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Il destino dell’Universo

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di Luciana Ziino

La cosmologia è forse la scienza più affascinante, perché tenta di rispondere alle grandi domande sull’origine dell’Universo, la sua struttura e la sua evoluzione. Se per indagare sul passato del cosmo, ci si può avvalere dell’osservazione di oggetti molto lontani nello spazio, che sono distanti anche nel tempo, per determinare il futuro dell’Universo bisogna costruire dei modelli, che però dipendono fortemente dalla nostra conoscenza del presente.

Immagine dell’ammasso globulare NGC 6397 ripresa dal telescopio spaziale Hubble. Si stima che l’ammasso, situato a circa 7200 anni luce di distanza, abbia 13.5 miliardi di anni; ciò lo rende tra i primi oggetti della galassia a formarsi dopo il Big Bang. Crediti immagine: NASA, ESA, and H. Richer (University of British Columbia).

Chi ha letto il precedente articolo sull’energia oscura (“Gli ingredienti ‘invisibili’ dell’Universo, parte 2”) sa già che il 1998 fu l’anno di una scoperta sorprendente, che sconvolse dalle fondamenta tutta la cosmologia: l’espansione dell’Universo è in accelerazione!

Questo risultato, assolutamente inaspettato e frutto di anni di studi sulle supernovae di tipo Ia esplose in galassie molto lontane, ha avuto delle conseguenze dirette sui modelli che tentano di descrivere il futuro dell’Universo. Infatti, se l’espansione del cosmo è accelerata, dovrebbe cadere l’ipotesi del “Big Crunch”, secondo cui la densità dell’Universo sarebbe tale da rallentarne, per effetto della sua gravità, l’espansione fino a fermarla; a questo punto l’Universo comincerebbe a collassare, diventando sempre più piccolo, più caldo e più denso, fino a tornare a quella singolarità iniziale da cui tutto era partito. Una variante di questa teoria è quella dell’Universo oscillante, per la quale ogni volta che la materia e l’energia ritornano allo stato iniziale, si verifica un nuovo Big Bang e l’espansione ricomincia daccapo.

Se Big Crunch e Universo oscillante non sono gli scenari corretti, cosa si prospetta per il futuro dell’Universo?

Se parliamo di un futuro relativamente prossimo e vicino a casa nostra, sappiamo già quale sarà il destino della Terra e del Sistema Solare tutto: il Sole tra circa 5 miliardi di anni uscirà dalla lunga fase di equilibrio in cui si trova oggi e si espanderà diventando una gigante rossa. I pianeti più vicini al Sole verranno inglobati in questa grande palla caldissima e la Terra probabilmente si troverà ad essere abbastanza vicina alla sua superficie da non potere più ospitare la vita ancora eventualmente presente su di essa.

Il Sistema Solare oggi: la Terra si trova all’interno della zona di abitabilità. Crediti immagine: Cornell University.
Il Sistema Solare tra 7.9 miliardi di anni: il Sole è diventato una gigante rossa e ha inglobato i pianeti Mercurio e Venere. La zona di abitabilità si è spostata più avanti, in corrispondenza di Giove, Saturno e le loro lune. Credit immagine: Cornell University.

Passeranno altri due miliardi di anni e la nostra stella espellerà gli strati esterni mentre il nucleo comincerà a collassare diventando sempre più denso, finché troverà un nuovo equilibrio nello stato di nana bianca, un oggetto molto compatto nel quale non avvengono più reazioni di fusione nucleare. Ovviamente il Sole non è una stella speciale e il suo destino sarà condiviso da tante altre stelle. Ci saranno però oggetti più massivi che finiranno la propria esistenza in modo molto più violento, con una grande esplosione. Quello che rimarrà dopo l’esplosione, collasserà fino a diventare una stella di neutroni o, se ancora più massiccio, un buco nero.

Tuttavia, finché ci sarà la formazione di nuove stelle, l’Universo verrà continuamente ‘rinnovato’. Ma il gas presente nelle galassie non potrà durare per sempre e a un certo punto si esaurirà. Allora non potranno più nascere nuove stelle; rimarranno quelle già formatesi che, con tempi dipendenti dalla loro massa, prima o poi finiranno il loro combustibile nucleare. Le ultime a ‘morire’ saranno le nane rosse: volendo fare una stima, tra  anni, anche le nane rosse saranno collassate in nane bianche. A quel punto cosa rimarrà nell’Universo?

Il cosmo sarà popolato da resti stellari iperdensi: nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri. Nel frattempo continuerà ad espandersi diventando sempre più freddo. Le nane bianche, nel corso di miliardi di anni, disperderanno gradualmente la loro energia residua fino a diventare nane nere. Senza più il contributo delle nane bianche, inizierà la cosiddetta epoca del buio.

Il destino delle nane nere dipenderà dalla sorte dei protoni all’interno dei nuclei atomici: attualmente si ritiene che il protone sia una particella stabile, ma alcuni studiosi ipotizzano che in tempi così lunghi anche il protone potrebbe decadere. In questo caso, i nuclei degli atomi si dissolverebbero e la nana nera finirebbe col disgregarsi. Secondo alcune stime, questo processo potrebbe avvenire in un arco temporale compreso tra 10³² e 10⁴⁹ anni.

