di Marco Marchetti
INTRODUZIONE
Per l'universo in cui viviamo l'epoca attuale può essere considerata ‘l'epoca della luce’; infatti il cosmo è costituito da alcuni miliardi di galassie ognuna delle quali, come una gigantesca città, è illuminata dalla luce di centinaia di miliardi di stelle.
Purtroppo, però, non sarà sempre così poiché le stelle prima o poi muoiono e il materiale per formare nuove stelle in un lontano futuro si esaurirà. Verrà quindi un giorno, fra molti miliardi di anni, in cui anche l'ultima stella dell'universo si spegnerà, l'epoca della luce finirà per sempre e, come avvoltoi, caleranno le tenebre.
Per il nostro universo, che sarà ancora molto giovane, finita l'epoca della luce comincerà una nuova era: l'era del buio. Nelle pagine che seguono cercheremo brevemente di spiegare, alla luce delle conoscenze attuali, come sarà l'aspetto dell'universo in questo lontano futuro e se sarà possibile la sopravvivenza di future civiltà di esseri intelligenti.
STRUTTURA ATTUALE DELL'UNIVERSO
Il Sole, insieme al suo corteo di pianeti, a tutte le stelle visibili ad occhio nudo in una notte serena e a miliardi di altre stelle (invisibili poiché troppo poco luminose o troppo lontane), si trova all'interno di un enorme agglomerato che si chiama Galassia. La Galassia, di forma lenticolare (si pensi ad una lente biconvessa), ha un diametro che si aggira intorno ai 100.000 anni luce e contiene dai 100 ai 200 miliardi di stelle.
La nostra galassia (che finora abbiamo indicato con la 'G' maiuscola) è solamente una fra le tante che popolano il nostro universo. Un telescopio sufficientemente potente, in qualunque direzione lo si punti in cielo, ci mostrerà centinaia di galassie con una varietà di forme e strutture veramente impressionante: infatti oggi si conoscono miliardi di galassie. Si noti che ciascuna galassia può contenere svariate centinaia di miliardi di stelle e che quindi il numero totale di stelle (e quindi di pianeti) presenti nel nostro universo è enorme.
Le galassie hanno la tendenza a raggrupparsi in gruppi denominati ammassi; la nostra galassia non fa eccezione: infatti essa si trova all'interno di un piccolo ammasso composto da una trentina di individui (fra i quali spiccano la galassia di Andromeda e la galassia del Triangolo) denominato Gruppo Locale. Il Gruppo Locale si trova ai confini di un altro ammasso molto più vasto e numeroso: l'ammasso della Vergine, composto da migliaia di galassie. Il Gruppo Locale, l'ammasso della Vergine ed alcuni altri ammassi di galassie limitrofi fanno parte di una struttura molto più vasta denominata superammasso locale.
Nel 1929 Edwin P. Hubble, un astronomo americano che sarebbe diventato molto famoso (in suo onore è stato battezzato l'Hubble Space Telescope, il telescopio spaziale), fece una scoperta che di li a poco avrebbe messo a soqquadro tutto il mondo della cosmologia.
Completando uno studio sulle 50 galassie più vicine alla Terra Hubble scoprì che, a parte qualche eccezione (la galassia di Andromeda e poche altre), tutte le galassie mostravano velocità di allontanamento rispetto alla nostra; inoltre più la galassia è lontana e più alta è la sua velocità di fuga (cioè si allontana più velocemente). Oggi sappiamo che le galassie più lontane possiedono velocità di allontanamento che sono frazioni considerevoli della velocità della luce (299.792,458 km/s).
Subito scartata l'ipotesi di un fuggi fuggi generale (non si capiva che cosa poteva avere di così particolare la nostra galassia per indurre tutte la altre ad allontanarsi), il fenomeno venne correttamente interpretato come la prova sperimentale che il nostro universo è in espansione. Questa espansione è il residuo della grande esplosione (Big Bang) che, circa 15 miliardi di anni fa, ha dato origine al nostro universo.
