George Smoot parla della struttura dell'universo

Pensavo oggi di provare a cambiare un po' la vostra prospettiva sul mondo, e di mostrarvi alcuni delle strutture esistenti in natura. E quindi, ho qui la prima diapositiva che parla degli albori dell'universo, e di cio' che io chiamo l'investigazione della scena cosmica, cioe' l'osservazione dei residui della creazione per dedurne quanto accadde agli inizi, da cui poi proseguire e cercare di comprendere il fenomeno.

Dunque, una delle domande che vi pongo e', se vi guardate intorno, che cosa vedete? Beh, vedete questo spazio, creato da architetti e dal lavoro di persone, ma cio' che in realta' vedete e' un sacco di materiale che era gia' qui ora rimodellato in altra forma. E allora la domanda e': come e' giunto sin qui quel materiale? Come ha assunto la forma che aveva prima che la stessa venisse alterata, e cosi' via? Si tratta di chiedersi, qual'e' la continuita'? Dunque una delle questioni di cui mi occupo e', come si è formato l'universo? Quale e' stato l'intero processo nella creazione ed evoluzione dell'universo che ha fatto si' che si abbiano oggi questi tipi di materiali?

Quindi, questo e' in sostanza il tema, e ora procedo a mostrarvi un'immagine a campo ultra-profondo dal telescopio Hubble. Se osservate questa immagine, cio' che vedete e' molta oscurita' con alcuni oggetti luminosi. Quattro di questi oggetti luminosi sono stelle, e le potete vedere qui -- queste piccoli segni piu'. Questa e' una stella, questa e' una stella, tutte le altre sono galassie, d'accordo? Quindi, ci sono un paio di migliaia di galassie che potete facilmente vedere qui ad occhio nudo. E se vado a guardare questa galassia in particolare, che somiglia molto alla nostra, mi chiedo se anche li' ci sia una conferenza in corso presso un college di arte e design, e altri esseri intelligenti che stanno discutendo, ad esempio, di quali modelli possano sviluppare, e ci potrebbero essere alcuni cosmologi che cercano di capire da dove sia partito l'universo e ci potrebbero essere addirittura alcuni in quella galassia che stanno guardando la nostra cercando d'immaginare che cosa stia succedendo qui da noi.

Ma ci sono molte altre galassie, alcune vicine, che hanno piu' o meno lo stesso colore del Sole mentre altre, piu' lontane, dalla tinta piu' blu, e cosi' via. Ma un'altra domanda -- lo dovrebbe essere per voi -- e' come mai ci sono cosi' tante galassie? E questa rappresenta una sezione molto ridotta del cielo. Queste sono appena un migliaio di galassie. Noi riteniamo che vi siano -- visibili attraverso il telescopio spaziale Hubble se uno avesse il tempo di orientarlo dappertutto -- circa 100 miliardi di galassie. Mi spiego? Quindi un numero molto elevato di galassie. E piu' o meno altrettante sono le stelle presenti nella nostra galassia.

Ma se osservate alcune di queste regioni, come questa, vedrete piu' galassie che stelle, il che e' un po' un mistero. Quindi vi dovrebbe sorgere spontanea la domanda, che tipo di disegno, capite, che tipo di processo creativo e che tipo di disegno hanno generato il mondo siffatto? E vi sto per mostrare che in realta' e' una faccenda assai piu' complessa. Proviamo a seguirne il percorso Ci e' dato uno strumento che di fatto ci aiuta in questo studio, nel fatto che l'universo e' cosi' incredibilmente vasto da essere una macchina del tempo, in un certo senso. Costruiamo questa serie di sfere, una dentro l'altra, in sezione cosi' riuscite a vederci dentro. Mettiamo la Terra al centro delle sfere concentriche, giusto perche' e' da li' che facciamo le nostre osservazioni. E la luna e' a soli due secondi di distanza, cosi' che se scattaste una foto della luna utilizzando luce naturale, cio' che riproducete e' la luna di due secondi fa, ma questo non importa a nessuno. Due secondi sono praticamente lo stesso che l'istante presente. Il Sole che vedete e' di otto minuti fa. Anche qui, niente di cosi' importante, salvo esplosioni solari dovessero dirigersi qui, nel qual caso uno vorrebbe togliersi di mezzo. Uno gradirebbe un piccolo preavviso.

