La nostra vista di una piccola regione dell’Universo vicino al cappello galattico settentrionale, dove ogni pixel dell’immagine… rappresenta una galassia mappata. Sulla scala più grande, l’Universo è lo stesso in tutte le direzioni e in tutte le posizioni misurabili, ma le galassie lontane appaiono più piccole, più giovani e meno evolute di quelle che troviamo nelle vicinanze.
SDSS III, data release 8
Ci sono due cose che le persone imparano sull’Universo che le sorprendono più di ogni altra: che l’Universo non esiste da sempre ma solo per un tempo finito dal Big Bang, e che è in espansione da quando è avvenuto questo evento. La maggior parte delle persone sente intuitivamente quel “bang” e immagina un’esplosione, e poi concepisce l’espansione come se visualizzasse schegge scagliate verso l’esterno in tutte le direzioni. È vero che la materia e l’energia nell’Universo sono iniziate in uno stato caldo e denso tutto in una volta, e poi si sono espanse e raffreddate mentre tutti i vari componenti si allontanavano l’uno dall’altro. Ma questo non significa che l’immagine di “esplosione” sia corretta. Abbiamo ricevuto un’ottima domanda da Jasper Evers, che riflette:
Mi sto chiedendo come non ci sia un centro dell’universo e come la radiazione cosmica di fondo sia lontana ovunque guardiamo. Mi sembra che quando l’universo si espande… dovrebbe esserci un posto dove ha iniziato ad espandersi.
Dopotutto, ciò che questa domanda chiede è esattamente ciò che si allinea con la nostra esperienza ogni volta che incontriamo un’esplosione.
Le prime fasi dell’esplosione del test nucleare Trinity, appena 16 millisecondi dopo… la detonazione. La cima della palla di fuoco è alta 200 metri. Se non fosse per la presenza del terreno, l’esplosione stessa non sarebbe una semisfera, ma piuttosto una sfera quasi perfettamente simmetrica.
Berlyn Brixner
Ogni volta che si ha un’esplosione, indipendentemente dal fatto che sia basata su una reazione di combustione, un’esplosione nucleare, una rottura causata dalla sovrapressione di un contenitore, ecc, le seguenti cose sono vere.
- Un’esplosione inizia sempre in un punto specifico dello spazio.
- Un’esplosione inizialmente occupa un volume piccolo ma finito.
- E un’esplosione si espande rapidamente verso l’esterno in tutte le direzioni, limitata solo dalle forze esterne e dalle barriere che incontra.
Quando si ha un’esplosione, un po’ di materiale sarà spesso catturato e/o colpito da essa, e sarà spinto radialmente verso l’esterno, con parte di quel materiale (tipicamente il più leggero) che si muove più velocemente verso l’esterno. Questo materiale che si muove più velocemente si diffonderà più velocemente e più lontano del resto del materiale, e diventerà meno denso come risultato. Anche se la densità di energia scende ovunque, scende più velocemente lontano dall’esplosione, perché il materiale più energetico diventa meno denso più velocemente: alla periferia. Solo misurando le traiettorie di queste diverse particelle, si può sempre ricostruire dove è avvenuta l’esplosione.
Se si guarda sempre più lontano, si guarda anche sempre più lontano nel passato. Il massimo… che possiamo vedere indietro nel tempo è 13,8 miliardi di anni: la nostra stima dell’età dell’Universo. È l’estrapolazione a ritroso fino ai tempi più antichi che ha portato all’idea del Big Bang. Mentre tutto ciò che osserviamo è coerente con il quadro del Big Bang, non è qualcosa che potrà mai essere provato.
NASA / STScI / A. Felid
Ma questa immagine che ti ho appena dipinto – di un’esplosione – non corrisponde al nostro Universo. L’Universo ha lo stesso aspetto qui come a qualche milione o addirittura qualche miliardo di anni luce di distanza. Ha le stesse densità, le stesse energie, lo stesso numero di galassie in un dato volume di spazio, ecc.
