06 – Le Origini dell’Universo: i primi 20 minuti (parte 2)

Sono passati solo pochi minuti dal Big Bang, e già la materia inizia ad organizzarsi, mettendo le basi per costruire grandi cose.

Nella prima parte di questa narrazione abbiamo visto come dopo i primi minuti di vita del Cosmo, tutta la materia presente oggi era già stata creata. Ma, all’inizio, esisteva sotto forma di particelle libere, che da sole non possono fare gran che.

Per dare origine a strutture più complesse, e quindi permettere la nascita di stelle, pianeti, e di forme di vita, è necessario che queste particelle si uniscano tra di loro. Questo processo di combinazione è dovuto avvenire per gradi, in quanto la possibilità di creare legami tra le particelle è strettamente vincolata alle condizioni in cui si trovano, in particolare alla temperatura.

La struttura più semplice che compone tutti gli elementi chimici, e quindi tutta la materia in qualsiasi forma, è l’atomo. Come accennato nell’introduzione sulla materia, l’atomo è composto da un nucleo (protoni e neutroni, o solo un protone nel caso dell’idrogeno) attorno al quale si muovono gli elettroni. Per creare un nucleo atomico, eccetto l’idrogeno, è necessario che protoni e neutroni vengano violentemente compressi tra di loro, fino a fondersi insieme.

Per consentire questa fusione nucleare è necessaria un’enorme quantità di energia, che non si verifica in condizioni normali. Ma nell’Universo primordiale, le condizioni erano tutt’altro che normali. Grazie alle estreme temperature e densità, molti dei protoni e neutroni liberi vennero spinti gli uni contro gli altri, finché finirono per costituire nuovi nuclei atomici.

I nuclei atomici sono tenuti insieme dalla Forza Nucleare Forte, un abbraccio potentissimo che, una volta stretto, è molto difficile da rompere. La produzione di energia tramite fissione nucleare (la rottura di questo abbraccio) sta alla base degli impianti nucleari, e, tristemente, anche delle bombe atomiche.

Questo processo di creazione di nuclei atomici nelle prime fasi dell’Universo, chiamato nucleosintesi primordiale, ha avuto inizio all’incirca al minuto 3, quando la temperatura era scesa a 1 miliardo di gradi (a temperature più alte i nuclei non possono rimanere stabili), e si è conclusa attorno al minuto 20. Al termine del processo di nucleosintesi primordiale, per la prima volta esistevano nuclei atomici di elementi chimici diversi dall’idrogeno. In particolare, è stato forgiato l’elio (un nucleo di elio contiene 2 protoni e 2 neutroni), il litio (3 protoni e 3 neutroni) e il deuterio (1 protone e 1 neutrone).

E’ importante tener presente che dal ventesimo minuto, con la cessazione della nucleosintesi primordiale, nessun nucleo sarà più forgiato, fino alla nascita delle prime stelle…Ma l’Universo ha ancora tanto da fare prima che ciò avvenga.

Dopo i primi 20 minuti, allora, l’Universo è costituito da uno spazio in espansione in continuo raffreddamento, contenente una grande quantità di fotoni ad alta energia, e materia la cui massa è costituita per il 75% circa da nuclei di idrogeno, per il 25% circa da nuclei di elio, oltre che da piccole tracce di nuclei di litio e deuterio, insieme a sciami di elettroni liberi.

Le temperature sono ancora troppo alte per consentire agli elettroni di legarsi ai nuclei e quindi dare origine agli atomi veri e propri. Dovranno passare 380.000 anni prima che ciò sia possibile. Quando finalmente ciò avverrà, sarà un passaggio fondamentale, perché per la prima volta la radiazione sarà libera di viaggiare nello spazio, e quindi l’Universo, per la prima volta, diventerà visibile.

Per ora, rimaniamo a curiosare in questo piccolo caldissimo Cosmo bambino, irrequieto e voglioso di crescere, come tutti i pargoli…

Per saperne di più:

Il primo secondo

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15 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Citazione Originariamente Scritto da givi Visualizza Messaggio
    Bravissima Francesca, anche per il Link al pezzo di Enzo.
    Ti ringrazio, sei gentilissimo!
    Uno dei punti di forza di astronomia.com è la collaborazione tra i componenti dello staff. Il nostro sito è ricco di materiale che magari a volte si perde, sommerso dagli articoli più recenti. Un grazie speciale @Stefano Simoni per il suo grande lavoro di "recupero" di contributi importanti come questo!

  2. Ciao,
    innazittutto desidero ringraziare e fare i complimenti a Francesca per questi bellissimi articoli sull'universo.

    Ho appena terminato di leggere i due articoli inerenti i primi 20 minuti dell'Universo e mi è sorto il seguente dubbio: i primo fotoni che hanno potuto viaggiare nell'universo (dopo ca. 350.000 anni, giusto?) dove termineranno il loro viaggio? E cosa gli succederà al termina del loro viaggio?

    Stefano

  3. Citazione Originariamente Scritto da FreSte Visualizza Messaggio
    i primo fotoni che hanno potuto viaggiare nell'universo (...) dove termineranno il loro viaggio? E cosa gli succederà al termina del loro viaggio?
    Io mi immagino che viaggeranno all'infinito, ma potrei sbagliarmi

  4. Citazione Originariamente Scritto da SVelo Visualizza Messaggio
    Io mi immagino che viaggeranno all'infinito, ma potrei sbagliarmi
    Ciao SVelo, sai perchè mi sono fatto questa domanda?
    Sono partito dal presupposto che lo spazio è il luogo dove i fotoni possono "scorazzare"i (tra l'altro come viaggiano i fotoni? Di moto rettilineo?). E noi sappiamo che lo spazio è finito; infatti si parla di confini, in espansione, del nostro Universo. Quindi, mi sto immaginando un fotone che, arrivato ai confini dello spazio, sia a fine corsa. In tal caso, lì cosa succede?