Riassumendo, al giorno d'oggi, il nostro universo è un insieme di miliardi di galassie ognuna delle quali è illuminata dalla luce di miliardi di stelle. Grazie alla luce emessa da una di queste stelle sul terzo pianeta di un comunissimo sistema solare situato all'interno di un braccio di una comunissima galassia a spirale è stato possibile lo sviluppo e la nascita di quel processo (che per molti ha del miracoloso) che si chiama vita.
In un lontano futuro questo affresco così idilliaco del nostro universo subirà dei profondi cambiamenti; però, prima di proseguire, dopo avere fatto la conoscenza delle galassie andiamo a conoscere un po’ meglio le stelle poiché ciò che ci riserva il futuro dipende in gran parte da loro.
VITA E MORTE DELLE STELLE
Le stelle nascono dalla condensazione, per effetto della gravità, di gigantesche nubi di polveri e gas; man mano che il collasso procede la nube comincia a ruotare sempre più velocemente fino ad assumere una forma sferica. La gravità, non incontrando resistenza, continua imperterrita a comprimere la nube; tutti sappiamo che se comprimiamo un gas la sua temperatura aumenta. Lo stesso avviene all'interno della protostella fino al momento in cui la temperatura raggiunge un valore (alcuni milioni di gradi) tale da permettere l'innesco delle reazioni nucleari di fusione.
L'idrogeno comincia a ‘fondere’ trasformandosi in elio liberando enormi quantità di energia; l'emissione di tale energia riesce a bilanciare la gravità, il collasso si arresta, la stella si stabilizza e si ‘accende’, cioè comincia a brillare di luce propria.
In questa situazione di equilibrio stabile la stella trascorrerà la maggior parte della sua vita; la lunghezza della vita di una stella dipende dalla sua massa, cioè da quanta materia contiene: più la stella è massiccia e più breve sarà la sua vita. Infatti più la stella è massiccia e più forte è la gravità che tende a comprimerla; per bilanciare una gravità più forte è necessaria una emissione di energia più alta quindi il ‘combustibile nucleare’ verrà consumato più velocemente. Abbiamo così che stelle medio piccole come il Sole riescono a vivere fino a 10 miliardi di anni mentre stelle molto massicce come le Pleiadi vivranno solamente qualche centinaio di milioni di anni.
Quando il combustibile nucleare si esaurisce per la stella comincia l'epilogo della propria esistenza. La gravità riprende il sopravvento e, non più ostacolata, ricomincia la sua opera di compressione; ancora una volta il destino della stella dipende dalla sua massa. Nel caso di stelle di tipo solare la gravità comprimerà la stella fino a quando il suo diametro sarà più o meno uguale a quello terrestre; a questo punto la gravità viene di nuovo bilanciata dall'enorme pressione di così tanta materia confinata in un volume così piccolo. Questo stadio della vita della stella, denominato ‘nana bianca’, è il preludio di un lento e progressivo raffreddamento che porterà ciò che resta della stella verso lo stadio finale di ‘nana nera’, cioè una fredda e scura sfera di materia superdensa vagante nello spazio.
Il destino ultimo di stelle molto massicce è decisamente meno tranquillo; in queste stelle quando viene a mancare il combustibile nucleare si instaurano delle fortissime instabilità che degenerano in maniera violenta. La stella viene squarciata da una titanica esplosione che disperde nello spazio fino al 90% del materiale che la componeva; il restante 10% (il nucleo) subisce il destino opposto cioè collassa. Se la massa del nucleo in fase di collasso è sufficientemente alta nulla potrà più fermare la gravità e il collasso continuerà indefinitamente fino a quando tutta la materia sarà confinata e compressa in solo punto; si verrà così a formare uno degli oggetti astronomici più affascinanti che si conosca: il buco nero.
I BUCHI NERI
Una definizione molto pittoresca è quella che descrive il buco nero come ‘la vittoria finale della gravità’. Come abbiamo visto il buco nero è il risultato del collasso del nucleo di una stella molto massiccia; la gravità è talmente forte che niente è in grado di ostacolarla.
