La concezione in scala logaritmica dell’artista dell’universo osservabile. Le galassie lasciano il posto a grandi dimensioni… la struttura e il plasma caldo e denso del Big Bang in periferia. Questo ‘bordo’ è un confine solo nel tempo.
Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo di Wikimedia Commons)
Se dovessi andare nello spazio il più lontano possibile, cosa incontreresti? Ci sarebbe un limite a quanto lontano potresti andare, o potresti percorrere una distanza illimitata? Alla fine torneresti al tuo punto di partenza, o continueresti a attraversare lo spazio che non avevi mai incontrato prima? In altre parole, l’Universo ha un vantaggio, e se sì, dov’è?
Che ci crediate o no, ci sono in realtà tre modi diversi di pensare a questa domanda, e ognuno ha una risposta diversa. Se si considera quanto lontano si potrebbe andare se si:
- sinistra oggi in un arbitrariamente potente razzo,
- considerato tutto ciò che potrebbe mai contattarci o essere contattato da noi, dall’inizio del Big Bang,
- o usate la vostra immaginazione solo per accedere all’intero Universo, anche al di là di quello che potrà mai essere osservabile,
si può capire quanto lontano è a bordo. In ogni caso, la risposta è affascinante.
Spesso visualizziamo lo spazio come una griglia 3D, anche se questa è una semplificazione eccessiva dipendente dal frame quando… consideriamo il concetto di spaziotempo. In realtà, lo spaziotempo è curvato dalla presenza di materia ed energia, e le distanze non sono fisse, ma possono evolvere man mano che l’Universo si espande o si contrae.
ReunMedia/Storyblocks
Il concetto chiave da tenere a mente è che lo spazio non è come normalmente lo concepiamo. Convenzionalmente, pensiamo allo spazio come a un sistema di coordinate-una griglia tridimensionale-dove la distanza più breve tra due punti è una linea retta e dove le distanze non cambiano nel tempo.
Ma entrambe queste ipotesi, così buone nella nostra vita quotidiana, falliscono in modo spettacolare quando iniziamo a guardare l’Universo su larga scala oltre il nostro pianeta. Per cominciare, l’idea che la distanza più breve tra due punti sia una linea retta cade a pezzi non appena inizi a introdurre masse e quanti energetici nel tuo Universo. Poiché lo spaziotempo è soggetto a curvatura, di cui la presenza di materia ed energia è la causa, la distanza più breve tra due punti dipende intrinsecamente dalla forma dell’Universo tra questi punti.
Invece di una griglia vuota, vuota e tridimensionale, mettere giù una massa causa ciò che sarebbe stato… linee ‘dritte’ per diventare invece curve di una quantità specifica. Nella Relatività Generale, trattiamo lo spazio e il tempo come continui, ma tutte le forme di energia, inclusa ma non limitata alla massa, contribuiscono alla curvatura dello spaziotempo. Se dovessimo sostituire la Terra con una versione più densa, fino a includere una singolarità, la deformazione dello spaziotempo mostrata qui sarebbe identica; solo all’interno della Terra stessa sarebbe notevole una differenza.
Christopher Vitale di Networkologies e del Pratt Institute
In aggiunta a ciò, il tessuto dello spaziotempo stesso non rimane statico nel tempo. In un Universo pieno di materia ed energia, un Universo statico e immutabile (dove le distanze tra i punti rimangono le stesse nel tempo) è intrinsecamente instabile; l’Universo deve evolversi espandendosi o contraendosi. Se la teoria generale della Relatività di Einstein è corretta, questo è obbligatorio.
Osservativamente, le prove che il nostro Universo si sta espandendo sono schiaccianti: una convalida spettacolare per le previsioni di Einstein. Ma questo porta con sé una serie di conseguenze per gli oggetti separati da distanze cosmiche, incluso il fatto che la distanza tra loro si espande nel tempo. Oggi, gli oggetti più distanti che possiamo vedere sono più di 30 miliardi di anni luce di distanza, nonostante siano passati solo 13,8 miliardi di anni dal Big Bang.
Più una galassia è lontana, più velocemente si espande da noi e più appare la sua luce… redshifted. Una galassia in movimento con l’Universo in espansione sarà ancora un numero maggiore di anni luce di distanza, oggi, rispetto al numero di anni (moltiplicato per la velocità della luce) che ha preso la luce emessa da esso per raggiungerci. Ma possiamo solo capire redshifts e blueshifts se li attribuiamo a una combinazione di moto (relativistica speciale) e il tessuto in espansione dello spazio (relativistica generale) contributi entrambi.
