Capitolo 7: I primi minuti

Notte 70: La macchina dell’acqua

Il giorno 70 fu una giornata di manutenzione. Nel programma che la Terra inviava ogni mattina, il compito principale di Noor aveva un nome semplice: sostituire un filtro nel sistema di recupero dell’acqua. Su una stazione spaziale, l’acqua è troppo preziosa per sprecarla. È pesante da mandare su dalla Terra, così la stazione raccoglie quasi ogni goccia possibile e la pulisce più e più volte. Il vapore acqueo che l’equipaggio espira e il sudore che lascia la pelle vengono recuperati dall’aria. L’acqua usata per lavarsi viene raccolta. Perfino l’urina viene raccolta, depurata e trasformata di nuovo in acqua da bere.

Noor si era allenata per questo lavoro molte volte sulla Terra, su una copia della macchina. Sulla stazione le ci volle quasi tutta la mattina. Chiuse le valvole nell’ordine giusto, controllò i valori della pressione, aprì un pannello e sfilò il vecchio filtro. Ogni parte libera veniva legata o tenuta in una sacca. Ade fluttuava lì vicino con la lista di controllo e leggeva ad alta voce ogni passaggio prima che lei lo eseguisse, e Noor glielo ripeteva. Sulla Terra questo potrebbe sembrare lento. In orbita è il modo per evitare gli errori.

Quando il nuovo filtro fu al suo posto, la macchina eseguì i suoi test. Una fila di piccole luci diventò verde, una dopo l’altra. Le squadre a terra seguivano gli stessi valori sui loro schermi e confermarono che tutto sembrava normale. Noor annotò l’ora nel registro e mise il vecchio filtro in una sacca, da caricare su una nave cargo e portare via in seguito.

A pranzo riempì la sua sacca per bere con l’acqua della stazione e la sollevò verso la luce. L’acqua era perfettamente limpida. Non sapeva di niente, che è esattamente il sapore che deve avere l’acqua buona. Tomás alzò la sua sacca e disse, come faceva ogni volta che qualcuno riparava la macchina dell’acqua, che il caffè di ieri era diventato il caffè di oggi. Ade disse che non era una frase a cui voleva pensare mentre mangiava.

Quella sera Sami scrisse che aveva passato tutta la notte a scaricare casse di acqua in bottiglia in un supermercato, e che era contento che nessuno gli chiedesse di bere la stessa acqua due volte. Noor gli rispose che, in un certo senso, tutti sulla Terra bevono acqua già usata prima, da nuvole, fiumi, piante e animali, da miliardi di anni. E poi pensò ancora più indietro, a da dove venisse l’acqua stessa. Una molecola d’acqua è fatta di due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. L’ossigeno ha una storia sua, che sentiremo in una notte successiva. Ma l’idrogeno di ogni goccia d’acqua è molto più antico. Viene dai primi minuti dell’universo.

I mattoni più piccoli

Nella notte precedente abbiamo incontrato la luce più antica, liberata quando l’universo aveva circa 380.000 anni. Stanotte andiamo molto più indietro, a un’epoca in cui l’universo aveva solo pochi minuti. Per capire che cosa accadde allora, dobbiamo sapere qualcosa su che cosa sono fatti gli atomi. Le parole possono essere nuove, ma l’idea è semplice, come imparare le parti di una macchina prima di ripararla.

Ogni atomo ha un minuscolo centro chiamato nucleo. Intorno al nucleo ci sono particelle ancora più minuscole chiamate elettroni. Il nucleo stesso è fatto di due tipi di particelle. I protoni hanno una carica elettrica positiva. I neutroni non hanno alcuna carica, ed è da qui che viene il loro nome. Protoni e neutroni pesano quasi lo stesso, ed entrambi sono molto più pesanti di un elettrone.

È difficile immaginare quanto sia piccolo un nucleo. Un paragone che gli insegnanti usano spesso è questo. Se un atomo intero fosse grande come un enorme stadio, il suo nucleo avrebbe più o meno le dimensioni di un piccolo pisello al centro del campo. Gli elettroni sarebbero da qualche parte lontano, sugli spalti. Quasi tutto il peso dell’atomo si trova in quel minuscolo pisello al centro.

Il numero di protoni nel nucleo decide di che tipo di atomo si tratta. Un atomo con un protone è idrogeno. Un atomo con due protoni è elio. Un atomo con sei protoni è carbonio, e un atomo con otto protoni è ossigeno. Ognuno di questi tipi fondamentali di atomo si chiama elemento. I neutroni aggiungono peso e aiutano a tenere unito il nucleo, ma non cambiano l’elemento.

