I cosmologi sono viaggiatori intellettuali del tempo. Guardando indietro di miliardi di anni, questi scienziati sono in grado di tracciare l'evoluzione del nostro Universo con dettagli sorprendenti. 13,8 miliardi di anni fa si verificò il Big Bang. Frazioni di secondo dopo, il nascente Universo si espanse in modo esponenziale durante un periodo di tempo incredibilmente breve chiamato inflazione. Negli eoni successivi, il nostro cosmo è cresciuto fino a dimensioni così enormi che non possiamo più vedere l'altro lato di esso.
Ma come può essere? Se la velocità della luce segna un limite di velocità cosmica, come possono esserci regioni dello spaziotempo i cui fotoni sono per sempre fuori dalla nostra portata? E anche se ci sono, come facciamo a sapere che esistono del tutto?
L'universo in espansione
Come ogni altra cosa in fisica, il nostro Universo si sforza di esistere nello stato energetico più basso possibile. Ma intorno ai 10-36pochi secondi dopo il Big Bang, i cosmologi inflazionistici ritengono che il cosmo si sia trovato a riposare invece su una 'falsa energia del vuoto', un punto basso che non era davvero un punto basso. Alla ricerca del vero nadir dell'energia del vuoto, in una frazione di un minuto, si pensa che l'Universo si sia gonfiato di un fattore 10cinquanta.
Da quel momento, il nostro Universo ha continuato ad espandersi, ma a un ritmo molto più lento. Vediamo le prove di questa espansione nella luce di oggetti lontani. Quando i fotoni emessi da una stella o una galassia si propagano in tutto l'Universo, l'allungamento dello spazio li fa perdere energia. Una volta che i fotoni ci raggiungono, le loro lunghezze d'onda sono state spostate verso il rosso in base alla distanza percorsa.
Due fonti di redshift: Doppler ed espansione cosmologica; modellato su Koupelis & Kuhn. In basso: i rilevatori catturano la luce emessa da una stella centrale. Questa luce viene allungata, o spostata verso il rosso, mentre lo spazio si espande nel mezzo. Credito: Brews Ohare.
Ecco perché i cosmologi parlano di redshift in funzione della distanza sia nello spazio che nel tempo. La luce di questi oggetti lontani ha viaggiato per così tanto tempo che, quando finalmente la vediamo, vediamo gli oggetti com'erano miliardi di anni fa.
Il volume di Hubble
La luce spostata verso il rosso ci permette di vedere oggetti come le galassie come esistevano in un lontano passato; ma non possiamo vedereTuttieventi avvenuti nel nostro Universo durante la sua storia. Poiché il nostro cosmo si sta espandendo, la luce di alcuni oggetti è semplicemente troppo lontana per essere vista.
La fisica di quel confine si basa, in parte, su un pezzo di spaziotempo circostante chiamato volume di Hubble. Qui sulla Terra, definiamo il volume di Hubble misurando qualcosa chiamato parametro di Hubble (H0), un valore che mette in relazione l'apparente velocità di recessione di oggetti distanti con il loro redshift. Fu calcolato per la prima volta nel 1929, quando Edwin Hubble scoprì che le galassie lontane sembravano allontanarsi da noi a una velocità proporzionale allo spostamento verso il rosso della loro luce.
Fit delle velocità di redshift alla legge di Hubble. Credito: Brews Ohare
Dividendo la velocità della luce per H0, otteniamo il volume Hubble. Questa bolla sferica racchiude una regione in cui tutti gli oggetti si allontanano da un osservatore centrale a velocità inferiori a quella della luce. Di conseguenza, tutti gli oggetti al di fuori del volume di Hubble si allontanano dal centroPiù velocerispetto alla velocità della luce.
Sì, 'più veloce della velocità della luce'. Com'è possibile?
La magia della relatività
La risposta ha a che fare con la differenza tra relatività ristretta e relatività generale. La relatività ristretta richiede quello che viene chiamato un 'quadro di riferimento inerziale' - più semplicemente, uno sfondo. Secondo questa teoria, la velocità della luce è la stessa se confrontata in tutti i sistemi di riferimento inerziali. Sia che un osservatore sia seduto immobile su una panchina del parco sul pianeta Terra o che sfreccia oltre Nettuno in una futuristica astronave ad alta velocità, la velocità della luce è sempre la stessa. Un fotone si allontana sempre dall'osservatore a 300.000.000 di metri al secondo e lui o lei non raggiungeranno mai.