Il collasso procede così indisturbato fino a quando tutta la materia viene ad essere confinata in un punto; qui lo spazio, il tempo e le leggi della fisica come noi li conosciamo perdono di significato. Qualunque oggetto che dovesse transitare troppo vicino al buco nero verrebbe inesorabilmente risucchiato ed inghiottito; nulla può sfuggire poiché la gravità è talmente forte che nemmeno un raggio di luce, una volta catturato, riuscirebbe a fuoriuscire dal buco nero. Il nome buco nero (black hole) deriva proprio dal fatto che nemmeno la luce, nonostante la sua poderosa velocità, riesce a vincerne l'attrazione gravitazionale; di conseguenza un buco nero è completamente inosservabile.
Il limite oltre il quale un oggetto è fatalmente destinato a scomparire dentro al buco nero si chiama ‘orizzonte degli eventi’; in altre parole finché l'oggetto rimane al di fuori dell'orizzonte degli eventi può avere qualche probabilità di sfuggire (probabilità che aumenta all'aumentare della sua distanza dal buco nero) mentre invece se viene a trovarsi dentro all'orizzonte degli eventi il suo destino è segnato.
In passato i buchi neri sono stati al centro di accesi dibattiti fra gli scienziati: da una parte chi ne sosteneva l'esistenza e dall'altra chi sosteneva che i buchi neri non potevano esistere. Il problema sta nel fatto che, come abbiamo visto in precedenza, un buco nero non è osservabile direttamente (come ad esempio è osservabile una stella, un pianeta o una galassia); di conseguenza le prove della sua esistenza vanno ricercate nell'influenza che il buco nero esercita sugli oggetti che lo circondano.
Oggi abbiamo prove quasi sicure dell'esistenza di buchi neri di taglia stellare (il caso più famoso è sicuramente l'oggetto denominato Cygnus X1 nella costellazione del Cigno) e di buchi neri supermassicci. Infatti è ormai sicuro che nel centro di quasi tutte le galassie (compresa la nostra) vi siano giganteschi buchi neri; per esempio le osservazioni indicano che le stelle che si trovano nei pressi del nucleo della galassia di Andromeda si muovono sotto l'influenza di un oggetto supercompatto con una massa pari a 40 milioni di volte la massa del Sole. Il caso più eclatante è sicuramente quello della galassia denominata M 87 situata nel grande ammasso della Vergine: nel suo nucleo si annida un buco nero supermassiccio con una massa pari a 3 miliardi di volte la massa del Sole.
TRAMONTO
Dopo questa breve disgressione sulla vita delle stelle ritorniamo all'universo nel suo insieme. La domanda cruciale da porsi per capire il futuro del nostro universo è la seguente: l'espansione attualmente in atto continuerà per sempre oppure ad un certo momento si arresterà per poi invertire il suo corso in una sorta di megacollasso cioè un big bang invertito (Big Crunch)?
La risposta non è facile poiché l'espansione dell'universo può essere ostacolata ed eventualmente arrestata solamente dalla gravità; la gravità dipende dalla quantità totale di materia presente nell'universo. Ora la quantità di materia osservabile è decisamente troppo scarsa per essere in grado di fermare l'espansione però è ormai noto da molti anni che la maggior parte della materia presente nel nostro universo è materia oscura e quindi, come nel caso dei buchi neri, non è osservabile direttamente. Comunque anche tenuto conto di questa materia invisibile è opinione corrente che la materia contenuta nell'universo sia insufficiente per fermare l'espansione. Di conseguenza l'espansione continuerà per sempre, le distanze fra gli oggetti aumenteranno sempre più e l'universo diventerà sempre più rarefatto: il nostro universo ha di fronte a sè l'eternità (nota 1).
La luce delle stelle che oggi illumina il cosmo lentamente si affievolirà per poi sparire definitivamente; infatti, come abbiamo visto, tutte le stelle (Sole compreso) prima o poi moriranno e il materiale per formare nuove stelle, oggi molto abbondante, prima o poi si esaurirà.
Verrà un giorno, fra molti miliardi di anni, in cui anche l'ultima stella presente nell'universo si spegnerà; l'epoca della luce finirà per sempre e inizierà una nuova era: l'era del buio.