Il nucleo più semplice di tutti è un singolo protone da solo. È il nucleo dell’idrogeno comune. Un nucleo di elio è più complicato. È fatto di due protoni e due neutroni, stretti saldamente insieme. Per costruire un nucleo di elio bisogna avvicinare moltissimo protoni e neutroni, così tanto che una forza molto intensa all’interno del nucleo riesca ad afferrarli. In condizioni normali questo non accade quasi mai, perché i protoni si respingono a vicenda con le loro cariche elettriche. Servono un calore e una pressione enormi per costringerli a unirsi.

Nei primi istanti dell’universo non c’erano ancora atomi né nuclei. C’era solo una miscela calda di protoni liberi, neutroni liberi, elettroni, luce e altre minuscole particelle, tutti in movimento velocissimo. Faceva troppo caldo perché qualcosa restasse unito. Ogni volta che un protone e un neutrone si univano, il calore li separava di nuovo quasi subito. L’universo era come una cucina così calda che nessun impasto avrebbe mai potuto lievitare, perché tutto bruciava nel momento stesso in cui veniva mescolato.

Una breve finestra per costruire

Mentre l’universo si espandeva, si raffreddava. Dopo pochi minuti raggiunse una temperatura a cui protoni e neutroni potevano finalmente restare uniti. Quella temperatura era ancora molto più alta di quella del centro del Sole oggi, ma non era più troppo alta. Per un breve periodo, l’intero universo diventò un luogo in cui si potevano costruire nuclei leggeri. Protoni e neutroni si unirono in coppie, le coppie si unirono in nuclei di elio, e fu prodotta anche una piccolissima quantità di un elemento un po’ più pesante, il litio.

Questa finestra non rimase aperta a lungo. L’universo continuò a espandersi e a raffreddarsi. Entro circa i primi venti minuti, la temperatura e la densità erano scese così tanto che la costruzione si fermò. Ora le particelle erano troppo sparse e troppo lente per incontrarsi con forza sufficiente. Ciò che era stato prodotto fino a quel momento era il materiale con cui l’universo doveva lavorare. Per molti milioni di anni dopo, finché non cominciarono a brillare le prime stelle, non fu prodotto nessun nuovo elemento.

Forse ti chiedi come si possa conoscere la temperatura dell’universo quando aveva pochi minuti. Il ragionamento è più semplice di quanto sembri. Gli astronomi sanno quanto velocemente si espande l’universo oggi e quanto è calda oggi la luce più antica. Quando l’universo era più piccolo, la stessa luce era compressa in uno spazio più piccolo, quindi era più calda, in un modo semplice e ben compreso. Facendo scorrere il film all’indietro con queste regole, i fisici possono calcolare quanto era caldo l’universo in ogni momento, fino ai primi minuti.

C’era un altro motivo per cui il tempo era poco. Un neutrone da solo, fuori da un nucleo, non dura a lungo. In circa un quarto d’ora, in media, un neutrone libero si trasforma in un protone. Così i neutroni continuavano a sparire lentamente. Gli unici neutroni che potevano sopravvivere erano quelli che venivano incorporati nei nuclei di elio. Potresti paragonarlo a un forno in cui il lievito perde lentamente la sua forza. Il fornaio deve usarlo in fretta, altrimenti non servirà più.

Quando la costruzione si fermò, i neutroni erano molto meno numerosi dei protoni. In modo approssimativo, c’era un neutrone ogni sette protoni. Questo numero decide il risultato. Immagina sedici particelle: due neutroni e quattordici protoni. I due neutroni si uniscono a due protoni per formare un nucleo di elio, che in tutto conta quattro particelle. Gli altri dodici protoni restano soli, come dodici nuclei di idrogeno. Così, in peso, quattro parti su sedici sono elio, cioè un quarto. Gli altri tre quarti sono idrogeno.

Questa è la previsione dei primi minuti: in massa, circa tre quarti di idrogeno e circa un quarto di elio, con minuscole tracce di un tipo più pesante di idrogeno e di litio. Centinaia di migliaia di anni dopo, quando l’universo si raffreddò ancora e gli elettroni si sistemarono intorno a questi nuclei, si formarono i primi atomi. Erano gli atomi della nebbia luminosa, la nebbia che si diradò e liberò la luce più antica.

Due storie che si incontrarono

Qui c’è un bellissimo incontro tra due storie. La prima è la storia della previsione. Nel 1948 George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman, che abbiamo incontrato nella notte precedente, calcolarono come un universo giovane, caldo e denso potesse costruire nuclei leggeri nei suoi primi minuti. Negli anni seguenti altri fisici migliorarono i calcoli, usando misure più precise di come si comportano protoni e neutroni. Ci vollero molti anni per mettere a punto i dettagli del loro lavoro, ma il risultato principale rimase lo stesso: l’universo giovane doveva aver prodotto soprattutto idrogeno e circa un quarto di elio.

