Tutto ciò che puoi toccare, pesare o osservare con un telescopio — ogni stella, pianeta e persona — corrisponde soltanto al 5% dell'universo. Non è un errore di arrotondamento; è uno dei numeri più saldamente confermati della cosmologia, raffinato in decenni di misurazioni della luce residua della nascita dell'universo. Il resto è materia oscura ed energia oscura, due componenti che gli astronomi riescono a misurare con precisione senza ancora sapere cosa siano realmente — una strana forma di certezza, quella di essere sicuri che qualcosa esista molto prima di sapere di cosa sia fatto.
Il Big Bang è il nome che i cosmologi danno allo stato caldo e denso da cui tutto ha origine, circa 13,787 miliardi di anni fa, con una precisione di 0,02 miliardi di anni in entrambe le direzioni — un numero straordinariamente preciso per qualcosa accaduto prima ancora che esistessero gli atomi. Arrivare a quel numero è costato quasi un secolo di scoperte accidentali, astronomi testardi e un sacerdote belga con un'ottima idea.
Questa guida ripercorre le prove: il bagliore residuo che ancora attraversa il cielo, gli strumenti costruiti per mapparlo, le persone che hanno discusso sul suo significato, e quanto risulti stravagante il «bilancio familiare» dell'universo.
Il bagliore che ancora attraversa il cielo
Circa 375.000 anni dopo la nascita dell'universo, questo si raffreddò abbastanza da permettere la formazione degli atomi e il dissolversi della nebbia di particelle cariche, lasciando finalmente viaggiare la luce liberamente. Quella prima luce continua ad avvolgere oggi la Terra sotto forma di fondo cosmico a microonde, giungendo da ogni direzione contemporaneamente.
Non è perfettamente uniforme. Le misurazioni satellitari hanno rilevato che una zona di cielo si trova a una temperatura di 2,7251 Kelvin, mentre un'altra segna 2,7249 Kelvin — una differenza di due decimillesimi di grado. Quel minimo di disomogeneità era esattamente ciò di cui i cosmologi avevano bisogno: senza di essa, la gravità non avrebbe avuto nulla in più a cui aggrapparsi, e la materia potrebbe non essersi mai addensata in galassie. Mappare quelle piccolissime variazioni con una precisione sufficiente ha richiesto decenni e diverse generazioni di sonde spaziali, ciascuna a caccia di un segnale ancora più debole del precedente.
Una scoperta casuale che valse un premio Nobel
Nel 1964, i radioastronomi dei Bell Labs Arno Penzias e Robert Wilson captarono con la loro antenna un debole e uniforme fruscio che non scompariva indipendentemente dalla direzione verso cui la puntavano. Non stavano cercando la nascita dell'universo, ma cercando di individuare un rumore strumentale, e quel "rumore" si rivelò essere proprio la radiazione cosmica di fondo. È una delle origini più improbabili della storia della scienza: la più grande scoperta cosmologica del decennio si presentò travestita da guasto.
Quattordici anni dopo, nel 1978, i due ricevettero il Premio Nobel per la Fisica per quella scoperta, che diede alla cosmologia la prova più forte fino ad allora che l'universo fosse nato in uno stato caldo e denso, anziché esistere da sempre in una condizione stazionaria.
Un satellite che ha fotografato l'universo da neonato
L'antenna di Penzias e Wilson poteva confermare l'esistenza della radiazione di fondo, ma non poteva mostrare l'aspetto dettagliato del cielo. Per questo furono necessarie sonde dedicate: il Cosmic Background Explorer della NASA individuò le deboli increspature di temperatura su ampie porzioni di cielo nel 1992, e la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe affinò in seguito quell'immagine nella prima mappa dell'intero cielo, con una risoluzione di appena 0,2 gradi.
Il fisico Adam Riess, che in seguito avrebbe condiviso un proprio Premio Nobel nel 2011 per un lavoro non correlato sull'accelerazione cosmica, riassunse così l'impatto della missione: aveva portato precisione nella cosmologia, e il settore non sarebbe più stato lo stesso. Una mappa così dettagliata trasformò il Big Bang da uno schizzo approssimativo in qualcosa di più vicino a un progetto ingegneristico, con numeri su cui altri scienziati potevano davvero costruire.
