La fine di Gaia non arriverà: fisica della fine dell'universo

Applicando le leggi di Keplero (che descrivono in buona sostanza il moto dei pianeti) allo studio delle velocità di stelle nelle galassie a spirale, i risultati sono stati sorprendenti. Invece di diminuire a grandi raggi, le velocità orbitali rimangono con ottima approssimazione costanti. Significa quindi che la massa racchiusa da orbite di raggio via via maggiore aumenti: ciò sarebbe impossibile con il valore della massa osservato. Questo implica che deve esistere qualcosa che nella somma dell'osservabile ci sfugge. 

Questa è la materia oscura: una massa che possiamo osservare solo indirettamente, in quanto non emette alcun tipo di radiazione conosciuta (dalle onde radio ai raggi gamma) ma che è necessaria per spiegare la struttura stessa dell’universo, in quanto molti sistemi stellari lontani dal centro della galassia posseggono una velocità che supera quella di fuga e se non fossero vincolati dalla massa di questa materia oscura sfuggirebbero alla forza gravitazionale spandendosi per l’universo.

Facendo un percorso a ritroso e supponendo di ripiegare lo spazio tempo su se stesso fino a generare un unico punto di singolarità universale, la genesi del Bing Bang per intenderci, manca all’appello una somma del circa 70% di massa-energia necessaria a completare questo processo (di compressione a singolarità).

A questa energia mancante viene dato il nome di energia oscura, un tipo di energia (che si attribuisce al vuoto) che avrebbe la peculiarità di generare una forza gravitazionale a pressione negativa, ovvero una forza repulsiva. Questa energia risolverebbe sia il problema dell’energia del Bing Bang, sia il mistero del red-shift e quindi quello dell’allontanamento delle galassie, impossibile da spiegare pensando solo alla forza gravitazionale.

Introdurre questo tipo di forza ci pone davanti a scenari al limite della fantascienza, ma tra i più interessanti troviamo sicuramente quella che io definisco l’escatologia fisica, ovvero quella dottrina che si domanda il destino ultimo del mondo e dell’universo.

In pratica parleremo delle soluzioni che la fisica propone ad un’eventuale fine dell’universo. La maggior parte di queste teorie è una soluzione delle equazioni della relatività generale, ottenute semplicemente cambiando parametri come la densità media e la costante cosmologica. Per questo la forma dell’universo, che deriva direttamente dal valore di Ω (il valore critico, rapporto tra la forza gravitazionale e la forza repulsiva) è fondamentale per determinare come si evolverà l’universo stesso.

Le geometrie dell'universo al variare della costante. Immagine presente su Wikipedia.

Universo chiuso

Se Ω>1, la geometria dello spazio è chiusa come la superficie di una sfera. La geometria di questo universo è, su larga scala, ellittica. In un universo chiuso, mancando l'effetto repulsivo dell'energia oscura, la gravità fermerebbe l'espansione dell'universo, che inizierebbe quindi a collassare in un'unica singolarità.

Questa è la teoria del Bing Crunch e sostiene che se la forza di gravità di tutta la materia ed energia nell'orizzonte osservabile è abbastanza grande, allora essa può fermare l'espansione dell'Universo, e in seguito invertirla.

L'Universo si contrarrebbe, e tutta la materia e l'energia verrebbero compresse in una singolarità gravitazionale. È impossibile dire cosa succederebbe in seguito, perché il tempo stesso si fermerebbe in questa singolarità.

Universo aperto

Se Ω<1, la geometria dello spazio è aperta, curva negativamente come la superficie di una sella. La geometria dell'universo è iperbolica.

Anche senza energia oscura, un universo curvo negativamente si espande indefinitamente, rallentando di poco il suo moto a causa della forza di gravità. Con l'energia oscura l'espansione è non solo continua, ma anche in accelerazione. Le possibilità circa il destino ultimo di un universo aperto sono o il Big Freeze, o il Big Rip.

La morte termica (Big Freeze) ipotizza che l'Universo raggiunga il massimo dell'entropia: se esso dovesse vivere per un tempo sufficientemente lungo infatti, raggiungerebbe asintoticamente uno stato nel quale l'energia sarebbe uniformemente distribuita. Questo indica che non ci sarebbe più scambio energetico e quindi anche di calore: la temperatura che si verrebbe a creare sarebbe quella dello zero assoluto, la stasi della materia.

Se la materia oscura fosse superiore ad un certo valore, l'accellerazione anti-gravitazionale porterebbe prima a separare le galassie, provocando conseguentemente la separazione delle stelle che si trovano al suo interno. Circa tre mesi prima della fine, i pianeti si separerebbero dalle stelle. Negli ultimi minuti, le stelle e i pianeti sarebbero disintegrati, e gli atomi verrebbero distrutti una frazione di secondo prima della fine. In seguito, l'Universo sarebbe ridotto ad una serie di particelle elementari isolate le une dalle altre, in cui ogni attività sarebbe impossibile. Poiché ogni particella sarebbe impossibilitata a vedere le altre, in un certo senso l'Universo osservabile si ridurrebbe effettivamente a zero. Questo è il Big Rip.

Universo piatto

Se la densità media dell'universo è esattamente uguale alla densità critica, ovvero Ω=1, allora la geometria dell'universo è piatta.

Senza energia oscura, un universo piatto si espande per sempre ad un ritmo decrescente, raggiungendo asintoticamente lo zero. In presenza di energia oscura invece, l'espansione rallenta inizialmente, ma aumenta in seguito (tornando ad assumere le caratteristiche di un universo piatto). La maggior parte dei dati astrofisici sono interpretati come parte di un universo piatto.

C’è un’altra tesi che sopra non abbiamo trattato. Essa è tra le più accreditate e tra le più sorprendenti. Stiamo parlando del Big Bounce, il grande rimbalzo. Durante il collasso gravitazionale (si parla di un universo chiuso) l’energia si arriverebbe a concentrare a tal punto da lacerare lo spazio-tempo generando una forza gravitazionale repulsiva che genererebbe un nuovo Bing Bang.

Tale processo si ripeterebbe in un ciclo perpetuo. Per non andare in conflitto con il secondo principio della termodinamica (che afferma l'irreversibilità di un aumento entropico) gli studiosi hanno introdotto il concetto dell’amnesia cosmica: ogni “nuovo” universo dimentica, cancella tutte le informazioni dell’universo passato ripartendo praticamente da zero.