La seconda storia era cominciata ancora prima, con una giovane donna di nome Cecilia Payne. Negli anni Venti era una studentessa che lavorava in un osservatorio, studiando la luce delle stelle. Nella notte delle galassie che si allontanano abbiamo visto che la luce si può aprire in uno spettro, una fascia di colori attraversata da righe scure. Ogni elemento lascia il proprio schema di righe. Per molto tempo gli astronomi avevano dato per scontato che, poiché lo spettro del Sole mostrava righe del ferro e di molti altri elementi, il Sole dovesse essere fatto più o meno delle stesse cose della Terra.

Payne usò idee nuove della fisica per capire come la temperatura di una stella cambi lo schema delle sue righe. Quando ne tenne conto, arrivò a una conclusione sorprendente. Le stelle sono fatte soprattutto di idrogeno e di elio. Gli elementi più pesanti ci sono, ma solo in piccole quantità. Completò questo lavoro nel 1925. All’epoca l’idea sembrava così improbabile che un astronomo anziano e rispettato la convinse a scrivere che il suo risultato probabilmente non era reale. Qualche anno dopo, altri astronomi, compreso quello stesso astronomo anziano, arrivarono alla stessa conclusione per altre strade. Payne aveva ragione.

Vale la pena pensare per un momento alla posizione di Payne. Era giovane, era una donna in un campo in cui a poche donne era permesso fare un lavoro del genere, e il suo risultato andava contro ciò che credevano quasi tutti. Molte persone al suo posto avrebbero lasciato perdere l’idea. Lei non abbandonò il lavoro. Fu scrupolosa, lo pubblicò, e le prove erano lì perché altri le verificassero. Oggi il suo risultato è uno dei fondamenti dell’astronomia.

Metti insieme le due storie, e compare qualcosa di straordinario. I fisici si chiedevano che cosa avrebbero dovuto produrre i primi minuti. Gli astronomi misuravano di che cosa sono fatti davvero le stelle e le nubi di gas. Entrambe le risposte indicano la stessa cosa: un universo fatto soprattutto di idrogeno, con circa un quarto di elio. Quando gli astronomi misurano le nubi di gas più antiche e le stelle più antiche, che hanno avuto meno tempo per essere modificate dalle stelle successive, le quantità concordano bene con la previsione.

Uno degli indizi più forti

Nella prima notte, questo libro ha indicato tre indizi principali del fatto che l’universo ha avuto un inizio caldo e denso. Il primo era che le galassie si allontanano. Il secondo era la luce più antica. Il terzo è la storia di stanotte: le quantità degli elementi più leggeri. Questo terzo indizio è particolarmente forte perché è una verifica con i numeri. Una teoria che dice soltanto «un tempo faceva caldo» potrebbe adattarsi a molti risultati. Una teoria che dice «circa un quarto di elio, non la metà, non un decimo» si può verificare, e avrebbe potuto fallire.

Non è fallita. L’elio c’è, più o meno nella quantità giusta, ovunque gli astronomi guardino, nelle stelle antiche e nel gas tra le galassie. Anche le tracce di idrogeno pesante corrispondono alla previsione. E i numeri che vengono da questi elementi leggeri concordano con i numeri che vengono, in modo del tutto indipendente, dagli schemi nella luce più antica. Due tipi di misura molto diversi, fatti con strumenti molto diversi, raccontano la stessa storia sull’universo giovane.

C’è anche una verifica che si può fare sulla Terra. La costruzione dei nuclei leggeri dipende da quanto facilmente protoni e neutroni si uniscono a una data temperatura. Queste velocità non vengono indovinate. Vengono misurate in laboratorio, dove delle macchine lanciano protoni e altre particelle gli uni contro gli altri e contano ciò che ne esce. I calcoli dei primi minuti usano quei numeri misurati. In questo senso, un piccolo laboratorio sulla Terra e l’intero universo giovane seguono le stesse regole.

C’è un enigma onesto da menzionare. La quantità di litio che gli astronomi trovano in alcune stelle molto antiche è più bassa di quella prevista dai calcoli dei primi minuti. Gli scienziati stanno ancora studiando il perché. Forse qualcosa all’interno di quelle stelle antiche ha lentamente distrutto parte del loro litio. Forse qualcosa nel calcolo va migliorato. Questo enigma non è ancora del tutto compreso. Ma è un piccolo enigma dentro un grande accordo, e non cambia il quadro principale dei primi minuti.