In quest'epoca l'universo avrà un aspetto molto diverso da quello attuale: l'antico splendore di stelle e galassie sarà solamente un lontano e sbiadito ricordo. In questo lontano futuro l'universo sarà composto da ciò che resta di antichissime stelle, cioè nane bianche e stelle di neutroni, da sciami di particelle, da tracce di gas e polveri e soprattutto da una miriade di buchi neri, più o meno massicci, in continuo accrescimento a spese di tutto ciò che capita loro a tiro. Tutto questo contenuto in un volume di spazio enormemente più grande e dilatato di quello attuale.
LA VITA E IL BUIO
Potrà la vita continuare ad esistere in questo scenario da incubo?
Sulla Terra il mondo vegetale e quello animale dipendono in tutto e per tutto dalla luce del Sole. Infatti, grazie ad un metodo molto ingegnoso chiamato ‘fotosintesi clorofilliana’, la piante assorbono l'energia solare tramite la quale rompono le molecole di acqua e anidride carbonica per crearsi direttamente i propri alimenti (sotto forma di complesse molecole organiche) liberando ossigeno come prodotto di scarto. La fotosintesi clorofilliana è un meccanismo talmente efficiente che dura ormai da 4 miliardi di anni e, vista la diffusione e varietà del mondo vegetale sul nostro pianeta, è un metodo sicuramente vincente.
Gli animali, invece, dipendono dalle piante sia per la propria alimentazione che per l'ossigeno necessario alla respirazione; di conseguenza anche il mondo animale dipende, anche se in maniera indiretta, dall'energia emessa dal Sole. La mancanza di luce solare si trasformerebbe in una catastrofe; quasi tutte le specie animali e vegetali si estinguerebbero. Anche la civiltà umana (che è una civiltà tecnologicamente molto avanzata) dipende fortemente dal Sole; infatti quasi tutta l'energia utilizzata dall'uomo durante le sue normali attività (energia derivante dall'uso di combustibili fossili, energia idroelettrica, energia solare ed eolica) altro non è che energia solare convertita.
L'uomo, però, da circa 50 anni ha imparato ad utilizzare una fonte di energia completamente diversa da quella solare e da essa indipendente: l'energia nucleare.
Oggi l'energia nucleare è una solida realtà in tutte le nazioni tecnologicamente ed industrialmente progredite; essa contribuisce in maniera più o meno determinante alla produzione di energia elettrica, una produzione che si è rivelata essere fra le più affidabili, sicure, economiche e pulite che esistano (nota 2) (nonostante la fiera opposizione di stampo integralista di alcuni movimenti politici ed ambientalisti).
Di conseguenza una civiltà sufficientemente progredita potrebbe far fronte alla mancanza di energia solare attraverso un ricorso massiccio all'energia nucleare. Però anche l'energia nucleare necessita di “combustibili” (nota 3) (Uranio, Plutonio e Torio) e quindi in un futuro ancora più lontano potrebbero nascere problemi a causa dell'esaurimento di questi materiali.
Niente paura. L'esaurimento delle fonti di energia nucleare non sarà un grosso problema poiché i nostri lontanissimi discendenti avranno a disposizione milioni, se non miliardi, di formidabili serbatoi di energia sparsi per il cosmo: questi serbatoi sono i buchi neri la cui enorme energia immagazzinata è teoricamente utilizzabile.
I più autorevoli esperti mondiali di buchi neri e gravità (Roger Penrose e John Wheeler) si sono spesso cimentati nel descrivere civiltà future molto progredite che, dopo avere abbandonato i loro pianeti di origine, si sono stabilite in enormi città costruite attorno a buchi neri i quali verrebbero utilizzati sia come fonte di energia che come destinazione finale dei rifiuti. Questi sono ovviamenti scenari da fantascienza allo stato puro però quello che conta è che lo sfruttamento dell'energia contenuta nei buchi neri è, in linea di principio, possibile.
IL DESTINO ULTIMO DELL'UNIVERSO
L'epoca di cui abbiamo appena parlato può essere chiamata ‘l'epoca dei buchi neri’. Il quadro non è molto consolante ma è pur sempre migliore di quello che ci si poteva aspettare in un primo momento: un universo che assomiglia ad uno dei nostri peggiori incubi in cui, però, è ancora possibile l'esistenza di esseri intelligenti sufficientemente progrediti.