Ma se ci spostiamo fuori, su Giove, sono 40 minuti di distanza. Un problema. Sentite parlare di Marte, beh le comunicazioni verso Marte sono un problema perche' la luce ha bisogno di diverso tempo per arrivarci. Ma se vi spostate sul piu' vicino gruppo di stelle, sulle piu' vicine 40 o 50 stelle, siamo gia' a 10 anni di distanza. Cosi' che se ne scattate una foto, cio' che vedete risale a 10 anni fa. E poi andate ad osservare il centro della galassia, li' si parla di migliaia di anni fa. Se prendete Andromeda, che e' la piu' vicina delle grandi galassie, siamo a due milioni di anni fa. Se fosse possibile scattare una foto della Terra di due milioni di anni fa, non ci sarebbe traccia alcuna di umani, dato che riteniamo non vi fossero ancora umani allora. Voglio dire, questo vi da' un'idea delle proporzioni. Con il telescopio spaziale Hubble riusciamo a spingerci a distanze che vanno dalle centinaia di milioni al miliardo di anni fa.

Ma se fossimo in grado di trovare il modo per guardare ancora piu' in la' -- ci sono cose da osservare ancora piu' lontane, e a questo ho dedicato molto del mio lavoro, a sviluppare le tecniche -- spingere le nostre osservazioni ancora piu' indietro ad epoche antecedenti la comparsa delle stelle e delle galassie, risalenti a quando l'universo era molto caldo, denso, e molto diverso. E quindi questa e' pressappoco la sequenza, e ne ho una rappresentazione piu' artistica. Qui nel mezzo c'e' la galassia, che e' la Via Lattea, intorno a cui ci sono le galassie di Hubble -- quelle vicine, per intenderci, e queste sfere sono a demarcare le diverse epoche. Dietro a cui vi sono altre galassie piu' giovani.

Vedete ora il quadro della situazione per intero? L'inizio del tempo e' una cosa peculiare -- sta fuori da questi margini, d'accordo? C'e' poi una parte dell'universo che non siamo in grado di vedere poiche' e' cosi' densa e cosi' calda che la luce non ne puo' fuoriuscire. Allo stesso modo in cui non si riesce a vedere al centro del Sole, si devono utilizzare altre tecniche per capire che cosa succede dentro il Sole. Ma si riesce a vedere il contorno del Sole, e l'universo va in quella direzione, come pure si riesce a vedere. Vedete poi questa specie di area modellata qui nella parte esterna, quella rappresenta la radiazione derivante dal Big Bang, che di fatto e' sorprendentemente uniforme. L'universo e' una sfera pressoche' perfetta, ma ci sono queste infinitesime variazioni che vengono mostrate qui in maniera molto amplificata. E seguendo la sequenza temporale, ci spostiamo da queste piccolissime variazioni a queste galassie irregolari e stelle primordiali fino a queste galassie piu' sviluppate, per arrivare al sistema solare, e cosi' via.

Dunque si tratta di un grande disegno, ma andremo a scoprire in che modo succedono queste cose. Allora, riguardo il modo in cui furono effettuate queste misurazioni, c'era un gruppo di satelliti a disposizione, e questo e' quanto si riesce a vedere. Fu dunque attraverso il satellite COBE, lanciato nel 1989, che potemmo scoprire queste variazioni. In seguito, nel 2000, fu lanciato il satellite MAP -- il WMAP -- con cui si riusci' ad ottenere immagini migliori. E piu' tardi quest'anno -- questo e' il modello avanzato, segreto, quello che possiede degli elementi di design davvero notevoli, osservate -- verra' lanciato il satellite Planck, il quale sara' in grado di generare mappe ad alta risoluzione. Su cio' si basera' la sequenza che ci aiutera' a comprendere i momenti iniziali dell'universo.