Vale anche la pena sapere che cosa non produssero i primi minuti. Non produssero quasi niente di più pesante del litio. Non c’era carbonio, né ossigeno, né ferro, né oro. L’universo uscito dai primi minuti era molto semplice: idrogeno, elio, un po’ dei loro parenti stretti e nient’altro. Ogni altro elemento, compreso l’ossigeno che stai respirando e il carbonio di ogni essere vivente, doveva essere prodotto più tardi. Quel lavoro lo fecero le stelle, e la loro storia appartiene alle notti successive.

Così, quando tieni in mano un bicchiere d’acqua, tieni in mano due storie molto diverse. L’ossigeno che contiene è stato prodotto dentro le stelle, molto tempo dopo l’inizio. Ma l’idrogeno, i «due» nei due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, fu prodotto nei primi minuti, circa 13,8 miliardi di anni fa. Quell’idrogeno è stato in nuvole, stelle, comete, oceani e pioggia. Ora è nel tuo bicchiere.

Prima di dormire

Prima di dormire, Noor riempì un’altra sacca con l’acqua pulita e la bevve lentamente vicino alla finestra. Sotto di lei la Terra era illuminata dal giorno. Vedeva l’azzurro di un oceano, punteggiato di nuvole bianche, e il bordo di una costa. Tutta quell’acqua, pensò, e in ogni goccia lo stesso idrogeno antico, che aspettava da miliardi di anni.

Scrisse a Sami: «L’acqua che hai scaricato stanotte è antichissima. L’idrogeno che contiene è stato prodotto nei primi venti minuti dell’universo. Le tue casse erano più pesanti di quanto pensassi.» Sami rispose che la sua schiena glielo aveva già detto, grazie tante. Poi aggiunse che avrebbe guardato la prossima bottiglia in modo un po’ diverso.

Ade, che l’aveva vista scrivere, le chiese che cosa stesse raccontando al fratello quella notte. Quando glielo spiegò, lui rimase in silenzio per un momento e poi disse che aveva letto ogni pagina del manuale della macchina dell’acqua senza mai pensare all’acqua come a qualcosa di antico. Tomás disse che era questo il problema degli esperti: conoscono una cosa così bene che dimenticano di esserne sorpresi.

Domani, o stasera, anche tu forse riempirai un bicchiere d’acqua alla fine della tua giornata di lavoro. Non c’è bisogno di pensare all’universo ogni volta. Ma una volta, magari, potresti tenere il bicchiere in mano per un momento prima di bere. Nella tua mano c’è qualcosa prodotto quasi all’inizio del tempo, che ha viaggiato moltissimo per arrivare fino a te.

Equivoci comuni

Molti pensano che tutti gli elementi siano stati prodotti nel Big Bang. Sembra naturale, visto che il Big Bang è l’inizio di tutto. Ma i primi minuti produssero solo gli elementi più leggeri: idrogeno, elio e una piccolissima quantità di litio. Gli elementi più pesanti, come carbonio, ossigeno, ferro e oro, furono prodotti molto più tardi, dentro le stelle e negli eventi violenti che segnano la fine della vita di alcune stelle. L’universo è cominciato semplice ed è diventato più ricco con il tempo.

Molti pensano anche che l’elio sia un elemento raro, perché sulla Terra la maggior parte delle persone lo conosce solo dai palloncini delle feste, e a volte scarseggia. In realtà l’elio è il secondo elemento più comune dell’universo, dopo l’idrogeno. Sulla Terra è raro per un motivo diverso. L’elio è leggerissimo e non si unisce ad altri elementi, quindi l’elio presente nell’aria sfugge lentamente nello spazio. La maggior parte dell’elio che si raccoglie sulla Terra viene dal sottosuolo profondo, dove viene prodotto lentamente dalla disgregazione di alcuni tipi di atomi nelle rocce. Là fuori, nell’universo, l’elio è ovunque.

Infine, molti immaginano che i primi minuti siano pura congettura, perché nessuno era lì a vederli. È vero che nessuno li ha osservati, ed è vero che alcune domande sui primissimi istanti sono ancora aperte, come vedremo nella prossima notte. Ma questa parte della storia è una delle meglio verificate in assoluto. Usa la stessa fisica che viene misurata con cura nei laboratori sulla Terra, fa previsioni chiare con i numeri, e quelle previsioni concordano con ciò che gli astronomi misurano nel cielo. Nella prossima notte torneremo ancora più indietro, a un’epoca in cui non esistevano nemmeno protoni e neutroni, e lì il terreno sotto i nostri piedi diventerà molto meno solido.