Il modello cosmologico standard, non a caso merita l’aggettivo “standard”: è la teoria che fornisce i punti di riferimento più stabili e le direzioni di ricerca più promettenti per quanto riguarda l’evoluzione del cosmo. Parte da alcune assunzioni fondamentali (dei postulati), assumendo la validità del principio cosmologico (ossia che l’universo è omogeneo e isotropo su grandi scale), della teoria della relatività generale su distanze cosmologiche e del modello standard delle particelle elementari.

Questi ingredienti, amalgamati tra loro, hanno fornito quella che è ad oggi l’immagine meno problematica che abbiamo dell’evoluzione dell’universo.

L’universo ha origine dal Big Bang, e per comprendere questo concetto, ripercorriamo le idee che hanno portato a teorizzarlo: tutto nasce dalle equazioni della relatività generale di Einstein. Queste equazioni descrivono come massa ed energia – due facce della stessa medaglia – modifichino la struttura dello spaziotempo, generando quella che noi percepiamo come forza di gravità. Quando si è tentato di applicare le equazioni di Einstein all’universo tutto, assumendo la validità del principio cosmologico, è emerso un risultato sconcertante: l’universo non è statico, ma in espansione.

L’effetto dell’espansione dell’universo può essere interpretato immaginando un panettone in fase di lievitazione, i cui canditi rappresentano gli oggetti cosmici (dalle stelle agli ammassi di galassie). Mentre il panettone lievita, la distanza tra i canditi aumenta man mano che cresce il raggio: analogamente, tutti gli oggetti cosmici si allontaneranno uno dall’altro con il passare del tempo, e qualunque altra lunghezza, inclusa la lunghezza d’onda di un’onda elettromagnetica che viaggia per miliardi di anni, risulterà dilatata (vd. infografica a).

Ora, immaginando di riavvolgere il tempo, le distanze tra gli oggetti cosmici tenderanno a ridursi, fino a raggiungere il punto in cui si annullano. Contestualmente, le temperature saliranno vertiginosamente e la densità dell’universo tenderà verso l’infinito: questo avveniva ca. 14 miliardi di anni fa ed è ciò che chiamiamo Big Bang. Più indietro di così, con le attuali teorie, non riusciamo ad andare: spazio e tempo hanno origine con il Big Bang ed è per questo che viene considerato lo stato iniziale dell’universo.

Cosa accadesse nei primi istanti infinitesimi dopo il Big Bang è oggetto di speculazioni, in quanto ancora non disponiamo di una teoria che accorpi meccanica quantistica e relatività generale – fisica delle particelle e gravità – in un unico quadro coerente, teoria necessaria per comprendere quel contesto.

Supponiamo che l’universo all’epoca – detta “epoca di Planck” – doveva apparire come un luogo esotico, dove tutte le forze (forza di gravità, elettromagnetica e le due forze nucleari) erano unificate in un unico tipo di interazione.  E soprattutto doveva essere un universo estremamente omogeneo, senza grumi.

Dopo un’altra frazione irrisoria di secondo – per la precisione ci troviamo a circa 10^-37 secondi dopo il Big Bang – l’universo comincia a espandersi con rapidità estrema: è il periodo dell’inflazione. Questo evento fa sì che minuscole increspature quantistiche dello spaziotempo, che in epoche “normali” rimangono confinate su scale microscopiche e vivono per tempi brevissimi, durante l’inflazione, invece, vengono espanse su scale cosmologiche e rimangono “congelate” fino a quando, una volta terminata l’inflazione, danno origine a fluttuazioni di temperatura: i semi della disomogeneità che ha dato origine a pianeti, stelle, galassie.

Superata l’inflazione, passiamo ai primi minuti di vita dell’universo. Qui compaiono le prime particelle elementari di materia: quark, gluoni, neutrini e altre più esotiche. Parallelamente e in quantità molto simili, compaiono anche le corrispondenti particelle di antimateria. Queste però, in quantità leggermente inferiore, così che non tutta la materia e l’antimateria si annichilano, lasciando un surplus di materia che ha dato vita all’universo come lo conosciamo. Il perché di questa asimmetria è uno degli interrogativi attualmente aperti e tra i più affascianti della fisica moderna.

Inizialmente liberi di muoversi a causa delle alte temperature in uno stato definito plasma, quark e gluoni, con il raffreddarsi dell’universo cominciano a interagire e a combinarsi in nucleoni – neutroni e protoni, i mattoni dei nuclei atomici (vd. infografica b).

Nei venti minuti seguenti si formano i primi nuclei leggeri, come idrogeno, elio e, in minor quantità, litio.

L’universo continuerà a espandersi permanendo in uno stato di plasma, fino a circa 380.000 anni dopo il big bang.

Prima di quest’epoca, le temperature, però, sono troppo alte perché elettroni e protoni possano formare atomi, così i fotoni interagiscono con gli elettroni venendo costantemente assorbiti e riemessi. Nel momento in cui la temperatura scende al punto che si formano i primi atomi di idrogeno stabili, i fotoni diventano liberi di allontanarsi indefinitamente e in ogni direzione nello spazio.

Oggi, quella luce arriva fino a noi dalle zone più remote dell’universo, flebile, affievolita dall’inesorabile espansione del cosmo e, osservata tramite strumenti sofisticati come il satellite Planck, ci permette di ricostruire una mappa di come doveva apparire l’universo all’epoca del disaccoppiamento con la materia: è il fondo cosmico di microonde.

Da quest’epoca, fino a circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang si ha quella che è definita era oscura. Questo periodo è caratterizzato dalla presenza di atomi leggeri neutri che la gravità comincia ad addensare in quelle che diventeranno le prime stelle, sul finire di questo periodo. È dunque un’era buia, salvo per la radiazione di fondo dovuta al disaccoppiamento.

Con il formarsi delle prime stelle, ha inizio un’era luminosa. Un miliardo di anni dopo il Big Bang cominciano a formarsi le prime galassie: l’universo comincia ad avere un aspetto familiare. Entro 5 miliardi di anni si formano le grandi strutture cosmiche: ammassi e super ammassi di galassie.

Circa 9 miliardi di anni dopo il Big Bang si forma il sistema solare, con la terra che fa la sua apparizione nel cosmo circa 4,5 miliardi di anni fa.

Gli ultimi 5 miliardi di anni di vita del cosmo sono stati caratterizzati da un fenomeno peculiare. Se è vero che la relatività generale prevede l’espansione dell’universo, questa dovrebbe rallentare nel tempo a causa della gravità. Eppure, in quest’ultima era, l’espansione sta accelerando. Scienziati e scienziate reputano che questo sia dovuto a una forma di energia che permea lo spaziotempo definita energia oscura, che da 5 miliardi di anni sta dominando l’evoluzione del cosmo. Attualmente, rappresenta circa il 68% del contenuto di massa-energia dell’universo, mentre, a confronto, la materia ordinaria, ne rappresenta solo il 5%.

Resta un 27% di massa-energia che non è né l’una, né l’altra cosa. È la materia oscura, i cui effetti gravitazionali su larga scala ci sono ben noti, ma che non riusciamo a rivelare in laboratorio, perché di natura estremamente elusiva. Sulla sua natura ci sono diverse ipotesi, da particelle debolmente interagenti, a buchi neri primordiali che permeano le galassie (vd. infografica c).

Nell’infografica d, è riassunta l’evoluzione dell’universo, così come descritta dal modello cosmologico standard, dal Big Bang ad oggi.