Larry McNish del RASC Calgary Center
Quando misuriamo la distanza di una varietà di oggetti dalle loro proprietà fisiche e luminose — insieme alla quantità di luce che la loro luce è stata spostata dall’espansione dell’Universo — possiamo arrivare a capire di cosa è fatto l’Universo. Il nostro cocktail cosmico, al momento, consiste in:
- 0,01% di radiazioni sotto forma di fotoni,
- 0,1% di neutrini, una particella sfuggente a bassa massa quasi numerosa come i fotoni,
- 4,9% di materia normale, fatta per lo più della stessa roba che siamo: protoni, neutroni ed elettroni,
- 27% di materia oscura, una sostanza sconosciuta che gravita ma non emette né assorbe luce,
- e 68% di energia oscura, che è l’energia inerente allo spazio che fa accelerare gli oggetti distanti nella loro recessione da noi.
Quando si combinano questi effetti insieme, si ottiene una previsione unica e inequivocabile per quanto sia lontano, in ogni momento passato e presente, al bordo dell’Universo osservabile.
Un grafico della dimensione / scala dell’Universo osservabile rispetto al passaggio del tempo cosmico. Questo sì… visualizzato su una scala log-log, con alcune tappe principali di dimensioni/tempo identificate. Notate l’era primitiva dominata dalle radiazioni, la recente era dominata dalla materia e l’era attuale e futura in espansione esponenziale.
E. Siegel
Questo è un grosso problema! La maggior parte delle persone presume che se l’Universo è stato intorno per 13,8 miliardi di anni dal Big Bang, allora il limite a quanto possiamo vedere sarà 13,8 miliardi di anni luce, ma non è giusto.
Solo se l’Universo fosse statico e non si espandesse sarebbe vero, ma il fatto è questo: più ci allontaniamo, più velocemente gli oggetti distanti sembrano allontanarsi da noi. Il tasso di tale espansione cambia in un modo che è prevedibile in base a ciò che è nell’Universo e, a sua volta, sapere cosa c’è nell’Universo e osservare quanto velocemente gli oggetti si espandono ci dice quanto sono lontani. Quando prendiamo tutti i dati disponibili insieme, arriviamo a un valore unico per tutto insieme, compresa la distanza dall’orizzonte cosmico osservabile: 46,1 miliardi di anni luce.
L’Universo osservabile potrebbe essere 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni dal nostro punto di vista,… ma c’è certamente di più, Universo inosservabile, forse anche una quantità infinita, proprio come il nostro al di là di questo. Nel corso del tempo, saremo in grado di vederne di più, alla fine rivelando circa 2,3 volte il numero di galassie che possiamo attualmente vedere.
Frédéric MICHEL e Andrew Z. Colvin, annotati da E. Siegel
Questo confine, tuttavia, non è un “bordo” per l’Universo in qualsiasi senso convenzionale della parola. Non è affatto un confine nello spazio; se ci trovassimo in qualsiasi altro punto dello spazio, saremmo ancora in grado di rilevare e osservare tutto ciò che ci circonda all’interno di quella sfera di 46,1 miliardi di anni luce centrata su di noi.
Questo perché quel “bordo” è un limite nel tempo, piuttosto che nello spazio. Questo limite rappresenta il limite di ciò che possiamo vedere perché la velocità della luce — anche in un Universo in espansione governato dalla Relatività Generale — consente solo ai segnali di viaggiare così lontano nei 13,8 miliardi di anni di storia dell’Universo. Questa distanza è più lontano di 13.8 miliardi di anni luce a causa dell’espansione dell’Universo, ma è ancora finito. Tuttavia, non possiamo raggiungere tutto.
La dimensione del nostro universo visibile (giallo), insieme alla quantità che possiamo raggiungere (magenta). Se noi… accelerato a 9,8 m / s^2 per circa 22,5 anni e poi girato e decelerato per altri 22,5 anni, potremmo raggiungere qualsiasi galassia all’interno del cerchio magenta, anche in un Universo con energia oscura, ma nulla al di fuori di esso.
E. Siegel, basato sul lavoro degli utenti di Wikimedia Commons Azcolvin 429 e Frédéric MICHEL
Oltre una certa distanza, possiamo vedere parte della luce che era già stata emessa molto tempo fa, ma non vedrà mai la luce che viene emessa proprio ora: 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang. Al di là di una certa distanza specifica — calcolata (da me) a circa 18 miliardi di anni luce di distanza al momento-anche un segnale che si muove alla velocità della luce non ci raggiungerà mai.