Gli oggetti molto lontani sembrano effettivamente allontanarsi da noi a velocità maggiori rispetto agli oggetti vicini, ma non sembrano nemmeno avere la stessa età degli oggetti più lenti e vicini. Invece, man mano che ci spostiamo a distanze estreme, quelli più lontani appaiono più giovani, meno evoluti, più numerosi e più piccoli per dimensioni e massa. Nonostante il fatto che possiamo vedere galassie a distanze superiori ai 30 miliardi di anni luce, se seguiamo il modo in cui tutto si muove e ricostruiamo le loro traiettorie fino a un’origine comune, vediamo il più improbabile dei risultati: il “centro” percepito atterra proprio su di noi.
Il superammasso Laniakea, che contiene la Via Lattea (punto rosso), ospita il nostro Gruppo Locale e molto… altro. La nostra posizione si trova alla periferia dell’ammasso Virgo (grande collezione bianca vicino alla Via Lattea). Nonostante l’aspetto ingannevole dell’immagine, questa non è una vera struttura, poiché l’energia oscura spingerà la maggior parte di questi ammassi a separarsi, frammentandoli col passare del tempo. Eppure, se il nostro Universo è iniziato con un’esplosione, il centro ricostruito dell’esplosione si troverebbe proprio qui: in questo superammasso, che occupa meno di un miliardesimo del volume dell’Universo osservabile.
Tully, R. B., Courtois, H., Hoffman, Y & Pomarède, D. Nature 513, 71-73 (2014)
Tra tutti i trilioni di galassie dell’Universo, quali sono le probabilità che noi ci troviamo proprio al centro dell’esplosione che ha dato inizio all’Universo? Quali sono le probabilità, oltre a quelle minuscole, che l’esplosione iniziale fosse configurata proprio in questo modo, completa di
- densità irregolari e disomogenee,
- tempi di inizio variabili per la formazione delle stelle e la crescita delle galassie,
- energie che variano tremendamente da un posto all’altro in modo giusto e ben calibrato,
- e un misterioso bagliore di fondo di 2,7 K in tutte le direzioni?7 K in tutte le direzioni,
per cospirare in modo che noi siamo esattamente al centro? Ci sono molte cose che dovremmo inventare per spiegare questo, e molte osservazioni rimarrebbero ancora inspiegabili. Lo scenario dell’esplosione non è solo irrealistico; è in spregio alle leggi della fisica conosciute.
Un’esplosione nello spazio avrebbe il materiale più esterno che si allontana più velocemente, il che significa che… diventerebbe meno denso, perderebbe energia più velocemente, e mostrerebbe proprietà diverse quanto più ci si allontana dal centro. Avrebbe anche bisogno di espandersi in qualcosa, piuttosto che allungare lo spazio stesso. Il nostro universo non supporta questo.
ESO
Invece, la legge di gravità che governa il nostro universo – la teoria della relatività generale di Einstein – prevede che un universo pieno di materia ed energia non esploda, ma si espanda. Un Universo che è pieno di quantità uguali di materia ovunque, con le stesse densità e temperature medie, deve espandersi o contrarsi; poiché osserviamo una recessione apparente, la soluzione dell’espansione è l’unica che sia fisica. (Allo stesso modo in cui la radice quadrata di 4 può essere +2 o -2, ma solo una di queste corrisponderà al numero fisico di mele nelle tue mani.)
C’è un’idea sbagliata che un Universo in espansione possa essere estrapolato fino ad un singolo punto; questo non è vero! Invece, può essere estrapolato ad una regione di dimensioni finite con certe proprietà (cioè, piena di materia, radiazioni, leggi della fisica, ecc.), ma poi deve evolvere secondo le regole che la nostra teoria della gravità stabilisce.
Quello che porta, inevitabilmente, è un Universo che ha proprietà simili ovunque. Questo significa che in qualsiasi regione finita e di uguali dimensioni dello spazio, dovremmo vedere la stessa densità dell’Universo, la stessa temperatura dell’Universo, lo stesso numero di galassie, ecc. Vedremmo anche un Universo che sembra evolversi con il tempo, poiché le regioni più lontane dovrebbero apparirci come erano in passato, essendosi espanse meno e avendo sperimentato meno attrazione gravitazionale e minori quantità di clustering.
Perché il Big Bang è avvenuto ovunque contemporaneamente una quantità finita di tempo fa, il nostro angolo locale dell’Universo sembrerà essere l’angolo più vecchio dell’Universo che ci sia. Dal nostro punto di vista, ciò che ci appare vicino è quasi vecchio come noi, ma ciò che appare a grandi distanze è molto più simile a come era il nostro Universo vicino molti miliardi di anni fa.