Cio' che abbiamo fin qui rilevato sono queste variazioni, che ci hanno rivelato segreti sia sulla struttura dello spazio-tempo, che su cio' che l'universo contiene, e su come l'universo prese forma nelle sue fasi iniziali. E abbiamo questa immagine, che e' un'immagine davvero spettacolare, e qui ritorno agli inizi, dove abbiamo qualche misterioso iniziale processo per il quale l'universo comincia. E procediamo poi per un periodo di espansione in continua accelerazione, e l'universo si espande e si raffredda fino a divenire trasparente, per poi passare per un periodo di oscurita', fino all'apparire delle prime stelle, che si evolvono poi in galassie, e in seguito in galassie piu' estese. E il sistema solare comincio' a formarsi piu' o meno intorno a questo periodo. E sta ancora maturando ai nostri giorni. Ci sono alcune cose spettacolari. E questa parte dalla forma di cestino, rappresenta come la struttura dello spazio-tempo si comporta durante questo periodo. Dunque, si tratta di un modello abbastanza strano, giusto? Che tipo di prova abbiamo che lo confermi?

Allora, lasciate che vi mostri alcuni delle strutture che esistono in natura e che risultano da questo processo. Io penso sempre allo spazio-tempo come alla vera sostanza del cosmo, mentre stelle e galassie sono come la schiuma dell'oceano. Indicatori di dove si trovano le onde piu' interessanti, e di cio' che e' successo. Allora, questa e' la mappatura digitale Sloan del cielo che mostra la posizione di un milione di galassie. A ciascun punto qui corrisponde una galassia. Il telescopio viene puntato verso il cielo, e se ne scatta una foto, si identificano e si scartano le stelle, per guardare invece alle galassie, stimare la loro distanza, e riprodurle in un grafico, e che sistemate radialmente, si allontanano dal centro. Poi vedete queste strutture, questa che chiamiamo il Grande Muro, ma ci sono anche vuoti e cose del genere, e le immagini poi si dissolvono perche' la risoluzione del telescopio non e' abbastanza elevata.

Ora vi mostro la stessa immagine in 3D. Funziona cosi', si scattano delle foto mentre la Terra ruota, e si ottiene una sequenza a ventaglio del cielo. Alcune zone non sono osservabili a causa della nostra galassia, o perche' non abbiamo a disposizione telescopi che lo consentano. La prossima immagine vi mostra la versione tridimensionale, in rotazione. Vedete come le immagini sono disposte a ventaglio nel cielo? Tenete a mente che ogni punto e' una galassia, e cio' che vedete sono le galassie, per cosi' dire, del nostro vicinato, e vi rendete conto della struttura. E questa conformazione che chiamiamo il Grande Muro, e di nuovo, ne vedete la complessa struttura, e questi vuoti. Ci sono punti dove non ci sono galassie, e punti invece dove ce ne sono a migliaia ammassate insieme. Quindi, si tratta di una struttura interessante, ma qui non ci sono dati a sufficienza per riuscire a vederne la ripetitivita'. Qui sono rappresentate solo un milione di galassie, giusto? Quindi, e' come se tenessimo un milione di palle in aria ma che cosa succede in realta'? C'e' un altro rilevamento molto simile a questo chiamato rilevamento galattico di spostamento verso il rosso a campo visivo di due gradi.