Purtroppo il peggio deve ancora arrivare. Come abbiamo già detto l'universo, espandendosi indefinitamente, ha di fronte a sè l'eternità e l'eternità è un tempo molto, molto lungo; qualsiasi fenomeno che abbia anche una infinitesima probabilità di avvenire prima o poi accadrà. In un futuro straordinariamente lontano (10100 anni, cioè 10 seguito da 100 zeri, e oltre) i nostri lontanissimi discendenti si troveranno ad affrontare un problema molto grosso poiché i buchi neri non sono eterni ma, attraverso un lentissimo fenomeno chiamato ‘evaporazione’, essi si consumano e alla fine si dissolvono nel nulla.
Infatti i buchi neri non sono del tutto neri (come volutamente abbiamo più volte sottolineato in precedenza) ma hanno la possibilità di emettere particelle; questo fatto può sembrare molto strano: esistono forse particelle che, per sfuggire a buco nero, riescono a raggiungere e superare la velocità della luce?
Per fortuna niente di tutto questo poiché, se così fosse, crollerebbe la teoria della relatività (e non solo quella!). Il meccanismo di emissione è molto più sottile. Per capire come un buco nero possa emettere particelle dobbiamo affidarci alla meccanica quantistica che è quella branca della fisica che studia il mondo dell'infinitamente piccolo, cioè il mondo degli atomi e delle particelle subnucleari. Il mondo dell'infinitamente piccolo è completamente diverso dal nostro; infatti nel mondo degli atomi accadono cose molto strane e, per certi versi, paradossali. Molti scienziati e filosofi hanno cercato di capire il significato della meccanica quantistica e puntualmente non hanno cavato un ragno dal buco e ci hanno lasciato la salute. È oggi opinione diffusa che la meccanica quantistica non vada ‘capita’ ma solo applicata poiché ha una caratteristica che molte altre discipline vorrebbero avere: la meccanica quantistica funziona con un altissimo grado di precisione.
Una delle previsioni più importanti della meccanica quantistica, dimostratasi ovviamente corretta, è che per ogni tipo di particella nucleare (protoni, neutroni, elettroni,...) deve esistere una controparte (antiparticella) perfettamente identica tranne alcune caratteristiche fondamentali, come la carica elettrica, che invece assumono un valore opposto; abbiamo così che al protone corrisponde l'antiprotone, al neutrone l'antineutrone, all'elettrone il positrone e così via. Le antiparticelle formano la famosa antimateria di cui spesso si parla nei romanzi di fantascienza; nell'universo esistono solo tracce di antimateria poiché materia e antimateria non possono convivere. Infatti non appena una particella incontra la propria antiparticella esse scompaiono e si trasformano in pura energia attraverso un processo chiamato annichilazione.
Fissiamo adesso la nostra attenzione sul vuoto cosmico dove la densità della materia è praticamente nulla. Se noi avessimo delle dimensioni miliardi di volte più piccole di quelle degli atomi ci accorgeremmo che il vuoto non è proprio vuoto ma ferve di una attività frenetica (si pensi alla superficie dell'acqua contenuta in una pentola portata all'ebollizione). In questo contesto vengono continuamente create coppie di particelle (particella-antiparticella) le quali vivono qualche miliardesimo di secondo dopo di ché si annichilano e scompaiono; queste particelle dalla vita così effimera sono state chiamate particelle virtuali per distinguerle dalle particelle reali. Le particelle virtuali non sono mai state osservate direttamente ma è stata osservata la loro influenza sulle particelle reali.
Supponiamo ora di trovarci nei pressi dell'orizzonte degli eventi di un buco nero; potrebbe capitare che proprio sull'orizzonte degli eventi venga casualmente creata un coppia di particelle virtuali. Potrebbe inoltre succedere che una delle particelle (per esempio l'antiparticella) venga catturata dal buco nero; di conseguenza l'altra particella, non trovando più la sua controparte per annichilarsi, comincia a vivere di vita propria nel mondo reale. In altre parole da virtuale la particella diventa reale. Si può dimostrare matematicamente che l'energia che occorre alla nuova particella per vivere viene fornita dal buco nero.