Quando si guarda una regione del cielo con uno strumento come il telescopio spaziale Hubble, non si sta…. semplicemente osservando la luce di oggetti lontani come era quando quella luce è stata emessa, ma anche come la luce è influenzata da tutto il materiale che interviene, e dall’espansione dello spazio, che sperimenta lungo il suo viaggio. Hubble ci ha portato più indietro di qualsiasi altro osservatorio fino ad oggi, e ci ha mostrato un Universo che evolve nel tipo di galassia, nelle dimensioni e nella densità numerica con il tempo.
NASA, ESA, e Z. Levay, F. Summers (STScI)
Le galassie lontane che esistono emettono costantemente luce, e noi vediamo la luce che è arrivata solo dopo aver completato il suo viaggio per arrivare a noi attraverso l’Universo in espansione. Le galassie la cui luce ha impiegato un miliardo o dieci miliardi di anni per arrivare qui appaiono come erano un miliardo o dieci miliardi di anni fa. Se tornassimo indietro, quasi fino al momento del Big Bang stesso, scopriremmo che l’Universo quando era così giovane era dominato dalla radiazione e non dalla materia. Deve espandersi e raffreddarsi perché la materia diventi più importante, dal punto di vista energetico.
Col tempo, mentre l’Universo si espande e si raffredda, gli atomi neutri possono finalmente formarsi in modo stabile senza essere immediatamente distrutti. La radiazione che una volta dominava l’Universo, tuttavia, persiste ancora, e continua a raffreddarsi e a ridursi a causa dell’espansione dello spazio. Ciò che oggi percepiamo come Fondo cosmico a microonde è coerente con il bagliore residuo del Big Bang, ma è anche osservabile da qualsiasi punto dell’Universo.
La struttura su larga scala dell’Universo cambia nel tempo, mentre piccole imperfezioni crescono per formare le… prime stelle e galassie, poi si fondono insieme per formare le grandi galassie moderne che vediamo oggi. Guardare a grandi distanze rivela un Universo più giovane, simile a come era la nostra regione locale in passato. Andando indietro oltre le prime galassie che possiamo osservare, troviamo il bagliore residuo del Big Bang stesso, che appare in tutte le direzioni e dovrebbe essere visibile da qualsiasi punto dell’Universo.
Chris Blake e Sam Moorfield
Non esiste necessariamente un centro dell’Universo; è solo il nostro intuito distorto che ci dice che dovrebbe essercene uno. Possiamo porre un limite inferiore alla dimensione della regione in cui il Big Bang deve essere avvenuto – non può essere più piccola di un pallone da calcio o giù di lì – ma non c’è un limite superiore; la regione di spazio in cui il Big Bang è avvenuto potrebbe anche essere infinita.
Se ci fosse veramente un centro, potrebbe essere letteralmente ovunque, e non avremmo modo di saperlo. La porzione di Universo che è osservabile per noi non è sufficientemente grande per rivelare questa informazione, anche se potesse essere vera. Avremmo bisogno di vedere un bordo dell’Universo (non lo vediamo), o di osservare un’anisotropia fondamentale in cui le diverse direzioni appaiono diverse (ma vediamo le stesse temperature e lo stesso numero di galassie), e avremmo bisogno di vedere un Universo che sembra essere diverso da regione a regione sulle più grandi scale cosmiche (ma sembra invece essere omogeneo).
Entrambe le simulazioni (rosso) e le indagini sulle galassie (blu/viola) mostrano lo stesso clustering su larga scala… modelli. L’Universo, in particolare su scale più piccole, non è perfettamente omogeneo, ma su grandi scale l’omogeneità e l’isotropia è una buona assunzione con una precisione migliore del 99,99%.
Gerard Lemson e il Consorzio Virgo
Sembra così ragionevole porre la domanda: “da dove ha iniziato l’espansione dell’Universo?” Ma una volta che ti rendi conto di tutto questo, riconoscerai che è una domanda completamente sbagliata. “Dappertutto, tutto in una volta” è la risposta a questa domanda, e questo in gran parte perché il Big Bang non si riferisce a un luogo speciale nello spazio, ma piuttosto a un momento speciale nel tempo.