Andiamo ora ad attraversarlo a velocita' di un milione di warp. Ogni volta che si incontra una galassia -- una galassia alla posizione del rilevatore -- e se abbiamo informazioni su quella galassia, come si da' il caso, visto che ne misuriamo lo spostamento verso il rosso eccetera, si inserisce in quel punto il tipo di galassia con il proprio colore, quindi se ne ha la rappresentazione reale. Quando invece si e' nel mezzo delle galassie e' difficile rilevare la struttura; e' come quando si e' in mezzo alla vita. E' difficile vedere la struttura stando nel mezzo del pubblico e' difficile vederne la disposizione. Allora ne usciamo e ci voltiamo ad osservare da una certa distanza. E dapprima vedrete la struttura di questo rilevamento, per poi cominciare a vedere la struttura delle galassie che vediamo la' fuori. Di nuovo, quindi, vedete comparire qui l'estensione di questo Grande Muro di galassie

Ma vedete anche i vuoti, vi rendete conto della complessita' della struttura, e vi chiedete, beh, e come e' accaduto tutto questo? Ipotizzate di essere voi il progettista dell'universo Come pensereste di disporre le galassie in questa maniera? Non si tratta semplicemente di gettarle la' fuori a caso. C'e' un processo molto piu' complesso dietro. Come pensereste di arrivarci? Dunque, ci mettiamo di fronte ad una sfida molto seria. E cioe', dobbiamo seriamente provare a fare la parte di Dio, non per cambiare la vita delle persone, ma per costruire l'universo. Quindi, se ci assumiamo questa responsabilita', come intendiamo procedere? Che tipo di tecnica utilizzare? Che cosa abbiamo in mente di fare?

Vi mostro allora i risultati di una simulazione su scala molto grande di come pensiamo sia strutturato l'universo, utilizzando sostanzialmente alcuni di quei criteri di azione e progetto cui gli essere umani sono giunti solo dopo molto intenso lavoro ma che a quanto pare la natura da sempre conosce. Cio' e' a dire, si comincia con ingredienti molto semplici e regole molto semplici, ma ci devono essere ingredienti a sufficienza per rendere poi la cosa complessa. E poi si aggiunge della casualita', delle fluttuazioni e della variabilita', e si generano tutta una serie di diverse rappresentazioni.

E allora vi mostro adesso la distribuzione della materia in funzione di scala di misura. Andiamo ad ingrandire, ma questo ne rappresenta l'essenza. E dovemmo aggiungere un altro elemento per rappresentare correttamente l'universo. Questo elemento si chiama materia oscura. E' un tipo di materia che non interagisce con la luce nel modo che e' invece tipico della materia ordinaria, quel modo per cui la luce si riflette ora su di me o sul palco. Quella oscura e' trasparente alla luce, ma affinche' riusciate a vederla, la coloriamo bianca, d'accordo? Quindi tutto cio' che in questa immagine e' bianco rappresenta materia oscura. Dovrebbe essere chiamata materia invisibile, anche se qui l'abbiamo resa visibile. Quello che invece vedete di colore giallo, quella e' materia ordinaria che si e' costituita in stelle e galassie.

Allora vi mostro il prossimo filmato. Allora qui -- facciamo un ingrandimento. Notate questa struttura, e prestatevi attenzione. Continuiamo ad ingrandire e ingrandire. E vedete che compaiono tutti questi reticoli e strutture e vuoti. E quando un certo numero di reticoli confluiscono in un nodo, a quel punto corrisponde un vasto aggregato di galassie. Questo che andiamo ora ad ingrandire rappresenta qualcosa tra centomila e un milione di galassie, in quel minuscolo spazio. Quindi noi viviamo sperduti nella vastita'. Non viviamo al centro del sistema solare, non viviamo al centro della galassia e la nostra galassia non e' al centro di questo aggregato.

