Non è un segreto che l'universo sia un luogo estremamente vasto. Si stima che ciò che possiamo osservare (noto anche come 'l'Universo conosciuto') si estende per circa 93 miliardi di anni luce. È un numero piuttosto impressionante, soprattutto se si considera che è l'unico che abbiamo osservato finora. E dato il volume di quello spazio, ci si aspetterebbe che la quantità di materia contenuta all'interno sarebbe altrettanto impressionante.
Ma, cosa abbastanza interessante, è quando guardi la questione sulla scala più piccola che i numeri diventano più sbalorditivi. Ad esempio, si ritiene che all'interno del nostro universo osservabile esistano da 120 a 300 sestilioni (ovvero da 1,2 x 10²³ a 3,0 x 10²³). Ma guardando più da vicino, alla scala atomica, i numeri diventano ancora più inconcepibili.
A questo livello, si stima che ci siano tra 1078a 1082atomi nell'universo noto e osservabile. In parole povere, ciò equivale a tra dieci quadrilioni di vigintilioni e centomila quadrilioni di vigintilioni di atomi.
Eppure, quei numeri non riflettono con precisione quanta materia l'universo può davvero ospitare. Come già detto, questa stima tiene conto solo del universo osservabile che raggiunge i 46 miliardi di anni luce in qualsiasi direzione, e si basa su dove l'espansione dello spazio ha portato gli oggetti più distanti osservati.
La storia dell'universo a partire dal Big Bang. Credito immagine: grandunificationtheory.com
mentre un supercomputer tedesco ha recentemente eseguito una simulazione e ha stimato che esistono circa 500 miliardi di galassie nel raggio di osservazione, una stima più prudente colloca il numero a circa 300 miliardi. Poiché il numero di stelle in una galassia può arrivare fino a 400 miliardi, il numero totale di stelle potrebbe benissimo essere di circa 1.2×1023– o poco più di 100 sestilioni.
In media, ogni stella può pesare circa 1035grammi. Quindi, la massa totale sarebbe di circa 1058grammi (cioè 1.0 x 1052tonnellate). Poiché si sa che ogni grammo di materia ha circa 1024protoni, o circa lo stesso numero di atomi di idrogeno (poiché un atomo di idrogeno ha un solo protone), allora il numero totale di atomi di idrogeno sarebbe approssimativamente1086– alias. centomila quadrilioni di vigintilioni.
All'interno di questo universo osservabile, questa materia è distribuita in modo omogeneo in tutto lo spazio, almeno se mediata su distanze superiori a 300 milioni di anni luce. Su scale più piccole, tuttavia, si osserva che la materia si forma nei grumi di materia luminosa organizzata gerarchicamente che tutti conosciamo.
In breve, la maggior parte degli atomi è condensata in stelle, la maggior parte delle stelle è condensata in galassie, la maggior parte delle galassie in ammassi, la maggior parte degli ammassi in superammassi e, infine, nelle strutture di più grande scala come la Grande Muraglia delle galassie (aka. Sloan Grande Muraglia ). Su scala minore, questi ammassi sono permeati da nubi di particelle di polvere, nubi di gas, asteroidi e altri piccoli ammassi di materia stellare.
Rappresentazione della linea temporale dell'universo oltre 13,7 miliardi di anni e l'espansione nell'universo che ne seguì. Credito: NASA/WMAP Science Team.
Anche la materia osservabile dell'Universo è diffusa isotropicamente; il che significa che nessuna direzione di osservazione sembra diversa dalle altre e ogni regione del cielo ha all'incirca lo stesso contenuto. L'Universo è anche immerso in un'onda di radiazione a microonde altamente isotropa che corrisponde a un equilibrio termico di circa 2,725 kelvin (poco sopra Zero Assoluto ).
L'ipotesi che l'universo su larga scala sia omogeneo e isotropo è nota come principio cosmologico . Ciò afferma che le leggi fisiche agiscono uniformemente in tutto l'universo e, pertanto, non dovrebbero produrre irregolarità osservabili nella struttura su larga scala. Questa teoria è stata supportata da osservazioni astronomiche che hanno contribuito a tracciare l'evoluzione della struttura dell'universo da quando è stata inizialmente prevista dal Big Bang .
L'attuale consenso tra gli scienziati è che la stragrande maggioranza della materia è stata creata in questo evento e che l'espansione dell'Universo da allora non ha aggiunto nuova materia all'equazione. Piuttosto, si ritiene che ciò che è avvenuto negli ultimi 13,7 miliardi di anni sia stata semplicemente un'espansione o una dispersione delle masse inizialmente create. Cioè, nessuna quantità di materia che non c'era all'inizio è stata aggiunta durante questa espansione.
Tuttavia, l'equivalenza di massa ed energia di Einstein presenta una leggera complicazione a questa teoria. Questa è una conseguenza derivante da Relatività Speciale , in cui l'aggiunta di energia a un oggetto aumenta la sua massa in modo incrementale. Tra tutte le fusioni e fissioni, gli atomi vengono regolarmente convertiti da particelle in energie e viceversa.
La densità dell'atomo è maggiore a sinistra (l'inizio dell'esperimento) di 80 millisecondi dopo il Big Bang simulato. Credito: Chen-Lung Hung
Tuttavia, osservata su larga scala, la densità di materia complessiva dell'universo rimane la stessa nel tempo. Si stima che l'attuale densità dell'universo osservabile sia molto bassa: circa 9,9 × 1030grammi per centimetro cubo. Questa energia di massa sembra essere costituita dal 68,3% di energia oscura, dal 26,8% di materia oscura e solo dal 4,9% di materia ordinaria (luminosa). Quindi la densità degli atomi è dell'ordine di un singolo atomo di idrogeno per ogni quattro metri cubi di volume.
Le proprietà dell'energia oscura e della materia oscura sono in gran parte sconosciute e potrebbero essere distribuite uniformemente o organizzate in gruppi come la materia normale. Tuttavia, si ritiene che la materia oscura graviti come la materia ordinaria, e quindi lavori per rallentare l'espansione dell'Universo. Al contrario, l'energia oscura accelera la sua espansione.
Ancora una volta, questo numero è solo una stima approssimativa. Quando viene utilizzato per stimare la massa totale dell'Universo, spesso non è all'altezza di quanto previsto da altre stime. E alla fine, ciò che vediamo è solo una frazione più piccola del tutto.
Abbiamo molti articoli relativi alla quantità di materia nell'Universo qui in Universe Today, come Quante galassie nell'universo? , e Quante stelle ci sono nella Via Lattea?
La NASA ha anche i seguenti articoli sull'universo, come Quante galassie ci sono? e questo articolo sul Stelle nella nostra galassia .
Abbiamo anche episodi podcast di Astronomy Cast sull'argomento galassie e Stelle variabili .