fare uno zoom e si può vedere il puntino luminoso.
E il resto è una galassia?
Il resto della luce è la galassia ospite della supernova.
Wow, è incredibile che...
È una galassia con centinaia di miliardi di stelle
ma questa stella esplosiva, questa supernova è più luminosa
del resto della galassia.
E sai quanto è distante la supernova?
Hai misurato la distanza?
Sì, è distante circa 8 miliardi di anni luce.
Wow.
Oltre alla distanza,
anche lo spettro è cruciale.
Gli astronomi avevano bisogno dello spetto di luce
perché dava loro lo spostamento rosso.
Vedete, nel viaggio della luce dalla supernova alla Terra,
l'universo si espande.
Lo spazio in cui viaggia la luce si allarga,
e anche la luce si allarga.
La lunghezza d'onda si allunga.
Se quando lascia la supernova ha una determinata lunghezza d'onda
e un colore specifico,
quando arriva nei nostri telescopi,
è ad una lunghezza d'onda maggiore.
Si muove verso l'estremo rosso dello spettro, creando uno spostamento rosso.
Quindi, conoscendo lo spostamento rosso della luce
si comprende quanto spazio si è espanso in quel momento.
In un certo senso, ci da la misura di quanto sia diventato grande l'universo.
Per questo, misurando gli spostamenti rossi su grandi distanze,
in effetti, più lontani nel tempo,
si potrebbe creare un sommario
di come l'espansione dell'universo stia cambiando.
Gli astronomi erano convinti che la gravità dovesse
perlomeno rallentare l'espansione.
La domanda era di quanto.
Tracciando la distanza
verso la misura di spostamento rosso
riuscirono finalmente a rispondere alla domanda.
Se immaginiamo che l'universo si sia espanso allo stesso livello,
il livello che abbiamo ora, per tutto il corso della sua storia,
si ottiene una linea molto semplice.
Ma gli astronomi sapevano che questo non era corretto
perché la gravità frena l'espansione.
Quindi l'espansione dell'universo dovrebbe rallentare
e se si espande più lentamente oggi,
nel passato dovrebbe essersi espanso più velocemente.
Se lo spazio si allarga di più, questo porta uno spostamento rosso maggiore.
E questo cosa significa per la supernova?
Beh, sappiamo che era a 8 miliardi di anni luce...
DIM - 8 BLY - DISTANZA
...quindi sappiamo che non finirebbe proprio su questa linea,
che corrisponde a uno spostamento rosso di circa 0,49.
Dovrebbe essere circa qui, forse con uno spostamento maggiore a 0,5.
Ciò significa che questa linea dovrebbe curvarsi così.
Ma, l'esatta forma di questa linea
ci direbbe di quanto
la gravità sta rallentando l'espansione
e quindi il destino dell'universo.
Ok, quindi hai lo spettro pronto ora, David?
Sì.
Ve lo mostro.
Ciò ci da una misura dello spostamento.
Quindi quanto hai misurato?
In questo caso, 0,47.
0,47?
Bene, questo lo posiziona dall'altro lato della linea.
Questo implica che non è uno spostamento più largo, ma più piccolo.
Questo è affascinante, perché è esattamente quello che videro,
non uno spostamento rosso maggiore, ma minore.
E lo videro parecchie volte, e vi era una sola spiegazione.
Spostamenti rossi minori significavano che l'universo doveva essersi espanso
più lentamente nel passato che oggi.
In altre parole, più che rallentare,
il livello di espansione dell'universo sta accelerando.
Più supernove venivano tracciate, più l'immagine diventava chiara.
Per i primi miliardi di anni dopo il Big Bang,
sembrava che il tasso di espansione fosse rallentato come previsto.
Ma dopo cambiò,
e l'espansione iniziò ad accelerare.
È difficile immaginare quanto scioccante fu tutto questo.
A quel tempo, tutti sapevano
che l'espansione dell'universo andava rallentando.
Non era chiaro se stesse rallentando abbastanza
da fermarsi e ricollassare,
ma di sicuro stava rallentando.
Dopo tutto, la gravità doveva fare la sua opera di frenaggio,
ma la realtà era diversa.
Circa 6 miliardi di anni fa, l'espansione iniziò ad accelerare.
Chiaramente, c'era qualcosa di nuovo e inaspettato
nell'universo.
Qualcosa per cui la scienza non aveva risposte.
Qualcosa che portava l'espansione dell'universo ad accelerare.
Lo chiamarono energia oscura.
Le migliori stime suggeriscono
che l'energia oscura compone il 70% dell'universo.
E ciò significa che l'universo non collasserà con un Big Crunch.
Al contrario, l'energia oscura, non la gravità,
definirà l'ultimo destino dell'universo.
L'energia oscura spinge l'universo ad espandersi.
Non continuerà in modo costante per sempre.
Al contrario, l'energia oscura forza l'universo a espandersi in modo crescente.
Le galassie diverranno così distanti
che la luce non potrà più viaggiarci attraverso.
Ciascuna diverrà
una singola isola di stelle, tutta sola nel cosmo.
O addirittura,
le stesse galassie potrebbero disfarsi,
lasciando le singole stelle a vagare nel vuoto nero.
Oppure, non sarà affatto così.
Dopotutto, gli effetti dell'energia oscura sembrano essere apparsi all'improvviso
fra i sei e i sette miliardi di anni fa.
Chi può dire se sarà così nel futuro?
Potrebbe sembrare bizzarro,
ma con la scoperta dell'energia oscura, tutte le scommesse sono obsolete.
È difficile rendersi conto di quanto poco sappiamo dell'energia oscura.
Ha un nome e basta.
Non sappiamo di cosa sia fatta, né perché stia separando l'universo,
e soprattutto non sappiamo come si comporterà in futuro
e questo lascia un grande buco nella nostra comprensione dell'universo
e del suo ultimo destino.
L'energia oscura potrebbe semplicemente essere parte dell'universo,
un ingranaggio del suo meccanismo.
O potrebbe indicare un problema fondamentale
con le teorie scientifiche più importanti e attendibili che abbiamo,
quelle che sono al centro
della nostra comprensione del funzionamento dell'universo.
Come l'universo finirà era la grande sfida dell'astronomia,
ma il destino dell'universo è diventato molto di più di una domanda accademica.
Passando per la scoperta di questa strana energia enigmatica,
se è questo ciò che è,
qualcosa che va contro la comprensione attuale,
si è diffusa nel cuore della fisica fondamentale.
Trovare la risposta a quale sarà la fine dell'universo
potrebbe avere profonde implicazioni sulla nostra comprensione del mondo.
Tradotto Da: Elena Giannini