Il Big Crunch: ritorno alla singolarità

Il destino dell’universo potrebbe essere esattamente simmetrico al Big Bang. L’universo smetterà di espandersi ed inizierà a collassare su se stesso. Questa ipotesi sostiene che se la forza di gravità è abbastanza grande, allora, essa può fermare l’espansione ed in seguito invertirla.
L’Universo dunque si contrarrebbe, e tutta la materia e l’energia verrebbero compresse in una singolarità. È impossibile dire cosa succederebbe in seguito, perché il tempo stesso si fermerebbe in questa singolarità.
Non è ben chiaro anche cosa succederebbe negli istanti immediatamente precedenti al Big Crunch vero e proprio. L’Universo non sarebbe esattamente simmetrico rispetto al momento della sua nascita, perché nel frattempo le stelle hanno emesso una notevole quantità di energia. Quest’energia in più sembra però trascurabile rispetto al totale, e l’unica differenza sarebbe la presenza di numerosi buchi neri di varie dimensioni, che tenderebbero a crescere velocemente via via che la materia viene introdotta a forza nel loro interno dalla pressione esterna. Per poter descrivere compiutamente gli eventi finali occorrerebbe una teoria della gravità quantistica, verso la quale si orienta molto lavoro teorico ma che è ancora da scoprire.
Perché questo accada, la densità media della materia-energia presente nell’Universo deve essere superiore ad un certo valore critico, solitamente indicato con Ω, talché la curvatura complessiva dello spazio tempo risulti positiva, come la superficie di una sfera. Se la densità è invece minore del valore della densità critica, la curvatura è negativa (come una superficie iperbolica simile ad una sella), e la gravità sarebbe troppo debole per poter contrastare l’espansione. Quest’ultima ne sarebbe rallentata, ma non fermata. Questi due casi, e il caso limite intermedio in cui la densità è esattamente uguale a quella critica, sono chiamati i tre modelli di Friedmann. Recenti osservazioni (in particolare, l’osservazione di supernovae distanti, e la dettagliata mappatura della radiazione cosmica di fondo) hanno mostrato, con sorpresa della maggior parte degli scienziati, che l’espansione dell’Universo non è rallentata dalla gravità, ma sta invece accelerando. Nonostante recenti misurazioni hanno stimato che la densità media dell’Universo sarebbe pressoché uguale alla densità critica. Sul raggiungimento della densità critica, e quindi sul destino ultimo dell’universo hanno un grande peso la materia oscura e l’energia oscura.
Un universo chiuso: gli ultimi tre minuti
[…] Qualora l’universo dovesse, da ultimo, cominciare a contrarsi, l’esito finale sarebbe ben diverso. I primi stadi della contrazione cosmologica non saranno affatto minacciosi. Come una palla che abbia raggiunto il culmine della sua traiettoria, l’universo comincerà a contrarsi molto lentamente. Supponiamo che il punto più alto venga raggiunto in un tempo di 100 miliardi di anni. Per il fatto che la luce impiega molti miliardi di anni per attraversare il cosmo, fra 100 miliardi di anni, i ‘futuri’ astronomi non vedranno immediatamente la contrazione. Solo dopo alcune decine di miliardi di anni risulterà evidente una contrazione sistematica. Più facilmente riconoscibile sarà una sottile variazione della temperatura di quel residuo di big bang che è la radiazione cosmica di fondo. Questa radiazione di fondo ha attualmente una temperatura di circa tre gradi al di sopra dello zero
