Memoria dello Spazio

Il testo seguente riproduce le pagine 94-96 del libro di John Gribbin, "L’Universo. Una biografia" (Raffaello Cortina Editore).

Nello stesso momento in cui la densità della radiazione scendeva sotto la densità dei barioni, quando l’Universo aveva qualche centinaio di migliaia di anni, la materia e la radiazione si sono disaccoppiate l’una dall’altra e sono andate ciascuna per proprio conto. Prima di allora, la temperatura era troppo alta per permettere la creazione di atomi elettricamente neutri. Ma i fotoni, che, dopotutto, sono i mediatori dell’interazione elettromagnetica, interagiscono con grande potenza con le particelle dotate di carica. I nuclei con carica positiva e gli elettroni con carica negativa si muovevano in un caldo mare di fotoni, formando un plasma, mentre i fotoni interagivano in continuazione con le particelle cariche, rimbalzando via da esse e seguendo un percorso a zig-zag attraverso lo spazio come una pallina lanciata ad alta velocità in un flipper cosmico impazzito. Quando la temperatura dell’Universo era superiore a qualche migliaio di gradi, qualunque elettrone fosse stato catturato da un nucleo sarebbe stato liberato quasi istantaneamente dall’impatto con un fotone carico di energia. Ma con l’abbassamento della temperatura sotto questa soglia, gli impatti con i fotoni divennero troppo deboli per rompere i legami delle forze elettromagnetiche che tenevano insieme gli atomi e gradualmente tutti gli elettroni e i nuclei si ritrovarono rinchiusi dentro atomi neutri. Senza particelle libere elettricamente cariche che potessero ostacolarli, i fotoni erano infine in grado di riversarsi nello spazio con un flusso ininterrotto.

Non è una coincidenza che tutto questo sia accaduto più o meno alla temperatura della superficie del Sole di oggi, perché lo stesso identico processo sta svolgendosi lì proprio ora. Sotto la superficie del Sole, dove le temperature superano i 6000 K, gli elettroni sono strappati agli atomi neutri da impatti energetici e la materia è sotto forma di plasma come nelle ultime fasi della sfera di fuoco nella quale è nato l’Universo. Per dare un’idea di quanto sia difficile la vita di un fotone intrappolato dentro un plasma di questo genere, si consideri che un fotone che parte dal centro del Sole percorre, in media, solo un centimetro prima di collidere con una particella carica e rimbalzare via in un’altra direzione. Così avanza a zig-zag facendo passi di circa un centimetro alla volta, impiegando quasi dieci milioni di anni per arrivare in superficie, anche se viaggia alla velocità della luce. Se potesse andare in linea retta dal centro del Sole alla superficie, il viaggio durerebbe solo 2,5 secondi. Ma in totale il fotone percorre letteralmente dieci milioni di anni luce facendosi strada verso l’uscita, avanzando, indietreggiando e spostandosi di lato un centimetro alla volta. Se il suo percorso a zig-zag fosse raddrizzato, coprirebbe cinque volte la distanza che c’è tra la Terra e la galassia di Andromeda, la grande galassia più vicina alla nostra Via Lattea. È solo quando giungono sulla superficie del Sole, dove gli elettroni si combinano con i nuclei per creare atomi neutri, che i fotoni possono, finalmente, riversarsi fuori nello spazio.

Poiché viviamo su un pianeta dove gli atomi elettricamente neutri sono la norma e devono essere spezzati per creare un plasma che poi può ricombinarsi per produrre altri atomi, i fisici chiamano “ricombinazione” il processo attraverso il quale i nuclei e gli elettroni di un plasma si uniscono creando atomi neutri. Di fatto, usano questo termine anche in riferimento agli eventi che hanno avuto luogo quando l’Universo aveva qualche centinaio di migliaia di anni, anche se, in senso stretto, in quel caso non si è trattato di “ri” combinazione ma di “combinazione”: è stata la prima volta nella storia dell’Universo in cui gli elettroni e i nuclei si sono messi insieme in questo modo. In ogni caso, con la ricombinazione, l’Universo intero assomigliava alla superficie del Sole di oggi e i fotoni che adesso rileviamo come radiazione cosmica a microonde si riversano nello spazio da allora senza interagire affatto con la materia, almeno fino a quando non hanno la sfortuna di imbattersi nelle parabole dei nostri radiotelescopi.

C’è un’analogia semplice e chiara per far capire il senso di quanto indietro nel tempo, avvicinandosi al momento del Big Bang, questi radiotelescopi stiano spingendosi a guardare — analogia suggerita originariamente dal fisico americano John Wheeler [1] ma aggiornata da Alan Guth nel suo The lnflationary Universe. Se paragoniamo il nostro sguardo a ritroso nel tempo per l’Universo alla vista della strada dalla cima dell’Empire State Building di New York, con il livello stradale a rappresentare l’inizio, quattordici miliardi di anni fa, allora le galassie più lontane viste fino a oggi corrispondono al decimo piano a partire dal piano terra e i quasar più distanti osservati finora equivalgono al settimo piano. Ma l’era della ricombinazione intuita attraverso la radiazione di fondo corrisponde a una vista di qualcosa che si trova a solo un centimetro di altezza rispetto al piano stradale. Ecco perché le osservazioni della radiazione di fondo sono così importanti per la nostra comprensione dei primordi dell’Universo.

Note

[1] Geniale figura di scienziato e di divulgatore di altissimo livello, John Archibald Wheeler, nato nel 1911, è recentemente scomparso all’età di 97 anni. Ha dato un contributo fondamentale all’elaborazione e alla diffusione della teoria della relatività generale.