Continuiamo ad ingrandire. Questa regione contiene piu' di centomila, ci sono qualcosa come un milione di galassie in quella regione. E continuiamo ad ingrandire. Mi sono scordato di dirvi qual'e' la scala di misura. Un parsec sono 3.26 anni luce. Quindi un gigaparsec corrisponde a tre miliardi di anni luce -- questa e' la scala. Quindi la luce impiega tre miliardi di anni per coprire questa distanza. Qui siamo ad una distanza, questa piu' o meno tra qui e qui. Che corrisponde alla distanza tra noi ed Andromeda, d'accordo? Questi puntini che vedete qui sono galassie

Ora torniamo a rimpicciolire indietro e potete vedere questa struttura che, una volta lontani a sufficienza, appare molto regolare, ma che in realta' consiste di molte irregolari alterazioni. Variazioni che ne sono i componenti di base. Si inizia con un mezzo fluido molto semplice. Il quale contiene materia oscura, materia ordinaria, fotoni, e neutrini i quali non avranno un ruolo importante nell'universo che seguira'. E non e' altro che un semplice fluido, che nel tempo si evolve in questa struttura cosi' complessa. Ora capite, anche se al primo impatto questa foto non vi diceva granche'. Qui stiamo osservando appena un uno percento del volume dell'universo visibile eppure gia' vedete miliardi di galassie, e nodi, ma che non rappresentano nemmeno la struttura principale. C'e' un reticolato costituito dalla materia oscura, la materia invisibile, che e' la' a tenere insieme l'intero sistema.

Allora saltiamoci dentro, a vedete subito quanto piu' difficile sia rendersi conto di questa struttura osservando dall'interno. E qui, ecco lo stesso risultato. Vedete un filamento, le zone chiare sono materia invisibile, mentre quelle gialle sono stelle e galassie. Voliamoci intorno, continuiamo a volare, e ogni tanto noteremo un paio di filamenti che si intersecano, generando un vasto aggregato di galassie. E andiamo ad avvicinarci a questo aggregato molto grande, e potete vedere come si presenta. E vedete come dall'interno non sembri molto complicato, vero? Solo quando lo si osserva su scala molto piu' ampia e lo si studia e cosi' via, ci si rende conto di come sia una struttura molto intricata e complessa, giusto? E in qualche modo si e' evoluta.

Quindi la domanda e' quanto difficile sarebbe mettere insieme una cosa del genere? Che razza di squadra di operai vi servirebbe per mettere insieme questo universo? Questa e' la questione, giusto? E quindi eccoci qui. Vedete come questo filamento -- come questi vari filamenti si intersechino a formare questo aggregato di galassie. Dovete inoltre rendervi conto che non vi apparirebbe cosi' se voi -- innanzitutto non siamo in grado di viaggiare a quella velocita', tutto apparirebbe distorto, queste sono solo rappresentazioni grafiche generate al computer, Solo se aveste miliardi di anni a disposizione per viaggiare nel cosmo, solo in tal caso e' cosi' che vi apparirebbe. E solo se poteste vedere anche la materia invisibile.

Quindi ci chiediamo, capite, come si potrebbe costruire l'universo in un modo molto semplice? Cominciamo oggi a comprendere che l'intero universo visibile, tutto cio' che riusciamo a vedere attraverso il telescopio spaziale Hubble e le altre strumentazioni, era inizialmente contenuto in uno spazio piu' piccolo di un atomo. Inizio' con minuscole fluttuazioni quantomeccaniche, ma espandendosi a velocita' incredibile. E quelle fluttuazioni si estesero su scala astronomica, e quelle fluttuazioni sono infine cio' che rileviamo nella radiazione cosmica di fondo. E poi ci fu bisogno di qualche processo per trasformare le fluttuazioni in galassie e in aggregati di galassie, e per propagare questo tipo di strutture.

