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Alla gravità basta la massa

Vediamo, allora, cosa s’inventa la buona fata chiamata gravità. Essa dipende dalla distanza tra gli atomi (nel senso che si indebolisce velocemente per distanze crescenti) e dalla loro massa. Più la massa è grande è più la forza si fa sentire. Gli atomi sono piccoli e la loro massa è altrettanto piccola, ma esiste, dato che essi sono i primi e unici esempi di materia che popolano il Cosmo.

Sono anche tantissimi e relativamente vicini per la gravità. Tanto vicini da far scattare una mutua attrazione. Possiamo immaginarci il momento straordinario in cui i primi due atomi si sono uniti tra loro, e poi altri due e così via in ogni zona dell’Universo. Due atomi uniti hanno più massa di uno soltanto e la loro forza di gravità riesce ad attrarne un altro e poi un altro ancora. E più la massa cresce e più atomi vengono raccolti, come se si stesse usando un… aspirapolvere.

A questo punto, facciamo una precisazione molto importante e più tecnica. Gli atomi non sono distribuiti in modo ordinato e omogeneo. Fosse così, nemmeno la gravità riuscirebbe a fare qualcosa. Fortunatamente, vi sono zone in cui ve ne sono di più e più vicini, regioni più dense, dove la gravità riesce a lavorare con maggiore velocità e facilità. Sono i nuclei in cui sorgeranno le immense galassie, che già si intuiscono in quella breve luce che l’Universo ha mandato verso il futuro prima che tutto si addormentasse. Oggi la chiamiamo rumore cosmico di fondo, appena percettibile a causa del suo lunghissimo viaggio fino a noi, ma pensiamola come la prima e ultima luce (e informazione) che proviene dai luoghi dove la gravità, in un buio completo, riesce a mettere insieme il maggior numero di atomi e a far “rinascere” l’Universo.

Non ci vuole poi molto a farlo rinascere, basta ionizzare di nuovo gli atomi, ossia strappargli gli elettroni e dare il via nuovamente all’emissione dell’energia luminosa. Cose queste che vedremo molto meglio in seguito, ma che rappresentano l’essenza del nuovo Universo, ciò che ci ha permesso di nascere e di ammirarlo e analizzarlo. L'Universo rinasce grazie alla voglia di movimento degli irrequieti elettroni! Che migliore legame ci può essere tra l'infinitamente piccolo e l'infinitamente grande?

Le condizioni sono cambiate

E’ doveroso fare una precisazione. Abbiamo visto che la prima luce dell’Universo è stata anche l’ultima, prima del periodo del grande buio, dovuto alla presenza di soli atomi neutri. Perché la prima, però? All’inizio violento del Cosmo, si è, teoricamente, in condizioni ideali, dato che tutti gli atomi sono ancora ionizzati. Gli elettroni sono liberi di muoversi, di accelerare e di rallentare. Producono fotoni, ossia la luce, che dovrebbe dominare su tutto e tutti  e invece… è un periodo che non possiamo vedere. Purtroppo, lo spazio è ancora troppo piccolo e l’energia luminosa, lanciata dagli elettroni che vagano in questo oceano di particelle a stretto contatto tra loro, non riesce a districarsi.

Sbatte a sinistra, rimbalza a destra e via dicendo. In poche parole rimane intrappolata e può uscire allo scoperto solo quando gli elettroni, finalmente, si uniscono ai nuclei. Qualcuno potrebbe chiedere: “Perché, allora, si è dovuto aspettare che gli atomi si ionizzassero di nuovo, quando abbiamo visto che si creava la luce, ma che essa veniva bloccata completamente?”.

La ragione è semplice: lo spazio è ormai molto più grande e la materia si è concentrata in zone particolari. Una volta uscita da una stella (e poi dalle nubi e dalle galassie) la luce è libera di viaggiare senza trovare più ostacoli verso noi che la osserviamo. E’ riuscita a farsi strada con un sistema “a staffetta” (come vedremo tra poco) attraverso le nubi di materia spesse e dense sì, ma non certo come l’Universo primitivo. La luce è ancora abbastanza “forte” e viva per proseguire lungo strade prive di veri ostacoli. Ogni tanto viene assorbita da qualche corpo; viene riemessa e cambia strada; altri riescono a deviarla soltanto; la maggior parte, però, è in grado di raggiungere tutto il Cosmo e portare ovunque il suo unico e preziosissimo messaggio, con le informazioni sul luogo dove si è formata.

Cerchiamo di vedere la luce proprio come un intricato sistema di comunicazione, l’unico che permette di far conoscere i luoghi di partenza. Una rete informatica enorme e perfettamente funzionante. Basta solo saper interpretare i codici che è costretta a usare (i messaggeri della luce sono molto, molto piccoli e devono compattare al massimo l’informazione…).

Appurato, quindi, che la ionizzazione è adesso utilissima non ci resta che ottenerla. Una cosa, però, è il dire e un’altra è il fare. La gravità da sola lavora molto bene in questa specie di battaglia contro la monotonia ma, come in tutte le battaglie, ha bisogno di un avversario degno di lei. E se lo crea, praticamente, da sola.

