Figli delle stelle

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Uno dei successi più straordinari del modello del big bang è prevedere correttamente quanti atomi di elio (oltre che di altri elementi leggeri) sono presenti nell’universo. L’idea la dobbiamo a George Gamow e ai suoi collaboratori. Per costruire il nucleo di un atomo di elio, la natura deve mettere insieme due protoni e due neutroni. Poi, per fare l’atomo completo serviranno anche due elettroni. I protoni, avendo entrambi carica elettrica positiva, si respingono e tendono a fare le bizze quando provate a farli stare insieme; i neutroni, essendo elettricamente neutri, non sollevano problemi. Per tenere insieme i protoni nel nucleo, deve subentrare l’attrazione dovuta alla forza nucleare forte, che vince rispetto alla repulsione elettrica solo quando i protoni sono molto, molto vicini fra loro. Morale della favola: per fondere protoni e neutroni in un nucleo di elio occorre una reazione nucleare, la quale si verifica soltanto quando la densità è talmente elevata da schiacciare i protoni in un volume piccolissimo.

In natura ci sono solo due posti dove questo può avvenire. Uno è il nucleo delle stelle. In effetti, le stelle si tengono in vita proprio convertendo nuclei di idrogeno in nuclei di elio. Il problema è che l’elio presente nell’universo è troppo abbondante per essere stato creato tutto nelle stelle. Ma esiste anche un altro posto: quel posto (ecco l’idea geniale di Gamow) è l’universo nelle fasi successive al big bang. Le condizioni per fondere nuclei di elio ci sono ovunque all’epoca. Facendo due conti, Gamow e i suoi si rendono conto che i dati tornano. La maggior parte dell’elio presente nell’universo si è formato nei primi tre minuti dopo il big bang.

L’aver azzeccato la faccenda dell’elio, per il modello del big bang, non è un dettaglio da poco: oggi, una spiegazione alternativa che funzioni altrettanto bene non c’è. Tuttavia, fino alla metà degli anni Sessanta, il modello dello stato stazionario ideato da Bondi, Gold e Hoyle rappresenta un rivale temibile. Questo modello non mette in discussione il fatto che l’universo si espanda. Ciò che prova a fare è compensare la diminuzione di densità, dovuta all’espansione, con un’incessante creazione di materia dal nulla. Basta che ogni tanto spunti fuori una quantità di materia minuscola — in un volume grande come quello della nostra galassia si tratterebbe di pochi atomi l’anno, un fatto completamente inosservabile — per mantenere immutate le condizioni fisiche dell’universo, nonostante l’espansione.

Il modello di Gamow butta lì, un po’ tra le righe, anche un’altra previsione. Per fondere l’elio dopo il big bang, l’universo deve essere molto caldo. Poi, l’espansione lo raffredda, ma non completamente: così, un po’ di quel calore iniziale deve ancora essere in giro. Fatti i conti, viene fuori che la temperatura media nell’universo attuale è di pochi gradi — circa tre — sopra lo zero assoluto.

Né Gamow né altri danno troppo peso a questo particolare, forse perché sembra impossibile da provare sperimentalmente. Sennonché, succede che ogni corpo a una certa temperatura emette onde elettromagnetiche. Il nostro corpo, per esempio, emette radiazione infrarossa (proprio quella scoperta da Herschel), che non vediamo a occhio nudo ma che può essere rivelata con gli opportuni strumenti, come le videocamere per le riprese notturne. Secondo lo stesso principio, il calore residuo del big bang — quei tre gradi sopra lo zero assoluto presenti in ogni punto dello spazio, anche nelle regioni completamente vuote — deve essere rilevabile come un debole fondo di radiazione elettromagnetica, situato nella banda delle microonde.

Questo fondo cosmico di microonde viene captato, involontariamente, da Penzias e Wilson, mentre regolano il loro antennone. Si dà così la mazzata definitiva alla teoria dello stato stazionario, per cui il fatto rimane del tutto inspiegabile, visto che l’universo non deve mai aver attraversato una fase calda. Gamow ci ha visto giusto, ma lui non stappa la classica bottiglia di champagne, perché sa che lì per lì nessuno gli ha dato credito. «Se io perdo una monetina» si lamenta col suo solito stile colorito «e qualcuno trova una monetina, come faccio a provare che quella è la mia monetina? Eppure, io ho perso una monetina proprio dove loro ne hanno trovata una».

L’espansione dell’universo, l’abbondanza di elio e la presenza del fondo di microonde sono le tre principali prove sperimentali a favore del modello del big bang. Attualmente, esso è pienamente supportato dalle osservazioni ed è la migliore descrizione scientifica dell’origine e dell’evoluzione dell’universo.

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