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ISTITUTO STATALE DI ISTRUZIONE TECNICA PROFESSIONALE E

SCIENTIFICA

SEDE LEGALE AMMINISTRATIVA VIA LEGNANO

63018 PORTO SANT’ELPIDIO (AP) COD FISC 81012440442

CLASSI 1A, 1B, 1C, 1D ALBERGHIERO

ISTITUTO PROFESSIONALE ALBERGHIERO – PORTO SANT’ELPIDIO

PROF. PIERLUIGI STROPPA

DAL BIG BANG A….. NASCITA ED EVOLUZIONE DELL’UNIVERSO

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Figura 1. Rappresentazione pittorica del Big bang e dell’espansione dell’universo. Da Astronomia, De Agostini.

INDICE

PRIMA PARTE: il big bang e le sue prove 3

Perché il Big Bang (grande esplosione) si chiama così? 3

Cos’è il big bang? 4

Simulare cosa è accaduto dopo il big bang 4

Perché il big bang? 5

PRIMA PROVA DEL BIG BANG: IL RED SHIFT 5

Simulazione del Red Shift (Classe 1D Alb - 18/11/2008) 6

Altre simulazioni del Red Shift (classe 1A alb – 15/10/2008) 7

SECONDA PROVA DEL BIG BANG: IL RUMORE DI FONDO 9

Simulazione del Rumore di Fondo (Classe 1B Alb - 14/11/2008) 10

Il rumore di fondo è stato misurato più volte 11

I fotoni del rumore di fondo 12

TERZA PROVA DEL B.B.: L’ABBONDANZA DEGLI ELEMENTI 13

SECONDA PARTE: il destino dell’universo 14

Simulazione del Big Crunch (classe 1A alb – 03/12/2008) 15

Simulazione del Big Rip (classe 1B alb – 30/01/2009) 15

TERZA PARTE: la forma dell’universo 16

Simulazione della forma dell’universo (classe 1C alb – 14/02/2009) 17

Affascinanti rappresentazioni delle possibili forme dell’universo 18

Conclusioni 19

Bibliografia 20

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TITOLO: DAL BIG BANG A………?

NASCITA ED EVOLUZIONE DELL’UNIVERSO

PRIMA PARTE: IL BIG BANG E LE SUE PROVE

PERCHÉ IL “BIG BANG” (GRANDE ESPLOSIONE) SI CHIAMA PROPRIO COSÌ?

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Figura 3. Big bang ed evoluzione dell’universo. Da 13,5 miliardi di anni fa sino a oggi. Da INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare).

Figura 2, tratta dal libro di testo adottato (Zullini & Scaioni, Scienze della Terra)

COS’È IL BIG BANG?

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Figura 5. Animazione del Big Bang. Si ascolta anche il rumore di un’esplosione.

Figura 4. Tratta e modificata da Focus Junior (Febbraio 2009).

• È una “grande esplosione” avvenuta circa 14 miliardi di anni fa.

• Da essa si sarebbero generate tutta l’energia e la materia che compongono l’universo

SIMULARE COSA È ACCADUTO DOPO IL BIG BANG? SI PUÒ…

Si potrebbe simulare la successiva espansione dell’universo con la lievitazione di un

panettone, dove i candidi e le uvette sono le galassie (figura 7);

più semplicemente e velocemente

si potrebbe simulare con un

palloncino, disegnandoci sopra delle

galassie (vedi figura 8).

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Figura 8. Simulazione della nascita ed evoluzione dell’universo.

Figura 7. Simulazione dell’espansione dell’universo dopo il big bang. Da 7 moduli per lo studio delle Scienze dellaTerra.

Figura 6. Audio dell’eco del del Big Bang, ossia di quel che ne è rimasto nell’universo. Da NASA.

PERCHÉ IL BIG BANG ?

1. Perché spiega il Red-Shift (“spostamento verso il rosso” dello spettro elettromagnetico

di assorbimento della luce degli elementi gassosi delle galassie);

2. Perché spiega il rumore di fondo (l’eco del big bang);

3. Perché spiega l’abbondanza degli elementi nell’universo.

1) PRIMA PROVA DELL’ESPANSIONE: IL RED SHIFT

Lo scienziato Edwin Hubble, nel 1929,

dall’osservatorio di Monte Wilson, osservò che l’universo è in espansione:

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Figura 9. L’universo è in espansione. Da mensile Newton - settembre2007.