Vi mostro allora una simulazione su scala piu' ridotta. Questa simulazione ha richiesto l'impiego di 1,000 processori per un mese per ottenere questa semplice rappresentazione. Ve ne mostro una nella prossima immagine che si puo' ottenere in due giorni da un normale desktop. Si comincia con minuscole fluttuazioni quando l'universo era a questo punto, poi quattro volte piu' piccolo, e cosi' via. E si vede che questi reticoli, questo reticolato di struttura cosmica comincia a formarsi. E questo e' un caso semplice perche' non contiene materia ordinaria ma solo materia oscura. E potete vedere come la materia oscura si raggrumi, e la materia ordinaria semplicemente segua a pari passo. Quindi, ecco qui. All'inizio tutto e' molto uniforme. Le fluttuazioni rappresentano una parte su centomila Con alcuni picchi che corrispondono a una parte su diecimila e nel corso di miliardi di anni, la forza di gravita' esercita la sua azione.

Questo indica il rapporto luce-densita', e aggrega la materia d'intorno. Continua ad aggregare altra materia d'intorno. Ma le distanze nell'universo sono talmente grandi, cosi' come le scale temporali, che formare questa struttura richiede un lungo tempo. La quale continua a formarsi fino a che l'universo raggiunge piu' o meno le dimensioni attuali, in termini di espansione. E a quel punto, l'universo comincia misteriosamente ad accelerare la propria espansione, e a ridurre la formazione di queste strutture piu' grandi. E quindi stiamo vedendo la struttura di massima dimensione possibile, dove solo elementi che hanno gia' cominciato a formarsi si possono formare e continuare il loro processo da li' in poi.

Siamo dunque in grado di effettuare la simulazione, anche se questa ha richiesto solo due giorni su un desktop. Capite invece che sono necessari 30 giorni e mille processori per ottenere il tipo di simulazione che vi ho mostrato prima. Ci siamo pertanto fatti un'idea piuttosto seria di come creare l'universo in pratica cominciando con meno di una goccia di materiale, e da li' creare tutto cio' che vediamo in ogni direzione partendo da quasi nulla -- da qualcosa di estremamente minuscolo, estremamente piccolo -- che e' pressoche' perfetto, eccetto che per queste minuscole fluttuazioni al livello di una parte su centomila, che finiscono con il generare questi interessanti motivi e strutture che vediamo, cioe', galassie e stelle e cosi' via.

Abbiamo dunque un modello che possiamo calcolare ed usare per generare delle visualizzazioni di come riteniamo l'universo si presenti. Un modello che va in un certo modo oltre l'idea che originariamente ne potevamo avere. Abbiamo cominciato questi studi 15 anni fa, con l'esploratore di fondo cosmico -- ne ottenemmo la mappa in alto a destra, che ci indicava essere presenti delle fluttuazioni su larga scala, in realta' fluttuazioni su diverse scale. E riuscite piu' o meno a vederlo qui. Poi fu introdotto il WMAP, che consentiva risoluzioni angolari piu' elevate. Vediamo la stessa struttura di grande dimensione, ma in piu' riusciamo a rilevare una struttura di scala inferiore. E in basso a destra, come se il satellite si fosse capovolto, una mappatura della Terra, che tipo di mappa della Terra ne avremmo ottenuto. Potete vedere, in certo modo distinguere qui tutti i continenti, ma questo e' quanto, in sostanza.

Speriamo con l'avvento del satellite Planck di ottenere una risoluzione piu' o meno pari alla risoluzione della Terra che vedete li', dove si riesce a distinguere chiaramente la struttura complessa che c'e' sulla Terra E si riesce anche anche a dedurre, grazie a questi contorni nitidi e alla maniera in cui il tutto sta insieme, che vi sono processi non lineari in corso. La geologia causa questi effetti, attraverso i movimenti tettonici e via dicendo. Si riesce a distinguere il fenomeno gia' dalla mappa. Vogliamo arrivare ad avere delle mappature dell'universo primordiale dove poter stabilire se vi siano processi non lineari che stanno avendo luogo, o si stanno modificando, e che ci indichino come lo spazio-tempo in se' venne a crearsi negli istanti iniziali. Ad oggi siamo arrivati fin qui, e ho cercato di darvene un'idea. Darvi una prospettiva diversa su come si presentino la struttura e tutto il resto dell'universo. Grazie. (Applauso)