    Sono quasi certo che il mio ragionamento, basandosi "...sulle regole assegnate a questa parte di universo al nostro sistema solare", come mi ricorda Battiato nella sua canzone "Ucelli", non sia corretto. Sono però curioso di ricevere una spiegazione a questo mio dubbio da parte qualche espero in materia

    Stefano

  5. Citazione Originariamente Scritto da FreSte Visualizza Messaggio
    si parla di confini, in espansione, del nostro Universo. Quindi, mi sto immaginando un fotone che, arrivato ai confini dello spazio, sia a fine corsa. In tal caso, lì cosa succede?
    Non mi risulta che lo spazio abbia dei confini, ma, in realtà, quest'argomento mi ha sempre e da sempre lasciata con innumerevoli incomprensioni, quindi mi fermo qui Forse è il caso di interpellare @Francesca Diodati e @Red Hanuman

  6. Ho dedotto che lo spazio dovesse avere dei confini sulla base di questo passaggio riportato nel primo articolo sull'Universo:

    "Pensiamo allora al Big Bang come...Un inizio in cui è stato generato il tessuto dello spazio che ha iniziato ad espandersi, portando con sé la materia e l’energia. Un’espansione che continua ancora oggi. E man mano che si espande, ..."

    e anche sulla base di questa precisazione fatta da Red Hanuman:

    " Lo spazio si può espandere come e quanto vuole, cio che si muove al suo interno può muoversi solo alla velocità della luce."

    Vediamo cosa dicono gli esperti.

    Ciao

  7. Citazione Originariamente Scritto da FreSte Visualizza Messaggio
    Ciao,
    innazittutto desidero ringraziare e fare i complimenti a Francesca per questi bellissimi articoli sull'universo.

    Ho appena terminato di leggere i due articoli inerenti i primi 20 minuti dell'Universo e mi è sorto il seguente dubbio: i primo fotoni che hanno potuto viaggiare nell'universo (dopo ca. 350.000 anni, giusto?) dove termineranno il loro viaggio? E cosa gli succederà al termina del loro viaggio?

    Stefano
    I primi fotoni che hanno potuto procedere senza essere assorbiti dalla materia che era presente nell'universo sono quelli presenti quando esso si raffreddò a sufficienza da permettere il legame degli elettroni coi protoni, cioè più o meno dopo 380 mila anni dalla nascita dell'universo. Fino ad allora, i fotoni presenti interagivano continuamente con gli elettroni, e l'universo risultava opaco (età oscura o opaca). Sono gli stessi fotoni che percepiamo oggi sotto forma di radiazione cosmica di fondo (CMBR), e continueranno il loro percorso indefinitamente, fino a essere completamente assorbiti o ad essere talmente deboli da non essere percepibili (a causa dell'espansione dell'universo).


    Citazione Originariamente Scritto da FreSte Visualizza Messaggio
    Ciao SVelo, sai perchè mi sono fatto questa domanda?
    Sono partito dal presupposto che lo spazio è il luogo dove i fotoni possono "scorazzare"i (tra l'altro come viaggiano i fotoni? Di moto rettilineo?). E noi sappiamo che lo spazio è finito; infatti si parla di confini, in espansione, del nostro Universo. Quindi, mi sto immaginando un fotone che, arrivato ai confini dello spazio, sia a fine corsa. In tal caso, lì cosa succede?


    Sono quasi certo che il mio ragionamento, basandosi "...sulle regole assegnate a questa parte di universo al nostro sistema solare", come mi ricorda Battiato nella sua canzone "Ucelli", non sia corretto. Sono però curioso di ricevere una spiegazione a questo mio dubbio da parte qualche espero in materia


    Stefano
    I fotoni viaggiano generalmente di moto rettilineo, a meno che non vengano deviati da corpi massivi per via della RG (vedi lenti gravitazionali).
    Lo spazio è si finito, ma senza confini. Per intenderci è come se lo spazio fosse la superficie di una sfera, da cui non possiamo staccarci ed uscire: non troveremmo mai la fine dello spazio, ne un centro dello stesso, ma di fatto è finito. Sembra un paradosso, ma è così.
    Senza l'espansione dell'universo, i fotoni potrebbero compiere un "giro completo" dell'universo, e tornare a noi. Con l'espansione, non sarà mai possibile, a meno che il tasso di espansione in un secondo non sia inferiore allo spazio percorribile della luce.


    Citazione Originariamente Scritto da FreSte Visualizza Messaggio
    Ho dedotto che lo spazio dovesse avere dei confini sulla base di questo passaggio riportato nel primo articolo sull'Universo:


    "Pensiamo allora al Big Bang come...Un inizio in cui è stato generato il tessuto dello spazio che ha iniziato ad espandersi, portando con sé la materia e l’energia. Un’espansione che continua ancora oggi. E man mano che si espande, ..."


    e anche sulla base di questa precisazione fatta da Red Hanuman:


    " Lo spazio si può espandere come e quanto vuole, cio che si muove al suo interno può muoversi solo alla velocità della luce."


    Vediamo cosa dicono gli esperti.


    Ciao

    Lo spazio si espande, ma non in qualcosa. Lo spazio si CREA in ogni istante, e l'espansione avviene in questo modo. Al di fuori dello spazio, per quanto ne sappiamo, non c'è NULLA, quindi non esistono confini in questo senso. In QUESTO senso è infinito, pur essendo limitato.