Quanta materia c’è nell’Universo? – parte prima

In questi giorni di chiusura totale, la scuola a distanza è decollata, con tutti i suoi limiti.

Se però da un lato è stata dura tornare a leggere (e a studiare, e a spiegare) il neolitico e le frazioni, dall’altro è una pura gioia vedere dei bambini di otto-nove anni connettersi, parlare e interagire on-line tra loro e con le maestre.

Io a otto anni la cosa più tecnologica che sapevo fare era cambiare canale al televisore; no, non con il telecomando, ma proprio al televisore, perché nel 1976 non avevamo il televisore con il telecomando (e non so neanche se già esistessero): in pratica ero io il telecomando.

Tornando alla terza elementare, uno degli argomenti che stanno studiando in questi giorni è la “materia”.

Non mi metterò però a spiegare che “tutti gli oggetti sono fatti di materia”, perché questo lo sapete già.

Vi posso però chiedere: “Quanta materia c’è nell’Universo?”.

Non lo sapete? E allora vi tocca leggere questo articolo.

 

Intanto facciamo meglio la domanda. Quanta materia c’è nell’universo osservabile?

Per universo osservabile si intende la regione di spazio racchiusa da una sfera centrata su un osservatore, e quindi la sfera che contiene tutto ciò che egli può osservare.

Generalmente noi intendiamo la porzione di universo indagabile dall’uomo, quindi la sfera centrata sulla Terra, ma ogni posizione nello spazio possiede il suo universo osservabile.

Anche perché sarebbe supponente da parte nostra credere di essere al centro di qualcosa (lo abbiamo già fatto una volta, questo errore).

Considerando quindi l’universo a noi conosciuto, quanta materia contiene?

Un sistema per calcolarlo potrebbe essere misurare la massa di tutta la materia che riusciamo a vedere, cioè contare tutte le stelle, pesarle e approssimativamente sapremmo quanta materia esiste.

Certo, contare tutte le stelle sarebbe un compito “non banale”.

Però possiamo ragionare per approssimazione, in quanto in media l’universo è uguale ovunque, quindi ogni regione di spazio abbastanza grande contiene in media lo stesso numero di stelle.

È un po’ come contare quanti granelli di sabbia ci sono in un centimetro cubo di spiaggia e poi moltiplicare per il volume complessivo della spiaggia, che posso trovare facilmente al catasto.

Prendiamo la Via Lattea, che è la nostra galassia: sappiamo che contiene centinaia di miliardi di stelle.

Poiché nell’universo conosciuto possiamo stimare che ci siano centinaia di miliardi di galassie, il numero di stelle nell’universo sarà compreso tra 10mila e 800mila miliardi di miliardi di stelle (stella più stella meno).

A questo punto, “pesiamo” le stelle e il gioco è fatto (vi risparmio il calcolo).

Attenzione, però. Mica tutta la materia osservabile è fatta da stelle.

Ci sono i pianeti, gli asteroidi, i buchi neri, la polvere interstellare.

Un sacco di roba che c’è, ma non possiamo vedere (tranne quando passa davanti a una stella).

Come facciamo?

In questo caso, in aiuto arriva qualcosa di insospettabile: il Big Bang.

Eh già, proprio una delle cose che conosciamo meno (perché non c’era nessuno ad osservarlo) ci aiuterà a sapere quanta materia c’è nell’Universo. Ma come?

Negli anni ’40, Georgij Antonovič Gamov (poi cambiato in George Gamow), fisico e cosmologo russo naturalizzato statunitense, realizzò che nel corso del Big Bang, e a differenza di quanto avviene nelle stelle, si erano resi disponibili grandi quantità di neutroni liberi che ad alta temperatura erano in equilibrio con i protoni.

I neutroni, per reazioni successive, avrebbero portato alla sintesi di tutti gli elementi conosciuti, e Gamow suppose che si potesse spiegare in questo modo l’abbondanza degli elementi osservata al giorno d’oggi.

Gamow affidò il problema a Ralph Alpher, suo studente di dottorato. I risultati di Alpher furono raccolti nella tesi di dottorato discussa nel 1948 e utilizzati in un celebre lavoro di Alpher, Bethe, Gamow del 1949 (il motivo della presenza di Bethe, che non ci aveva lavorato, era che Gamow voleva riprodurre, con le iniziali degli autori, l’inizio di tutte le cose: α β γ cioè alfa beta gamma- che simpaticone, NDA-).

Non vi tedio oltre: dai loro studi e dalle successive scoperte si ipotizza che i nuclei degli atomi di elio che si sono formati durante la fase calda e densa iniziale dell’universo siano una delle prove decisive a favore del modello del Big Bang.

Il confronto tra quanti nuclei di elio si siano formati in quella fase iniziale e quanti effettivamente ne osserviamo nell’universo attuale ci permettono di misurare quanti atomi deve contenere oggi l’universo osservabile.

In questo modo viene fuori che c’è dieci volte più materia atomica nell’universo di quella che effettivamente possiamo osservare.

Ok, lo avevamo supposto prima. Ci sono oggetti non osservabili che dunque “pesano” dieci volte di più di tutte le stelle. Su questo ci torniamo dopo.

C’è però un altro metodo che possiamo adoperare per misurare quanta materia c’è nell’universo. Ricordate Einstein?

Einstein ci ha fatto notare due cose importanti: che la massa e l’energia sono strettamente correlate (E=mc2) e che le masse curvano lo spazio.

Messe così le cose, tutta la materia presente nell’universo ha un effetto sulla sua forma, che significa che la curvatura dello spazio, su grande scala, può avere tre configurazioni:

  • un universo chiuso, che in due dimensioni assomiglia a una sfera;
  • un universo piatto, che in due dimensioni assomiglia a un piano;
  • un universo aperto, che in due dimensioni assomiglia a una sella.

Se capiamo quale delle tre forme ha l’universo, capiamo quanta energia possiede e quindi quanta materia.

Se la materia è superiore ad un certo valore, si avrà la sfera, se è minore a questo valore (che si chiama densità critica), la sella, se è uguale, il piano.

Guarda caso, esattamente come accade sulla Terra, la geometria locale sembra piana.

Ed esattamente come avevamo fatto per i granelli di sabbia prima, basta contare quanti atomi di idrogeno ci sono in un volume di spazio cubico di un metro di lato per calcolare quanti ce ne sono in tutto.

Lo spazio è mediamente molto “spazioso”, cioè molto vuoto (da cui il nome, spazio…), e tutto fa supporre che la sua configurazione sia piatta, ma c’è un problema.

La massa dell’universo misurata in questo modo non coincide con la massa di tutti gli atomi misurata nel modo che ho spiegato prima.

Se mettiamo insieme la massa di tutte le stelle nell’universo e anche la massa di tutti gli atomi nell’universo non arriviamo lontanamente al valore della densità critica che ci serve per rendere piatto l’universo.

Questo valore arriva appena al 5% della massa che serve per spiegare la geometria che osserviamo.

Il che vuol dire una cosa sola: il 95% dell’universo osservabile è fatto di materia e di energia che non possiamo vedere direttamente e che è anche completamente diversa dalla materia di cui siamo fatti noi e tutto quello che ci circonda.

Allora cosa dico ad Alessandro, che la maggior parte della materia è invisibile?

Potrei dirgli, visto che è diventato da poco fan di Star Wars, che è materia “nera”. O, meglio, “oscura”!

La prossima volta vedremo cos’è questa strana forma di materia e se riuscirò a dare una risposta ad Alessandro.

9 pensieri riguardo “Quanta materia c’è nell’Universo? – parte prima

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