Se l’universo si sta espandendo, è naturale pensare che, se potessimo riavvolgere alla stessa velocità il nastro dell’espansione tutta la materia che compone l'Universo tornerebbe a formare l’agglomerato originario, densissimo e molto caldo. Questo esperimento di pensiero ha condotto negli anni '40 il fisico G. Gamow a elaborare la teoria del Big Bang o modello standard, secondo la quale circa 15-20 miliardi di anni fa l’Universo si trovava in uno stato di densità e temperatura elevatissima, concentrato in uno spazio infinitesimo. 

A un tempo infinitesimo iniziò a espandersi a enorme velocità diminuendo temperatura e densità, fino ad assumere le dimensioni e l'aspetto odierno. Tale modello consente di spiegare diverse osservazioni, tra le quali: l’abbondanza presente nell’Universo di nuclei atomici più leggeri (idrogeno, elio, deuterio e litio) e l’esistenza di una radiazione cosmica di fondo. Cerchiamo di esaminare l’evoluzione dell’Universo dividendola in fasi, in modo da rendere più facile la comprensione del fenomeno. 

Fase 1. È la fase che va dall’istante t=0 all’ istante t=5,39 x 10^-44 (noto anche come tempo di Planck). In questa fase le quattro interazioni della fisica: nucleare forte e debole, elettromagnetica e gravitazionale erano probabilmente unificate. A questo istante la temperatura era elevatissima (T= 10³² K) e l’Universo una singolarità matematica. 

Fase 2. L’interazione gravitazionale si separa dalle altre tre interazioni fondamentali che rimangono ancora unificate secondo la Teoria della Grande Unificazione (GUT). In questa fase l’Universo è pervaso da radiazione in mutua interazione, ossia in equilibrio termico, con elettroni e neutrini. 

Fase 3. A mano a mano che la temperatura scende (T=10²⁷ K), si ha il processo di bariogenesi, che determina il prevalere della materia sull’antimateria; l’Universo è costituito da quark, leptoni e corrispondenti antiparticelle, gluoni e bosoni. 

Fase 4. Si osserva la separazione dell’interazione elettrodebole in debole ed elettromagnetica. L’Universo è dominato da quark, leptoni, fotoni, neutrini e materia oscura. 

Fase 5. A soli 10^-4 secondi dopo il Big Bang si generano protoni e neutroni che rimangono in equilibrio termodinamico con elettroni e neutrini. 

Fase 6. A circa 0,7 s dopo il Big Bang i neutrini si separano dal resto della materia e si forma una radiazione fossile di neutrini che è arrivata fino a noi. 

Fase 7. Quando l’Universo ha circa 3 minuti di età si è completata la formazione dei nuclei leggeri, come 2H, 3He, 4He e 7Li. Alla fine dei primi tre minuti di vita, l’Universo è dominato dalla presenza di fotoni, protoni, neutroni, nuclei leggeri, neutrini e materia oscura. 

Fase 8. Quando l’Universo aveva circa 300.000 anni la radiazione si separò dalla materia. Questa radiazione è giunta fino a noi, ed è conosciuta con il nome di radiazione cosmica di fondo. Da questo momento in poi è possibile fare osservazioni dirette, proprio perché l’Universo diventa trasparente alla radiazione. 

Fase 9. Dopo qualche centinaio di milioni di anni la temperatura è scesa fino a 4000 K; piccole fluttuazioni di densità possono cominciare ad attrarre gravitazionalmente la materia circostante portando alla formazione di protogalassie (gigantesche nubi di gas freddissimo) e successivamente di galassie e ammassi di galassie. Dopo quattro miliardi di anni si formano le prime stelle. 

Ammassi e superammassi

La struttura dell'Universo assomiglia ad una sorta di spugna, infatti la misura delle posizioni di migliaia di galassie ha mostrato che esse non sono distribuite uniformemente. L’Universo a grande scala è costituito da gruppi di galassie, detti ammassi, che si riuniscono in enormi addensamenti piatti separati tra loro da immense regioni vuote.
Inoltre, molti ammassi di galassie sono coinvolti in moti d'insieme verso altri giganteschi ammassi, detti attrattori per la loro spinta gravitazionale. Questa struttura su larga scala sembra aver avuto origine da piccolissime disomogeneità nella distribuzione iniziale di materia.

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Legge di Hubble

Nel 1929 Hubble riuscì a distinguere 18 galassie e a stimare la loro distanza. Scoprì inoltre che tutte le galassie sembrano allontanarsi da noi: la radiazione che esse emettono, infatti, è spostata verso il rosso dello spettro elettromagnetico, fenomeno noto con il nome di redshift. La spiegazione è abbastanza semplice: quando una sorgente si allontana da noi, il numero di oscillazioni al secondo diminuisce, quindi la lunghezza d'onda sembra aumentare e si dice che la luce si sposta verso il rosso, mentre quando una sorgente si avvicina nella nostra direzione, il numero di oscillazioni al secondo aumenta, di conseguenza la lunghezza d'onda diminuisce e la luce appare spostata verso il blu (blueshift).