assoluto (3 K) e si raffredda via via che l’universo si espande. In cento miliardi di anni la temperatura sarà discesa fino a circa 1 K. Essa precipiterà quando l’espansione avrà toccato il punto più alto: non appena avrà inizio la contrazione, la temperatura comincerà a salire di nuovo e ritornerà a 3 K quando l’universo, contraendosi, avrà raggiunto la densità che ha oggi. Ci vorranno, per questo, altri cento miliardi di anni: l’ascesa e la caduta dell’universo sono approssimativamente simmetriche nel tempo. L’universo non collasserà dal giorno alla notte. Per decine di miliardi di anni i nostri discendenti saranno in grado di vivere bene la loro vita, anche dopo l’inizio della contrazione. La situazione non sarà, tuttavia, così rosea se la svolta dovesse avvenire dopo un tempo molto più lungo, per esempio fra un trilione di trilioni di anni. In tal caso, le stelle si saranno spente prima che l’espansione cosmica abbia toccato il culmine. Quale che sia il momento, misurato in anni a partire da oggi, nel quale avverrà la svolta, dopo lo stesso numero di anni l’universo avrà riacquistato le sue proporzioni odierne. Ma il suo aspetto sarà molto diverso. Anche se la svolta dovesse avvenire fra 100 miliardi di anni, vi saranno molti più buchi neri e molte meno stelle di oggi. I pianeti abitabili saranno tenuti in grande considerazione. Nel tempo che l’universo impiegherà per ritornare alle sue presenti proporzioni, esso si contrarrà molto velocemente, dimezzando le sue dimensioni in circa tre miliardi e mezzo di anni e accelerando sempre più questo processo. Il bello comincerà, tuttavia, dopo circa dieci miliardi di anni dalla svolta, allorché l’aumento di temperatura della radiazione cosmica di fondo sarà diventato una seria minaccia. Quando la temperatura fosse arrivata a circa 300 K, un pianeta come la Terra troverebbe difficoltà a liberarsi dal calore; comincerebbe a riscaldarsi in modo continuo. Dapprima si scioglierebbero le calotte polari e i ghiacciai, poi comincerebbero a evaporare gli oceani. Quaranta milioni di anni più tardi, la temperatura della radiazione cosmica di fondo raggiungerebbe la temperatura media odierna della Terra. Pianeti simili alla Terra diventerebbero del tutto inospitali. Naturalmente, la nostra Terra avrebbe già subito tale destino, perché il Sole, espandendosi, sarebbe diventato una gigante rossa; ma per i nostri eventuali discendenti non vi sarebbe alcun altro luogo dove andare, alcun rifugio sicuro. La radiazione cosmica riempirebbe l’intero universo. Tutto lo spazio avrebbe una temperatura di 200 K, destinata ad aumentare ancora. Le galassie ancora esistenti non sarebbero più riconoscibili, perché si sarebbero ormai fuse tra loro. Invece, rimarrebbe ancora una grande quantità di spazio vuoto: le collisioni fra singole stelle sarebbero rare. Le condizioni dell’universo, nel suo progressivo avvicinarsi alla fase finale, diventerebbero sempre più simili a quelle che prevalsero poco dopo il big bang. Alla fine, la radiazione cosmica di fondo diventerà così intensa che il cielo notturno brillerà di una cupa luce rossa. L’universo si trasformerà in una gigantesca fornace cosmica che brucerà ogni fragile forma di vita, dovunque essa possa nascondersi, e spoglierà i pianeti della loro atmosfera. A poco a poco, la luce rossa si trasformerà, in gialla e poi in bianca, finché l’implacabile radiazione termica diffusa in tutto l’universo minaccerà l’esistenza stessa delle stelle. Incapaci di irradiare all’esterno la loro energia, le stelle accumuleranno al proprio interno un calore sempre maggiore e alla fine esploderanno.
Lo spazio si riempirà di gas incandescente (il plasma), brillando di luce sempre più fiammeggiante e diventando sempre più caldo. Via via che la velocità del cambiamento aumenta, le condizioni diventano sempre più estreme. L’universo comincia a mostrare notevoli cambiamenti dopo centomila anni, poi dopo mille, poi dopo cento anni, accelerando il suo moto verso la catastrofe totale. La temperatura aumenta fino a raggiungere milioni, poi miliardi di gradi. La materia che oggi occupa vaste regioni dello spazio si restringe in minuscoli volumi. La massa di una galassia occupa uno spazio di soli pochi anni luce di diametro.