Una battaglia contro se stessa

Mentre la gravità agisce e avvicina sempre più milioni, miliardi, miliardi di miliardi di atomi, questi tentano di ribellarsi al loro “schiacciamento”. E come se troppe persone entrassero in un vagone di una metropolitana, senza che il flusso di viaggiatori diminuisca. L’unico modo di reagire é cercare di farsi largo, di agitarsi attraverso spinte e urti. In poche parole, di contrastare, con il movimento continuo, l’ingresso di altre persone in uno spazio ormai quasi saturo. Analogamente gli atomi, agitandosi sempre di più, esercitano una pressione che contrasta l’arrivo di nuovi atomi spinti dalla gravità reciproca.

Si è ormai creato, all’interno di una nube densa di materia gassosa, fatta di idrogeno e di elio, un nucleo centrale che è soggetto a una compressione terribile da ogni parte. Gli atomi di questo nucleo sono in movimento frenetico, l’unico metodo che hanno per opporre resistenza alla gravità.

In qualche modo, stanno reagendo come possono e tutto ciò che permette di agire prende il nome di energia (in realtà, definire energia è una delle cose più difficili anche per gli addetti ai lavori). In questo caso è energia di movimento e prende il nome di energia cinetica delle particelle coinvolte nella lotta per resistere alla gravità. E’ una situazione abbastanza peculiare: la gravità spinge gli atomi a unirsi per rompere la monotonia dell’Universo, ma gli stessi atomi cercano di non essere schiacciati in un abbraccio che potrebbe disintegrarli del tutto. Sì, la gravità è una magnifica “fata”, ma non sa dosare la propria “forza”: una vera fortuna per il Cosmo e i suoi attori principali.

L’energia cinetica E_C si quantifica abbastanza bene dato che dipende dalla massa della particella e dal quadrato della velocità acquisita. Possiamo anche scriverla facilmente secondo una formula matematica:

E_C = 1/2 mv²

Più la massa cresce, più si agita e meglio si oppone alla gravità che tende a farla sprofondare verso il centro del nucleo ultra affollato. Questa è l’energia che le particelle contrappongono a quella gravitazionale, che dipende essenzialmente dalla posizione della particella rispetto al centro della nube che la sta attirando verso di lei con una massa sempre crescente. Un'energia che può chiamarsi potenziale, in quanto esiste "in potenza" e dipende solo dalla posizione che assume chi la possiede.

Un teorema per descrivere una pace sempre in bilico

Una lotta titanica che porta a un equilibrio descritto da un teorema che è un po’ come il “prezzemolo” per una moltitudine di fenomeni fisici: il teorema del viriale. Esso dice che l’equilibrio si ottiene quando l’energia potenziale è uguale al doppio dell’energia cinetica delle particelle. Teniamo sempre presente che le due energie non nascono separate, ma sono forme diverse della stessa “cosa”. La forza di gravità tende a far collassare la nube verso il centro e, come conseguenza, nasce l’agitazione che cerca di bilanciarla. Se non ci fosse la gravità non nascerebbe nemmeno l’agitazione delle particelle. L'energia non può sparire o distruggersi, può solo trasformarsi.

Raggiunto questo equilibrio possiamo dire che la battaglia è finita? Nemmeno per sogno! La pace si mantiene attraverso un’opera continua di mediazione. La massa raggiunta dalla nube che evita il collasso continua a crescere e di conseguenza deve crescere anche il movimento delle particelle che evitano la catastrofe. L’equilibrio è frutto di una lotta continua. Basterebbe poco a romperlo. Se vincesse la gravità le particelle sarebbero schiacciate oltre ogni limite di resistenza e gli stessi nuclei atomici sarebbero distrutti. Se gli atomi si agitassero troppo, la nube esploderebbe rilanciando indietro tutte le particelle compresse. E’ ora di chiamare l’energia cinetica delle particelle con un altro nome, molto più comune e utile per lo scopo della nostra avventura: energia termica. In poche parole, quando aumenta l’energia cinetica aumenta la temperatura del gas che sta subendo la gravità.

Il teorema del viriale può essere enunciato in un altro modo: si raggiunge l’equilibrio quando l’energia dovuta alla gravitazione si trasforma in energia termica. Anzi, è sufficiente che l’energia termica sia uguale alla metà dell’energia gravitazionale. In parole povere, solo la metà dell’energia gravitazionale serve a scaldare il gas. Cosa succede all’altra metà? Non può certo sparire, dato che l’energia può solo trasformarsi. Bene, nessun problema, viene rilanciata verso lo spazio esterno. Sì, è proprio quella di cui abbiamo bisogno per accorgersi che sta nascendo una stella: l’energia luminosa (meglio ancora elettromagnetica). Questo è il segnale che l’agitazione del gas ha creato la luce, ossia gli atomi si sono nuovamente ionizzati, dando via libera agli elettroni e ai loro figli, i fotoni.

L’Universo sta rinascendo e questa fase prende proprio il nome di fase di reionizzazione.

Possiamo tirare un sospiro di sollievo: le stelle si stanno formando e la luce, nuovamente creata, è stata lanciata verso lo spazio.

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