Fine dell’universo in parole semplici – La morte termica

Una facile lettura sulla fine del tutto mentre si fa autostop.

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Espansione palloncino
Si puo' pensare all'espansione dell'universo come quella di un palloncino. I punti sul palloncino rimangono fissi, ma le loro distanze aumentano. (Fonte: V. Ghadghe)

Alla fine, l’universo diventerà un luogo freddo, noioso e blando. È questo ciò che ci dicono le ultime osservazioni sperimentali unite alla teoria della relativita’ generale di Einstein.

L’UNIVERSO OGGI – Molte misure sperimentali confermano che le galassie sono in allontanamento tra loro. L’allontanamento non è dovuto a movimenti delle galassie in sé, ma alla dilatazione dello spazio che intercorre tra esse. Il fenomeno è noto come espansione dell’universo. Per capire questo concetto immaginate di prendere un palloncino sgonfio, marcare due punti con un pennarello, e poi gonfiarlo. I punti rimarranno fermi sul palloncino ma la distanza tra i due aumenterà poiché aumentano le dimensioni del palloncino.

Traslando questo concetto sul piano del passato remoto si può evincere come, circa 13.8 miliardi di anni fa, tutta la materia osservabile fosse inizialmente concentrata in una regione molto ristretta (minore delle dimensioni di un granello di sabbia). Questo è il celebre Big Bang. Alla stessa maniera, diamo un occhio al lontano futuro. A tal fine bisogna conoscere sia la velocità di espansione attuale (espressa dalla famosa costante di Hubble), sia quella passata. Infatti, poiché tra le galassie vi è una forza di gravità attrattiva (vecchia legge di gravitazione universale di Newton), si può pensare che l’espansione rallenti nel tempo e, addirittura, che inverta la rotta collassando di nuovo in una regione molto piccola. Questo Big Crunch sarebbe speculare al Big Bang.

Un universo con un espansione rallentata dalla gravita' puo' portare alla fine al Big Crunch. Ma questo non e' il nostro caso.
È rappresentata la distanza tra due punti dell’universo che cambia solamente per via dell’espansione dell’universo.

Tuttavia, dalla seconda metà degli anni ’90 in poi, si è scoperto che l’espansione dell’universo è accelerata: la velocità di espansione aumenta nel tempo, anziché rallentare! Le evidenze dell’accelerazione dell’espansione dell’universo sono ormai moltissime, seppure le cause di ciò siano tuttora oggetto di ricerca.
L’universo espanderà a velocità via via maggiori e quindi l’idea del Big Crunch è da scartare. L’espansione continua implica che la densità dell’universo si ridurrà sempre più.

COSA SIGNIFICA UN’ESPANSIONE ACCELERATA – La nostra Via Lattea fa parte di un gruppo locale di galassie, nostre “vicine” di casa. Tra queste, le più famose sono la Galassia di Andromeda e le Nubi di Magellano. Tra circa 100 miliardi di anni il gruppo locale si combinerà in un’unica galassia. Nel frattempo, l’espansione dell’universo allontanerà le galassie che non appartengono al gruppo locale talmente tanto che non saranno più raggiungibili anche andando alla velocità della luce. La luce emessa da queste galassie diventerà sempre più fioca, per cui non saranno più rilevabili dai telescopi. Rimarremo isolati nel nostro piccolo angolo di universo.

Successivamente, a partire da 100mila miliardi di anni da oggi, sarà finito il carburante per formare nuove stelle e, nel frattempo, le stelle viventi avranno esaurito il loro. Le stelle più massive si trasformeranno in buchi neri o stelle di neutroni. Quelle più leggere diventeranno nane bianche. Queste nane bianche saranno le ultime sorgenti di luce nella nostra galassia. Emettendo poi la loro energia luminosa, diverranno via via più fioche, finché non diventeranno nane nere: bui relitti di stelle. A questo punto, ciò che rimarrà della nostra galasssia sarà completamente buio.

Alla fine solo rare supernovae illumineranno l'universo.
Il buio del tardo universo verra’ momentaneamente interrotto solo dall’occasionale supernova. (Fonte: ESO, L. Calçada)

Il periodo buio sarà punteggiato dall’occasionale incontro tra due nane che, combinandosi, possono raggiungere una massa tale da esplodere come supernova ed illuminare l’universo per qualche settimana. Questi incontri saranno sempre più rari e, alla fine, buona parte dei relitti stellari verranno risucchiati da buchi neri super-massivi. D’altra parte, in quei relitti che non faranno questa fine, i protoni costituenti decadranno lentamente in fotoni (particelle elementari di luce), elettroni, anti-elettroni e neutrini (particelle elementari invisibili), supponendo una qualche Teoria di Gran Unificazione. Dopo un tempo assai lungo, questi relitti si disintegreranno completamente in particelle elementari.

Si entrerà perciò nella fase finale, dominata da buchi neri, che inizierà tra circa 10^40 anni (cioè 1 seguito da 40 zeri, ovvero 10mila miliardi di miliardi di milardi di miliardi di anni). In questa fase, la maggior parte della materia dell’universo sarà concentrata in buchi neri super-massivi. Questa non è ancora la situazione finale. Si pensa, con buona certezza teorica, che i buchi neri stessi lentamente decadano in luce molto fioca, con un processo noto come radiazione di Hawking. Per cui, durante il googol (10^100 anni) successivo anche i buchi neri si dissolveranno. L’espansione dell’universo diluirà ulteriormente l’energia delle particelle rimaste.

LA FINE DELL’UNIVERSO – Ad 1 googol di anni da ora l’universo sarà vuoto, punteggiato da un elettrone, fotone o neutrino ogni qualche miliardo di anni luce. L’energia delle particelle sarà molto piccola, per cui si dice che l’universo sarà freddo. Si può anche dire che sarà molto blando, infatti non vi saranno particolari differenze tra le varie zone di esso. Sara’ una situazione completamente omogenea.

L’entropia è una quantità termodinamica che, in parole semplici, misura l’omogeneità di un sistema. Maggior omogeneità equivale a maggiore entropia. Le leggi della termodinamica ci dicono che in qualsiasi sistema isolato, cioè che non interagisce con qualcosa di esterno a se stesso, l’entropia aumenterà fino a raggiungere un valore massimo. L’universo è isolato per definizione e capiamo che l’universo in espansione accelerata raggiungerà la massima omogeneità, la massima entropia.
Si parla quindi di morte termica dell’universo. Quando l’entropia è massima nessun processo significativo può avvenire. È la fine della storia.

Sono dottorando in Fisica alla Sapienza di Roma, dove svolgo ricerca su cosmologia primordiale e particelle elementari. Ho lavorato come Teaching Assistant alla UCLA. Sono fondatore di Bunte Kuh e mi occupo della divulgazione scientifica.

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