Conto alla rovescia
La temperatura, infine, aumenta a un punto tale che gli stessi nuclei atomici si disintegrano. La materia si riduce a un “brodo” uniforme di particelle elementari. L’opera del Big Bang e di generazioni di stelle che hanno creato gli elementi chimici pesanti viene disfatta in un tempo inferiore a pochi minuti. I nuclei atomici, le strutture stabili che esistono forse da miliardi di miliardi di anni, vengono inesorabilmente frantumati. A eccezione dei buchi neri, tutte le altre strutture finiscono con l’essere annientate. L’universo presenta un aspetto di elegante, e sinistra, semplicità. Gli restano solo pochi secondi di vita. Mentre il cosmo collassa sempre più velocemente, la temperatura aumenta senza limiti a un ritmo sempre più frenetico. La materia viene compressa così fortemente che i protoni e i neutroni non esistono più in quanto tali: esiste solo un “brodo” di quark. E il collasso diventa ancora più rapido. La scena è ormai pronta per la catastrofe cosmica finale, che si verifica pochi microsecondi dopo. I buchi neri cominciano a fondersi gli uni con gli altri; le loro regioni interne differiscono ben poco dallo stato di collasso generale dell’universo. Esse sono ormai mere regioni spazio-temporali che sono arrivate alla fine pochissimo tempo prima e sono ora raggiunte dal resto del cosmo. Negli istanti finali la gravità diventa la forza dominante in senso assoluto, che schiaccia inesorabilmente la materia e lo spazio. La curvatura dello spazio-tempo aumenta in modo sempre più rapido. Sempre più vaste regioni dello spazio vengono compresse entro volumi sempre più piccoli. Secondo la teoria convenzionale, l’implosione diventa infinitamente forte, schiacciando tutta la materia e annientando ogni realtà fisica, compresi lo spazio e il tempo, in una singolarità spazio-temporale.
E’ la fine. Il Big Crunch, il “grande stritolamento”, nella misura in cui siamo in grado di intenderlo, non è soltanto la fine della materia, è la fine di tutto. Poiché il tempo stesso finisce al momento del Big Crunch, è privo di significato domandarsi che cosa possa accadere dopo, così come è privo di significato chiedersi che cosa accadeva prima del Big Bang. Non esiste nessun “dopo” nel quale possa accadere alcunché: non vi è nessun tempo neppure per l’inattività nessuno spazio neppure per il vuoto. Un universo nato dal nulla al momento del Big Bang scomparirà nel nulla al momento del Big Crunch: dei suoi gloriosi miliardi e miliardi di anni di vita non resterà neppure il ricordo. Dovremmo lasciarci deprimere da una simile prospettiva? Che cosa è peggio, un universo che lentamente degenera e si espande incessantemente verso uno stato di freddo vuoto e di tenebra, o un universo che implode e finisce nel più totale oblio? E quali speranze di immortalità abbiamo attualmente, in un universo destinato a finire nel tempo? Quando noi uomini diamo inizio consapevolmente a un progetto, abbiamo in mente uno scopo specifico. Se l’obiettivo non viene raggiunto, il progetto è fallito (anche se l’esperienza può non essere stata inutile). Se invece, l’obiettivo viene conseguito, il progetto è realizzato e l’attività cessa. Se l’universo ha uno scopo, e lo consegue, allora esso deve finire, perché una sua ulteriore esistenza nel tempo sarebbe gratuita e priva di senso. Se invece, l’universo è eterno, è difficile immaginare che esso abbia uno scopo qualsiasi. Perciò, la morte del cosmo potrebbe essere il prezzo da pagare per il successo cosmico. Oggi, possiamo almeno sperare che i nostri discendenti arrivino a conoscere lo scopo dell’universo prima che scadano gli ultimi tre minuti.
Da “Corso i Astronomia” di Lorenzo Roi

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