Ecco cos’è il Big Bang: una condizione che colpisce l’intero Universo osservabile – e forse una regione molto, molto più grande di quella – tutto in una volta in un momento specifico. È la ragione per cui guardare oggetti che sono più lontani nello spazio significa che stiamo vedendo quell’oggetto come era in un momento nel lontano passato. È il motivo per cui tutte le direzioni sembrano avere proprietà grezze che sono uniformi indipendentemente da dove guardiamo. Ed è per questo che possiamo risalire alla nostra storia cosmica, attraverso l’evoluzione degli oggetti che vediamo, fin dove i nostri osservatori ci permettono di andare.
Galassie paragonabili all’attuale Via Lattea sono numerose, ma le galassie più giovani che sono simili alla Via Lattea… Via Lattea sono intrinsecamente più piccole, più blu, più caotiche e più ricche di gas in generale delle galassie che vediamo oggi. Per le prime galassie di tutti, questo dovrebbe essere portato all’estremo, e rimane valido fino a quanto abbiamo mai visto.
NASA e ESA
Nonostante tutto ciò a cui abbiamo accesso – nonostante tutto ciò che le nostre teorie e osservazioni ci dicono – c’è ancora una quantità enorme che ci rimane sconosciuta. Non sappiamo quale sia l’effettiva dimensione dell’intero Universo; abbiamo solo un limite inferiore secondo il quale deve avere almeno 46,1 miliardi di anni luce di raggio in tutte le direzioni dalla nostra prospettiva.
Non sappiamo quale sia la forma del tessuto dello spazio, e se sia curvato positivamente come una sfera, negativamente curvato come una sella, o perfettamente piatto, come un foglio o un cilindro. Non sappiamo se si ripiega su se stesso o se continua all’infinito. Tutto ciò che sappiamo si basa su tutto ciò che possiamo osservare. Da queste informazioni, possiamo concludere che è coerente con l’essere di dimensioni infinite, è coerente con la perfetta planarità, ma informazioni contrarie possono trovarsi nella prossima cifra significativa di dati o appena oltre il nostro orizzonte cosmico osservabile. È vitale che continuiamo a cercare.
In scala logaritmica, l’Universo vicino ha il sistema solare e la nostra galassia della Via Lattea. Ma lontano… oltre ci sono tutte le altre galassie dell’Universo, la rete cosmica su larga scala, ed eventualmente i momenti immediatamente successivi al Big Bang stesso. Anche se non possiamo osservare più lontano di questo orizzonte cosmico che attualmente si trova ad una distanza di 46,1 miliardi di anni luce, ci sarà più Universo a rivelarsi a noi in futuro. L’Universo osservabile contiene oggi 2 trilioni di galassie, ma con il passare del tempo, più Universo diventerà osservabile per noi, forse rivelando alcune verità cosmiche che oggi ci sono oscure.
Utente di Wikipedia Pablo Carlos Budassi
La ragione per cui non possiamo conoscere la vera natura dell’Universo – l’intero Universo non osservabile – è perché la parte a cui abbiamo accesso è finita. C’è una quantità finita di informazioni che siamo in grado di raccogliere sul nostro cosmo, anche se sviluppiamo strumenti e rivelatori arbitrariamente potenti. È eminentemente plausibile che, anche se aspettiamo un tempo infinito, non sapremo mai se l’Universo è finito o infinito, o quale sia la sua forma geometrica.
Che si consideri il tessuto dello spazio come una pagnotta lievitata di pane all’uvetta o un palloncino in espansione con monete incollate sulla superficie, bisogna tenere a mente che la parte di Universo a cui possiamo accedere è probabilmente solo una piccola componente di ciò che esiste realmente. Ciò che è osservabile per noi stabilisce solo un limite inferiore della totalità di ciò che c’è là fuori. L’Universo potrebbe essere finito o infinito, ma le cose di cui siamo certi è che si sta espandendo, diventando meno denso, e che gli oggetti più lontani appaiono come erano molto tempo fa. Come nota l’astrofisica Katie Mack:
L’Universo si sta espandendo come si sta espandendo la tua mente. Non si sta espandendo in niente; stai solo diventando meno denso.