Figura 10. Edwin Hubble, il telescopio dell’osservatorio di Monte Wilson e il grafico della sua legge. Da NASA

Simulazione del red shift in classe: dal basso verso l’alto sono mostrate tre immagini in

successione. L’insegnante e due alunni rappresentano tre galassie che nel tempo si

allontanano..le loro maglie di color rosso visualizzano il fenomeno del Red Shift osservato da

Edwin Hubble nel 1929. In realtà non si vede la luce delle stelle delle galassie che diventa di

color rosso, ma sono le righe di assorbimento di alcuni elementi che si spostano verso il rosso.

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Figura 11. Simulazione del “red shift” in aula. Classe 1D alberghiero- 18 novembre

Altre simulazioni del red shift in aula (1A alberghiero, il 15/10/2008 ): in questa prima

animazione si illustra alla lavagna il disegno dello spettro dell’onda elettromagnetica della luce:

Quindi, con l’aiuto degli alunni della 1A alberghiero, si stabiliscono un osservatore (il ragazzo

a sinistra), una galassia in avvicinamento (ragazzo con maglia di color celeste); la corda che

tengono in mano rappresenta l’onda elettromagnetica della luce che vede l’osservatore:

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Figura 12. Schema dell’onda elettromagnetica della luce alla lavagna con “Hubble” sulla Terra che osserva..

Figura 13. A sinistra il nostro “Hubble”, a destra una galassia (ragazzo con maglia celeste) e tra loro la corda che simula l’onda della luce.

Successivamente si simulano rispettivamente il “Blue Shift” (in cui la lunghezza d’onda della

corda diventa più piccola)..

..e il “Red Shift”, in cui la lunghezza d’onda della corda diventa maggiore:

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Figura 14. La galassia (ragazzo in “celeste” a destra) si avvicina…Hubble (a sinistra) vede la luce azzurra Blue Shift”).

Figura 15. La galassia (il prof in “rosso” a destra) si allontana…Hubble (a sinistra) vede la luce rossa (“Red Shift”)

2) LA SECONDA PROVA DEL BIG BANG: IL RUMORE DI FONDO

Lo scienziato russo George Gamow, appurato che l’universo era in espansione (Hubble, 1929) ipotizzò che un tempo le galassie erano tutte insieme (l’uovo in figura) e che poi si erano allontanante. Quindi nell’universo doveva esserci una traccia “fossile” del Big Bang:

Successivamente, nel 1965, i fisici americani Arno Penzias e Robert Wilson, lavorando a

un’antenna a microonde molto sensibile, scoprirono un’emissione a 7,3 cm proveniente da

qualsiasi direzione dello spazio. In un primo tempo diedero la colpa ai piccioni…

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Figura 16. George Gamow, tratta da INTRODUCING Stephen Hawking. Figura 17. Arno Penzias e

Robert Wilson in un primo tempo pensarono che il rumore di fondo fosse provocato dai piccioni!

Simulazione del rumore di fondo in aula: è stata effettuata con gli alunni del 1B alberghiero nel seguente modo: i ragazzi della prima fila a destra erano fermi a rappresentare la temperatura dello “zero assoluto” o “zero Kelvin” (0k = - 273°C); i ragazzi della seconda fila erano a 3K (-270°C); quelli della terza fila di destra a 273K = 0°C mentre i ragazzi a sinistra (fig 19) a 4.800°C (quello più a destra è a 6.000°C = temperatura superficiale della stella Sole):

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Figura 18. I ragazzi della prima fila che rappresentano la temperatura dello zero assoluto: sono stati fermissimi.

Figura 19. I ragazzi del lato sinistro, a 4.800°C...Karim (a destra) era a 6.000°C! 14 novembre 2008.

Il rumore di fondo è stato misurato più volte:

a) Dal satellite Cobe (COsmic Background Explorer) nel 1989 (fig 16);

b) Dall’esperimento Boomerang (Balloon Observation Of Millimetric Extragalactic

Radiation And Geophysics) nel 2005 (fig 17);

c) Dal satellite Wmap (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) nel 2006 (fig 21).

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Figura 20. Immagini dal satellite COBE. Le zone rosse sono le più calde (da Astronomia- de Agostini).

Figura 21. Immagini dal satellite WMAP e dall’esperimento BOOMERANG. Si osserva che la sensibilità e le immagini sono migliorate di molto rispetto a quelle del 1989 dal satellite COBE.

I fotoni del rumore di fondo si possono ancora captare? Sembrerà strano, ma la risposta è si!

