Cosmologia

Cosmologia: significato

Per cominciare dalla definizione, la cosmologia è la branca dell'astrofisica dedicata allo studio dell'evoluzione dell'universo con l'obiettivo di determinarne il passato e il futuro. Si tratta di una disciplina principalmente teorica ma, come tutte le branche scientifiche, si basa molto sulle prove osservative.

La cosmologia, dovendo trattare l'universo nel suo complesso, usa come tassello base per la costruzione del proprio studio le galassie. Quando si considera la scala dell'universo, infatti, pianeti, stelle e nebulose diventano invisibili a queste scale.

Fig. 1 - La Catena di Markarian è una seire di galassie parte dell'Ammasso della Vergine. Mostra come quando andiamo a considerare l'universo come oggetto di studio, le galassie sono il punto di riferimento attorno a cui creare teorie.

Effetto Doppler

L'effetto Doppler è la variazione di frequenza di un'onda percepita da un osservatore rispetto alla sua frequenza reale, dovuta al movimento relativo della sorgente e dell'osservatore. Un buon esempio è il suono di un'ambulanza: man mano che si avvicina a noi, diventa gradualmente più acuto ma, non appena ci supera, torna gradualmente ad essere più basso.

Quando si considera la radiazione luminosa, l'effetto Doppler dice che quando un oggetto che emette luce si muove verso di noi, il suo spettro diventa più blu e quando si allontana da noi, il suo spettro diventa più rosso.

L'effetto Doppler è misurato da una quantità chiamata "redshift", definita dalla seguente formula:\[z= \frac{\lambda_{oss}-\lambda_{emessa}}{\lambda_{emessa}} = \frac{\nu_{emessa}-\nu_{oss}}{\nu_{oss}} \]

Qui, \(z\) è il redshift, \(\lambda\) è la lunghezza d'onda e \(\nu\) la frequenza dell'onda osservata, i pedici oss e emessa indicano la lunghezza d'onda (o frequenza) osservata ed emessa rispettivamente.

Fig. 2 - Schema rappresentativo dell'effetto doppler: un oggetto che si muove allontanandosi dall'osservatore appare più rosso, mentre uno che si muove verso l'osservatore appare più blu.

Principio cosmologico

Nel XX secolo, una delle più importanti misurazioni in ambito astronomico ha riguardato la posizione nell'universo vicino di diverse migliaia di quasar (radiosorgenti estremamente luminose). Lo scopo di questa misura era di verificare l'omogeneità dell'universo. Il sorprendente risultato è stato che, se guardiamo l'universo abbastanza in grande, questo appare omogeneo e isotropo, ovvero non presenta grandi differenze in nessuna regione o direzione specifica. Questo risultato è chiamato principio cosmologico.

Legge di Hubble

Un altro importante set di misure è stato effettuato da Edwin Hubble che affermava, nel 1929, che dell'osservazione di 24 nebulose extragalattiche (nome usato in passato per indicare quelle che si sarebbe poi scoperto essere altre galassie), la maggior parte mostrava effetti di redshift dello spettro. Questo risultato (che era già stato precedentemente teorizzato sulla base della relatività generale di Einstein) forniva una prova del fatto che la maggior parte degli oggetti astronomici si stava allontanando da noi. La conseguenza logica di questi risultati, essendo che non dipendeva dalla direzione di ossevazione, è che l'universo è in espansione.

La legge empirica che deriva da queste osservazioni è nota come legge di Hubble-Lemaître e prende il nome da Hubble per le osservazioni e Lemaître per la formulazione teorica. La legge è molto semplice e può essere scritta come

\[v = H_0 D\]

dove \(H_0\) è una costante nota come costante di Hubble (e vale circa \(70 km/s/Mpc\), o equivalentemente \(2,176\cdot 10^{-18} Hz\)) e \(D\) è la distanza dell'oggetto dall'osservatore. Da questa legge si può ottenere un'altra importante informazione: non solo l'universo si espande, ma più distante è un oggetto, più velocemente si muoverà allontanandosi da noi!

Se questa espansione è stata costante durante la vita dell'universo (nozione che varia in base al modello cosmologico che si utilizza), l'universo sarebbe iniziato concentrato in uno spazio molto piccolo, il che porta alla nota teoria del Big Bang.

Un'altra conseguenza interessante dell'espansione dell'universo è la seguente: poiché la luce è l'entità che viaggia più velocemente nell'universo con una velocità finita, misurare la radiazione luminosa di un corpo equivale a ricevere informazioni dal suo passato, soprattutto su scala astronomica. Questa nozione di luce come informazione sul passato è fortemente legata al redshift. Poiché, per la legge di Hubble, gli oggetti lontani si allontanano più velocemente, hanno un redshift maggiore e il tempo necessario perché la loro radiazione ci raggiunga è più lungo. In altre parole, maggiore è il redshift, più vecchie (nella storia dell'universo) sono le informazioni che riceviamo da quell'oggetto. Pertanto, la ricerca di oggetti ad alto redshift da parte degli astrofisici equivale al tentativo di sondare le prime fasi dell'universo.

Ambiti di studio

Abbiamo visto alcuni dei fenomeni e delle osservazioni più importanti per la cosmologia a livello storico, introduciamo ora alcuni tra gli ambiti di studio di questa materia e che verranno approfonditi negli articoli dedicati.

Radiazione cosmica di fondo

La radiazione cosmica di fondo è il residuo dell'universo primordiale più antico che possiamo osservare. Essa è, per definizione, la luce dell'universo nel momento in cui esso è diventato sufficientemente freddo e poco denso da non essere più opaco. Per questo motivo è di fondamentale importanza: è la finestra di osservazione per il Big Bang più lontana che possiamo vedere.

Questa radiazione è l'esempio naturale più perfetto di radiazione di corpo nero, con un picco nelle microonde (in inglese è nota come Cosmic Microwave Background o CMB) equivalente a quello di un corpo nero con temperatura di \(2,725K\).

Fig. 3 - Mappa della variazione nella radiazione cosmica di fondo osservata dalla missione spaziale Planck.

Materia oscura ed energia oscura

Un altro campo di studio importante è quello che riguarda le componenti oscure dell'universo. Oltre alla materia visibile, l'universo sembrerebbe essere permeato da delle componenti oscure (nel senso che non emettono radiazione osservabile), ma di cui riusciamo ad osservarne le conseguenze fisiche.

La materia oscura è una componente di materia dell'universo che è osservabile in alcune caratteristiche delle curve di rotazione delle galassie, che non sarebbero spiegabili utilizzando solamente la materia osservabile (dovuta principalmente alle stelle).

L'energia oscura, invece, è una componente di energia dell'universo (spessa associata all'energia del vuoto dell'universo) che è ancora oggi materia di studio dei cosmologi. L'indizio più importante per l'esistenza di questa componente di energia è dato dall'osservazione dell'espansione dell'universo: questa, infatti, non è lineare come suggerito dalla legge di Hubble, bensì sarebbe accelerata. Questi studi sono valsi a Adam Riess, Brian Schmidt e Saul Perlmutter il premio Nobel per la fisica nel 2011.

Forma dell'universo

L'ultimo argomento che andremo a trattare nei nostri articoli è quello della forma dell'universo. Lo studio della geometria dell'universo è di fondamentale importanza al fine di comprenderne la composizione, l'origine e l'evoluzione futura. Una delle caratteristiche più importanti, come vedremo, è la curvatura dell'universo che è determinata esclusivamente da un parametro chiamato parametro di densità \(\Omega\).

Fig. 4 - Esempi di geometria dell'universo, dall'alto in basso, modelli di universo chiuso, aperto e piatto