La relatività generale, tuttavia, descrive il tessuto dello spaziotempo stesso. In questa teoria, non esiste un sistema di riferimento inerziale. Lo spaziotempo non si espande rispetto a nulla al di fuori di se stesso, quindi la velocità della luce come limite alla sua velocità non si applica. Sì, le galassie al di fuori della nostra sfera di Hubble si stanno allontanando da noi più velocemente della velocità della luce. Ma le galassie stesse non stanno infrangendo alcun limite di velocità cosmica. Per un osservatore all'interno di una di quelle galassie, nulla viola affatto la relatività speciale. È lo spazio tra noi e quelle galassie che sta rapidamente proliferando e allungandosi in modo esponenziale.
L'Universo Osservabile
Ora per la prossima bomba: il volume di Hubble non è la stessa cosa dell'Universo osservabile.
Per capirlo, considera che man mano che l'Universo invecchia, la luce lontana ha più tempo per raggiungere i nostri rivelatori qui sulla Terra. Possiamo vedere oggetti che hanno accelerato oltre il nostro attuale volume Hubble perché la luce che vediamo oggi è stata emessa quando erano al suo interno.
A rigor di termini, il nostro Universo osservabile coincide con qualcosa chiamato ilorizzonte delle particelle. L'orizzonte delle particelle segna la distanza dalla luce più lontana che possiamo vedere in questo momento: fotoni che hanno avuto abbastanza tempo per rimanere all'interno o raggiungere la nostra sfera di Hubble in leggera espansione.
E qual è questa distanza? Un po' più di 46 miliardi di anni luce in ogni direzione, dando al nostro Universo osservabile un diametro di circa 93 miliardi di anni luce, o più di 500 miliardi di trilioni di miglia.
L'universo osservabile, più tecnicamente noto come orizzonte delle particelle.
(Una breve nota: l'orizzonte delle particelle non è la stessa cosa delorizzonte degli eventi cosmologici. L'orizzonte delle particelle comprende tutti gli eventi del passato che possiamo vedere attualmente. L'orizzonte degli eventi cosmologici, d'altra parte, definisce una distanza entro la quale un futuro osservatore sarà in grado di vedere la luce allora antica che emette oggi il nostro piccolo angolo di spaziotempo.
In altre parole, l'orizzonte delle particelle si occupa della distanza dagli oggetti del passato la cui luce antica che possiamo vedere oggi; l'orizzonte degli eventi cosmologici si occupa della distanza che la nostra luce attuale potrà percorrere mentre regioni lontane dell'Universo accelerano allontanandosi da noi.)
Energia oscura
Grazie all'espansione dell'Universo, ci sono regioni del cosmo che non vedremo mai, anche se potessimo aspettare un tempo infinito prima che la loro luce ci raggiunga. Ma che dire di quelle aree appena al di là della portata del nostro volume Hubble attuale? Se anche quella sfera si sta espandendo, saremo mai in grado di vedere quegli oggetti di confine?
Questo dipende da quale regione si sta espandendo più velocemente: il volume di Hubble o le parti dell'Universo appena al di fuori di esso. E la risposta a questa domanda dipende da due cose: 1) se H0sta aumentando o diminuendo, e 2) se l'Universo sta accelerando o decelerando. Queste due tariffe sono intimamente correlate, ma non sono la stessa cosa.
In effetti, i cosmologi credono che stiamo effettivamente vivendo in un'epoca in cui H0Sta diminuendo; ma a causa dell'energia oscura, la velocità di espansione dell'Universo sta aumentando.
Può sembrare controintuitivo, ma finché H0diminuisce più lentamenteVotarispetto a quello a cui la velocità di espansione dell'Universo sta aumentando, il movimento complessivo delle galassie lontano da noi avviene ancora a un ritmo accelerato. E in questo momento, i cosmologi credono che l'espansione dell'Universo supererà la crescita più modesta del volume di Hubble.
Quindi, anche se il nostro volume di Hubble si sta espandendo, l'influenza dell'energia oscura sembra fornire un limite rigido al sempre crescente Universo osservabile.
I nostri limiti terreni
I cosmologi sembrano avere una buona padronanza di questioni profonde come come sarà un giorno il nostro Universo osservabile e come cambierà l'espansione del cosmo. Ma alla fine, gli scienziati possono solo teorizzare le risposte alle domande sul futuro in base alla loro comprensione attuale dell'Universo. I tempi cosmologici sono così inimmaginabilmente lunghi che è impossibile dire molto di concreto su come si comporterà l'Universo in futuro. I modelli odierni si adattano molto bene ai dati attuali, ma la verità è che nessuno di noi vivrà abbastanza a lungo per vedere se le previsioni corrispondono davvero a tutti i risultati.
deludente? Sicuro. Ma vale assolutamente la pena di aiutare i nostri cervelli gracili a considerare questa scienza da blogging mentale - una realtà che, come al solito, è semplicemente più strana della finzione.