Tuttavia, recentemente, il fisico dell’Università dell’Illinois Matt Caplan ha prospettato uno scenario completamente diverso: secondo Caplan, le nane nere continuerebbero a vivere imperturbate per tempi potremmo dire incommensurabili, finché, in un universo ormai completamente buio e desolato, esploderebbero in modo molto violento. Questo fenomeno si verificherebbe in quanto all’interno delle nane nere, grazie all’effetto tunnel (previsto dalla meccanica quantistica), ci sarebbero ancora reazioni termonucleari, anche se con ritmi estremamente bassi. Questi accenni di fusione nucleare produrrebbero i positroni, cioè le antiparticelle degli elettroni. L’annichilazione tra positroni ed elettroni, indebolirebbe la pressione che regge le nane nere e, alla fine, quelle più massicce collasserebbero in modo catastrofico fino ad esplodere. Queste violente esplosioni avverrebbero tra  e    anni, un tempo incredibile per noi, e sarebbero gli ultimi atti di un universo talmente espanso che nessuno potrebbe accorgersi di loro.

Immagine del resto di supernova Keplero catturata da Chandra (il telescopio spaziale della NASA che osserva il cielo nei raggi X). Un diverso tipo di esplosione stellare, che coinvolge le nane nere, potrebbe illuminare l’oscurità alla fine dell’Universo. Crediti immagine: NASA / CXC / Univ of Texas at Arlington / M. Millard et al.

Nel frattempo i buchi neri che fine avranno fatto? Potremmo supporre che questi oggetti così densi siano destinati ad esistere per sempre, in quanto nulla può sfuggire da un buco nero. Ma non è proprio così: nel 1974 Stephen Hawking ipotizzò che i buchi neri potessero emettere una radiazione, che oggi chiamiamo appunto Radiazione di Hawking, dovuta alla formazione, appena oltre l’orizzonte degli eventi, di coppie virtuali particella-antiparticella. Si tratta di un fenomeno previsto dalla meccanica quantistica e legato al principio di indeterminazione di Heisenberg. Può accadere che una delle due particelle venga risucchiata dal buco nero mentre l’altra riesca a sfuggire via. Per il principio di conservazione dell’energia, la particella finita nel buco nero deve avere energia negativa. Questo significa che l’energia del buco nero si ridurrà di una quantità uguale a quella della particella sfuggita nello spazio. Un ipotetico osservatore, lontano dall’oggetto in questione, vedrebbe una particella apparentemente emessa dal buco nero. Il risultato di questo processo è una riduzione graduale dell’energia (e quindi della massa) del buco nero. Dunque, anche i buchi neri sono destinati a scomparire, in tempi che alcuni stimano compresi tra  anni per quelli più modesti e  anni per quelli più massicci.

Raffigurazione artistica di un buco nero supermassiccio con una massa da milioni a miliardi di volte quella del nostro Sole. I buchi neri supermassicci sono oggetti enormemente densi che si trovano al centro delle galassie. Crediti immagine: NASA / JPL-Caltech.

In questo lontanissimo futuro, “l’universo sarà vuoto, punteggiato da un elettrone, fotone o neutrino ogni qualche miliardo di anni luce.” [1] Il destino dell’Universo sarà la morte termica, ovvero il raggiungimento del massimo valore di entropia e quindi l’annullamento di qualsiasi gradiente: in altre parole l’Universo sarà perfettamente omogeneo e non ospiterà più alcun processo energetico. Il secondo principio della termodinamica ci dice infatti che in un sistema isolato l’entropia aumenta in modo irreversibile fino a raggiungere un valore massimo e l’Universo può essere considerato per definizione come un sistema isolato.

Lo scenario fin qui descritto, il cosiddetto “Big Freeze”, è solo una delle possibili ipotesi messe in campo dai cosmologi. Secondo uno studio pubblicato nel 2003 da Robert Caldwell, la fine dell’Universo potrebbe arrivare in tempi molto più brevi: nel giro di poche decine di miliardi di anni, l’espansione del cosmo raggiungerebbe una velocità tale da ‘fare a pezzi’ tutte le strutture che noi conosciamo, dalle più grandi come gli ammassi di galassie fino alle più piccole come molecole, atomi, nuclei e nucleoni. Questa teoria è nota come “Big Rip”, che letteralmente significa “grande strappo”.

L’immagine illustra la storia dell’Universo dal Big Bang fino al Big Rip. Crediti immagine: Jeremy Teaford / Vanderbilt.

Cosa c’è dopo il Big Freeze o il Big Rip è difficile da dire. Più ci si spinge avanti, più si rischia di entrare nel campo della speculazione filosofica. I modelli di futuro dell’Universo sono tanti e prospettano gli scenari più disparati. Ma se qualcosa hanno in comune, forse è proprio quel senso di vertigine che ci fanno provare, ogni volta che tentiamo di immaginare con la nostra mente un futuro incommensurabilmente lontano da noi.

[1] https://buntekuh.it/scienza/fine-universo/