Gli astronomi che intuirono l'espansione in anticipo
Molto prima che si parlasse del fondo cosmico a microonde, gli indizi erano già nascosti nella semplice luce delle stelle. Nel 1912, Vesto Slipher puntò il suo spettrografo su quelle che allora venivano chiamate nebulose a spirale e notò qualcosa di strano: quasi tutte si stavano allontanando velocemente dalla Terra.
Verso la fine degli anni 1920, Edwin Hubble trasformò quella stranezza in uno schema, dimostrando che le galassie distanti si allontanavano in ogni direzione, esattamente come previsto dalle stesse equazioni di Einstein se lo spazio si stesse effettivamente dilatando. Non fu tanto un singolo momento di "scoperta" quanto anni di prove che indicavano silenziosamente la stessa direzione, con gli spettri di Slipher che svolsero gran parte del lavoro preliminare a cui, alla fine, venne associato il nome di Hubble.
Il sacerdote che diede un nome all'inizio
Georges Lemaître, fisico belga e sacerdote cattolico, giunse in modo indipendente a una conclusione simile. Nel 1931 propose che l'universo fosse scaturito da quello che chiamò «atomo primigenio» — l'idea che sarebbe poi diventata il moderno modello del Big Bang.
Il contributo di Lemaître risale a ancora prima di quel celebre articolo. Il primissimo dato dietro a quella che oggi viene chiamata costante di Hubble, il numero che descrive la velocità di espansione dell'universo, proveniva in realtà da un suo articolo del 1927, basato sulle distanze galattiche che lo stesso Hubble aveva misurato e pubblicato. La storia ha finito per intitolare la costante alla persona che fornì le distanze, piuttosto che al sacerdote che per primo le mise in relazione con la velocità.
Costruito perlopiù da cose che non possiamo vedere
Sommando ogni stella, pianeta, luna e persona, gli atomi ordinari costituiscono comunque solo circa il 5% della massa ed energia dell'universo. Il resto si divide tra due componenti che non emettono alcuna luce: la materia oscura, al 27%, e l'energia oscura, dominante con il 68%.
Nessuna delle due è mai stata rilevata direttamente. La materia oscura viene dedotta dalla sua gravità — tiene insieme le galassie molto più saldamente di quanto potrebbe fare da sola la materia visibile — mentre l'energia oscura viene dedotta dal fatto che l'espansione dell'universo continua ad accelerare anziché rallentare. La materia ordinaria, quella della tavola periodica, si rivela essere l'azionista di minoranza nel proprio stesso universo, un fatto che ha richiesto quasi un secolo di misurazioni per essere stabilito con una certa sicurezza.
I primi fuochi d'artificio della chimica cosmica
Nei circa primi 20 minuti dopo il Big Bang, le condizioni erano abbastanza calde e dense da permettere a protoni e neutroni di iniziare a fondersi nei primi nuclei leggeri dell'universo — idrogeno-2, elio-3, elio-4 e litio-7. Questo processo, chiamato nucleosintesi primordiale, è il motivo per cui la tavola periodica partì di fatto già con l'elio incluso, molto prima che si accendesse una qualsiasi stella.
Gli astronomi stimano che le primissime stelle dell'universo facessero apparire minuscolo il Sole al confronto: tra 30 e 300 volte più massicce e milioni di volte più luminose — vere e proprie giganti rispetto alla stella al centro del nostro sistema solare.
Un universo troppo grande per essere visto tutto insieme
La porzione di universo alla portata dei nostri telescopi è riempita in modo abbastanza uniforme da galassie in ogni direzione, estendendosi per oltre 10 miliardi di anni luce — circa 6 miliardi di bilioni di miglia dalla Terra. Oltre quel confine, la luce semplicemente non ha ancora avuto il tempo di raggiungere la Terra — questo non significa che l'universo finisca lì, solo che la nostra visuale su di esso si ferma a quel punto.
Tra gli oggetti più distanti individuati entro questo limite c'è GN-z11, una galassia catturata dal telescopio spaziale Hubble nel 2016 con uno spostamento verso il rosso di circa z≈11,1, osservata come appariva circa 400 milioni di anni dopo l'inizio della storia dell'universo — un'istantanea di quando il cosmo era solo una piccola frazione della sua età attuale. Ogni fatto raccontato in questa guida, dall'antenna nel New Jersey al bagliore che stanotte è sopra le nostre teste, è in realtà un unico lungo argomento a favore della stessa conclusione: l'universo ha avuto un inizio, e le prove di quell'inizio stanno ancora arrivando.