Basta accendere la tv e scegliere una frequenza dove non è stato registrato alcun canale; ecco

l’immagine che ne risulta dal piccolo televisore del prof:

I puntini bianchi sono fotoni. Ebbene, sembra che uno ogni cento di quei puntini bianchi che si

vedono possa essere un fotone che è partito nello spazio (o con lo spazio) 380.000 anni dopo il

big bang, ossia dopo che la radiazione si è “slegata” dalla materia.

Osservazione: perché oggi riusciamo a captare la radiazione del rumore di fondo anche se è

“vecchia” di ben 13,3 miliardi di anni? Perché in tutto questo tempo essa si è “allungata” e

raffreddata, ma la sua temperatura è ancora al di sopra (anche se di poco) dello zero assoluto:

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Figura 22. Immagine dal televisore del prof: uno ogni 100 dei puntini bianchi (fotoni) potrebbe provenire dall’universo primordiale.

Figura 23. Si osserva che la radiazione di fondo si è allungata nel tempo. Da INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)

3) LA TERZA PROVA DEL BIG BANG: L’ABBONDANZA RELATIVA DEGLI ELEMENTI

Nei primi tre minuti dell’Universo si sono formati i nuclei degli elementi leggeri (vedi tabella):

l’universo odierno è

composto proprio dagli

stessi elementi previsti

dalla teoria del Big Bang.

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Figura 24. L’abbondanza degli elementi chimici nell’universo odierno corrisponde a quella che si sarebbe prodotta in seguito al big bang!

SECONDA PARTE: IL DESTINO DELL’UNIVERSO

L’universo continuerà ad espandersi o rallenterà? Ci sono diversi possibili destini per

l’universo:

a) Il BIG FREEZE (grande congelamento) o morte fredda: le galassie continueranno ad

allontanarsi tra di loro e nel tempo le stelle pian piano si spegneranno, come le luci delle

case di un villaggio di notte:

b) Se l’espansione dell’universo rallentasse sino ad interrompersi e addirittura iniziasse una

contrazione, le galassie tornerebbero tutte indietro implodendo in un gigantesco BIG

CRUNCH dal quale si potrebbe originare un nuovo BIG BANG e così via: ..si avrebbe

l’universo oscillante o ciclico!!

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Figura 25. Ipotesi del “big freeze” o “morte fredda”:l’espansione dell’universo nel tempo porterà all’esaurimento del carburante delle stelle che pian piano si spegneranno. Da Natura e Ecosistemi.

Figura 26. Ipotesi del “big crunch” o “morte calda”: l’espansione dell’universo terminerà per lasciar posto alla contrazione: l’universo si riaccenderà di nuovo con un altro big bang!

Simulazione del “big crunch”: è stata effettuata con gli alunni del 1A alberghiero il 3

dicembre 2008, con il palloncino che pian piano si sgonfiava:

c) C’è una terza possibilità: il BIG RIP (grande strappo), dovuto a un’accelerazione

esagerata delle galassie che le porterebbe alla distruzione totale (addirittura anche gli

atomi si disintegrerebbero!).

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Figura 27. Simulazione del “big crunch” (grande implosione) o “morte calda” col palloncino (da sinistra verso destra).

Quale sarà il nostro destino? Dipende dalla geometria dell’universo che a sua

volta dipende dalla quantità di materia e di energia presenti nell’universo (l’argomento

sarà approfondito in un eventuale intervento successivo).

Esaminiamo le possibili forme geometriche dell’universo:

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Figura 28. Simulazione del “big rip” o “grande strappo” col palloncino (da sinistra verso destra)che scoppia in viso a Lorenzo (1B alberghiero), 30 gennaio 2009.

TERZA PARTE: LA FORMA DELL’UNIVERSO

L’universo può avere almeno tre forme:

a) Universo aperto , la forma somiglia a quello di una sella di cavallo. In questa superficie

che lo rappresenta la somma degli angoli interni di un triangolo è minore di 180°; in

questo tipo di universo l’espansione delle galassie continuerebbe, forse, all’infinito

causando o un big freeze (morte fredda) o un big rip (grande strappo);

b) Universo piatto , la forma è piatta e la geometria euclidea funziona: qui la somma degli

angoli interni di un triangolo è di 180°;

c) Universo chiuso , la forma è quella di una cupola. Qui disegnando un triangolo la somma

interna dei suoi angoli sarebbe maggiore di 180°. In questo tipo di universo la deriva

delle galassie prima rallenterebbe, poi si arresterebbe sino addirittura a trasformarsi in

avvicinamento. Alla fine tutte le galassie tornerebbero al punto d’inizio scontrandosi in

un immane Big Crunch a cui seguirebbe subito un Big Bang e così via di seguito, dando

origine a un universo oscillante. L’attimo stesso in cui dal Big Crunch si passerebbe al

Big Bang è detto anche Big Bounce (grande rimbalzo).