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Quasar

Quasar (Quasi-stellar Radio Source) sono galassie molto lontane, le più lontane a noi note, che emettono una enorme quantità di energia principalmente nelle frequenze radio. Se osservati al telescopio appaiono come dei puntini luminosi, di aspetto stellare (da cui il nome Sorgenti Radio Quasi Stellari) ma il loro spettro presenta delle righe notevolmente spostate verso il rosso (redshift). Supponendo che questo redshift sia dovuto all'effetto Doppler, questo significa che tali oggetti si stanno allontanando da noi a velocità elevate (superiore a 35.000 km/s), troppo alte per una stella. In conclusione, si tratta di sorgenti extragalattiche molto lontane.

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Ad oggi non sappiamo ancora di che cosa sia fatta la maggior parte del nostro Universo! Sono state raccolte svariate prove dell'esistenza di una materia invisibile che tiene legate gravitazionalmente galassie e ammassi di galassie, il suo nome è appunto materia oscura. Essa costituisce circa il 90 % della materia presente nell'Universo. La sua natura resta ancora sconosciuta, tuttavia la sua presenza viene rivelata da alcuni effetti indiretti prodotti nello spazio circostante:

Rotazione delle galassie a spirale. Se in una galassia a spirale si osserva l'andamento della velocità di rotazione delle stelle in funzione della distanza dal centro galattico, si scopre che a grandi distanze anziché diminuire, la velocità resta alta. Questo fenomeno si spiega ammettendo l’esistenza di altra materia, non visibile, che produce un forte campo gravitazionale che fa aumentare la velocità.

Distribuzione di velocità negli ammassi di galassie. Un ammasso è stabile se possiede una massa sufficiente a tenere legate al suo interno le galassie, e inoltre quest’ultime devono possedere una velocità non superiore a un limite preciso di stabilità. Si è scoperto che in molti ammassi le galassie possiedono velocità molto superiori a questo limite, ma continuano a mantenere una struttura stabile. Questo implica che debba esistere un campo gravitazionale molto intenso in grado di tenerle legate. Tale campo non si spiega considerando la materia osservabile. L'ammasso deve essere quindi tenuto insieme da una materia invisibile, molto più abbondante di quella luminosa.

Le lenti gravitazionali. Le lenti gravitazionali sono oggetti o gruppi di oggetti dotati di una massa enorme, il cui campo gravitazionale è così intenso da deviare il percorso dei raggi di luce che vi passano vicini. Il risultato è che, se una di queste "lenti" si trova tra noi e una sorgente di luce lontana (per esempio un quasar), si producono più immagini dello stesso oggetto. Questa sorta di illusione ottica, ci permette però di stanare l’eventuale oggetto oscuro responsabile della deviazione dei raggi.  

Ma da che cosa è costituita la materia oscura? Potrebbe trattarsi di materia ordinaria, per esempio pianeti o "nane brune", talmente piccoli da non innescare le reazioni di fusione nucleare al loro interno. Tuttavia, il numero di questi oggetti è molto più basso di quello necessario per poter spiegare gli effetti osservati della materia oscura. Un'altra ipotesi è che si tratti di neutrini dotati di massa. Si ritiene infatti che i neutrini siano particelle prive di massa, alcuni recenti esperimenti però fanno pensare che siano dotati di una massa, anche se piccolissima (1/5000 della massa di un elettrone). Dato che i neutrini sono comunissimi e permeano l'Universo, basterebbero da soli per rendere conto degli effetti osservati della materia oscura. Un altro tipo di materia oscura possibile è costituita da particelle, la cui esistenza non è ancora stata provata, chiamate WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles).

Energia oscura

Recenti osservazioni indicano che l'Universo, contrariamente a quanto si pensi, non sta rallentando, come ci si aspetterebbe in un Universo dominato da materia, ma sta accelerando. Tali osservazioni vengono spiegate postulando un tipo di energia con pressione negativa: l'energia oscura. Secondo la teoria della relatività, l'effetto di tale pressione negativa produce una forza antigravitazionale (spinta) su larga scala e permette di colmare quella significativa porzione di massa mancante.

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Il modello inflazionario

Due oggetti distanti sono causalmente connessi, quando possono comunicare tramite un segnale e l'uno provocare un effetto sull’altro. Gli effetti di questo segnale si percepiranno non istantaneamente, ma dopo un certo tempo, tanto maggiore tanto più distanti sono i due oggetti, poiché la velocità con la quale i segnali viaggiano nello spazio è finita. L’orizzonte causale rappresenta proprio la regione dello spazio-tempo in cui i due corpi sono in connessione causa effetto. L'Universo è costituito da addensamenti di galassie e regioni relativamente vuote, ma nel complesso appare omogeneo e isotropo (ossia uguale in tutte le direzioni). 

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