Per un osservatore esterno il risultato finale consiste in una emissione da parte del buco nero di uno sciame di particelle; questa debolissima radiazione, denominata ‘radiazione di Hawking’ dal nome del famosissimo scienziato Stephen Hawking che per primo ne intuì l'esistenza, avviene a spese dell'energia del buco nero il quale lentissimamente si consuma, cioè evapora, per poi dissolversi nel nulla.
Il completo dissolvimento di un buco nero avviene in arco di tempo che varia da 1066 anni (10 seguito da 66 zeri) per i buchi neri più modesti a 1093 anni (10 seguito da 93 zeri) per quelli più massicci.
Di conseguenza occorrerà un tempo molto lungo ma anche l'epoca dei buchi neri finirà per sempre. In questa remotissima epoca l'universo sarà composto da un insieme di particelle e radiazione vaganti in uno spazio che sarà trilioni di trilioni di trilioni (e si potrebbe continuare) di volte più grande di quello attuale e che andrà raffreddandosi sempre di più.
In questo contesto l'esistenza e la sopravvivenza di esseri intelligenti si fa veramente problematica; forse siamo giunti veramente alla fine, al punto in cui l'universo sarà diventato troppo inospitale anche per civiltà con tecnologie talmente evolute e raffinate da non potere essere neppure immaginate.
Forse. Poiché, come dice un detto, finché c'è vita c'è speranza e la speranza è sempre l'ultima a morire.
VERSO UN NUOVO INIZIO ?
Una via d'uscita a questa situazione disperata forse potrebbe esistere però è bene avvisare il lettore che quanto stiamo per raccontare non è provato sperimentalmente ed è solo il frutto di audaci ragionamenti di alcuni scienziati che si occupano di cosmologia e fisica delle particelle elementari.
In base a considerazioni logiche e matematiche questi scienziati sostengono che il nostro universo non è l'unico esistente; in altre parole esisterebbero molti altri universi con caratteristiche anche diversissime da quelle del nostro.
Inoltre ogni universo (compreso il nostro avrebbe la capacità di generare (attraverso complessi meccanismi che qui non stiamo a citare) ‘universi figli’ denominati “baby universi”.
L'universo figlio rimarrebbe collegato all'universo madre che lo ha generato per un certo tempo attraverso una sorta di cordone ombelicale il quale ad un certo punto si dissolverà; da questo momento l'universo figlio inizierà la sua vita indipendente. Da un punto di vista dell'universo madre il canale di collegamento con l'universo figlio avrebbe l'aspetto di un buco nero.
Alcuni scienziati azzardano l'ipotesi che il nostro universo sia nato proprio in questo modo.
Se queste teorie sono corrette (e, ripeto, non e detto che lo siano!) ecco apparire all'orizzonte l'ancora di salvezza. Infatti civiltà future molto progredite potrebbero mettersi alla ricerca di un baby universo (oppure addiritura crearselo artificialmente come sostiene qualche scienziato molto audace), trovare la maniera di infilarvisi attraverso il canale di collegamento (finché quest'ultimo rimane aperto) e poi iniziare una nuova vita in un universo giovane nuovo di zecca abbandonando al suo destino il vecchio universo morente.
A questo punto qualcuno potrebbe pensare che ci siamo spinti troppo in là e che la fantasia abbia preso il sopravvento sulla realtà. Forse è vero, pero tengo a ribadire che questi argomenti sono attualissimi e che sempre più scienziati credono nella teoria dei molti universi e dei baby universi; purtroppo quello che manca è la possibilità della verifica sperimentale (che in campo scientifico non è cosa da poco!).
Non ci rimane, allora, che attendere ulteriori sviluppi di queste teorie che, sicuramente, non tarderanno ad arrivare.
Monografia n.42-2000/1
Torna alla Home Page di Testi & Trattati
Note a “Il trionfo del buio, cronaca di un lontanissimo futuro”
Torna alla Home Page di Testi & Trattati