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Figura 29 (da NASA). Dall’alto verso il basso le tre possibili geometrie dell’universo:

a) aperto (superficie a sella di cavallo)

b) piatto (superficie piana)

c) chiuso (superficie a cupola)

Simulazione della “geometria dell’universo”: è stata effettuata in laboratorio con gli alunni del 1C alberghiero il 15 febbraio 2009, con dei fogli grandi di carta bianca:

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Figura 30. Dall’alto verso il basso sono stati rappresentati il modello aperto (foglio con concavità verso l’alto), quello piatto e quello aperto (foglio con concavità verso il basso).

c) Modello chiuso

b) Modello piatto

a)Modello aperto

Affascinanti rappresentazioni della geometria dell’universo:

CONCLUSIONI: il destino e la geometria dell’universo dipendono non solo dalla quantità di materia ordinaria che conosciamo (quella dei corpi celesti che riusciamo a individuare con i normali telescopi ottici), ma anche da quella che non conosciamo (materia oscura). Non solo, sembra anche che la maggior parte dell’universo sia composto da una forma di energia (energia oscura) che si contrappone alla gravitazione di Newton, che è quindi “repulsiva”.

Dato che la materia ordinaria sembra costituire solo il 4% dell’universo, mentre la materia oscura e l’energia oscura rispettivamente il 23% e il 72%, sembra davvero di essere ancora agli albori della cosmologia. È ancora troppo presto per fare previsioni, anche se dai dati sin qui raccolti la maggior parte degli scienziati indica per l’universo una geometria piatta prevedendone un’espansione, ma non

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Figura 31. Suggestive ricostruzioni in 3D delle diverse possibili geometrie dell’universo. Da “The Compact Cosmos” di M.Tweed.

Figura 32. La costituzione dell’universo oggi. Da NASA

esagerata, che porterebbe, a meno di imprevisti colpi di scena, a un lento ma inesorabile big freeze.

Ma se l’espansione accelerasse sino a un grande strappo (big rip)?

E se l’espansione terminasse per riportare indietro in un unico punto tutte le galassie (big crunch e big bang di nuovo = universo oscillante)? In questo modo tutto ricomincerebbe, come 13,7 miliardi di anni fa, e per tutti ci sarebbe (chissà) una nuova possibilità di vita…chissà come finirà!? Forse questo è il destino che ci piace di più?

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Figura 33. Se la forza di attrazione gravitazionale avesse la meglio sull’energia oscura, allora in futuro si avrebbe il big crunch e poi di nuovo un big bang e così via, un universo oscillante, come un cuore che pulsa ogni tot miliardi di anni. Da The Compact Cosmos di M.Tweed.

BIBLIOGRAFIA

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F. Fantini, C. Menotta, S. Monesi & S. Piazzini, 7 moduli per lo studio delle Scienze della Terra, Italo Bovolenta Editore, 2001

R.Torchio, S.Bonelli & E.Bruno, la Natura e gli Ecosistemi, Corso di Scienze della Terra, Editore Bulgarini Firenze (2005)

Autori vari, la materia oscura, rivista trimestrale asimmetrie anno 2, numero 4 giugno 2007, a cura dell’I.N.F.N. (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) - Roma

S. Hawking, A Brief History of Time from the big bang to black holes, Bantam Press Edition 1988, London (UK)

L. & S. Hawking, George’s Secret key to the Universe, Doubleday and Corgi edition 2007-08, London (UK)

J.P. McEvoy & O. Zarate - Introducing Stephen Hawking, by Icon Books Ltd. 1999, Cambridge (UK)

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R.Panek, Going over the dark side, SKY & TELESCOPE –vol 117, N°2, February 2009, Sky & Telescope Media, Cambridge (UK)

G.Ranzini, l’universo stava tutto…., Mensile FOCUS JUNIOR, n°61 – Febbraio 2009, Gruner +Jahr/Mondadori S.p.A. Milano

M.Tweed, The Compact Cosmos, Wooden Books Ltd, New York, 2006

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