Allo stesso modo, ciò significa che se fossimo in una nave razzo arbitrariamente ad alta potenza, tutti gli oggetti attualmente contenuti in questo raggio di 18 miliardi di anni luce sarebbero alla fine raggiungibili da noi, anche se l’Universo ha continuato ad espandersi e queste distanze hanno continuato ad aumentare. Tuttavia, gli oggetti al di là di ciò non sarebbero mai raggiungibili. Anche se raggiungevamo distanze sempre maggiori, si ritiravano più velocemente di quanto potessimo mai viaggiare, impedendoci di visitarli per tutta l’eternità. Già, il 94% di tutte le galassie nell’Universo osservabile sono oltre la nostra portata eterna.
Per quanto vasto sia il nostro Universo osservabile e per quanto possiamo vedere, è molto più di quanto possiamo mai… raggiungere, come solo il 6% del volume che possiamo osservare è attualmente raggiungibile. Al di là di ciò che possiamo osservare, tuttavia, c’è certamente più Universo; ciò che possiamo vedere rappresenta solo una piccola frazione di ciò che deve essere là fuori.
NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, e M. Mechtley (ASU), R. O’Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), & H. Yan (tOSU)
Eppure, c’è un “bordo” diverso che potremmo voler considerare: oltre i limiti di ciò che possiamo osservare oggi, o anche ciò che possiamo potenzialmente osservare arbitrariamente lontano nel futuro, se eseguiamo il nostro orologio teorico verso l’infinito. Possiamo considerare quanto è grande l’intero Universo — l’Universo non osservabile — e se si ripiega su se stesso o meno.
Il modo in cui possiamo rispondere a questo si basa su un’estrapolazione di ciò che osserviamo quando proviamo a misurare la curvatura spaziale dell’Universo: la quantità che lo spazio è curvo sulla scala più grande che possiamo osservare. Se l’Universo è curvato positivamente, le linee parallele convergeranno e i tre angoli di un triangolo si sommeranno a più di 180 gradi. Se l’Universo è curvato negativamente, le linee parallele divergono e i tre angoli di un triangolo si sommano a meno di 180 gradi. E se l’Universo è piatto, le linee parallele rimarranno parallele e tutti i triangoli conterranno esattamente 180 gradi.
Gli angoli di un triangolo si sommano a quantità diverse a seconda della curvatura spaziale presente. A… l’Universo curvato positivamente (in alto), curvato negativamente (al centro) o piatto (in basso) avrà gli angoli interni di un triangolo sommati a più, meno o esattamente uguali a 180 gradi, rispettivamente.
NASA/WMAP science team
Il modo in cui lo facciamo è prendere i segnali più distanti di tutti, come la luce rimasta dal Big Bang, ed esaminare in dettaglio come le fluttuazioni sono modellate. Se l’Universo è curvo in una direzione positiva o negativa, i modelli di fluttuazione che osserviamo finiranno distorti per apparire su scale angolari più grandi o più piccole, al contrario di un Universo piatto.
Quando prendiamo i migliori dati disponibili, che provengono sia dalle fluttuazioni del fondo cosmico a microonde che dai dettagli di come le galassie si ammassano insieme su grandi scale a una varietà di distanze, arriviamo a una conclusione inevitabile: l’Universo è indistinguibile dalla perfetta planarità spaziale. Se è curvo, è a un livello che non è più di 0.4%, il che significa che se l’Universo è curvo come un’ipersfera, il suo raggio è almeno ~250 volte più grande della parte che ci è osservabile.
Le grandezze dei punti caldi e freddi, così come le loro scale, indicano la curvatura dell’… Universo. Al meglio delle nostre capacità, lo misuriamo per essere perfettamente piatto. Le oscillazioni acustiche barioniche e la CMB, insieme, forniscono i migliori metodi per vincolare questo, fino a una precisione combinata dello 0,4%.
Smoot Cosmology Group / LBL
Se definiamo il bordo dell’Universo come l’oggetto più lontano che potremmo mai raggiungere se iniziassimo il nostro viaggio immediatamente, allora il nostro limite attuale è una mera distanza di 18 miliardi di anni luce, che comprende solo il 6% del volume del nostro Universo osservabile. Se lo definisci come il limite di ciò che possiamo osservare da un segnale — chi possiamo vedere e chi può vederci-allora il limite si estende a 46,1 miliardi di anni luce. Ma se lo definiamo come i limiti dell’Universo non osservabile, l’unico limite che abbiamo è che ha una dimensione di almeno 11.500 miliardi di anni luce, e potrebbe essere ancora più grande.
Questo non significa necessariamente che l’Universo sia infinito, però. Potrebbe essere piatto e ancora curvare su se stesso, con una forma simile a una ciambella nota matematicamente come toro. Per quanto grande ed espansivo sia l’Universo osservabile, è ancora finito, con una quantità finita di informazioni da insegnarci. Oltre a ciò, le verità cosmiche ultime rimangono ancora sconosciute a noi.
In un modello hypertorus dell’Universo, il movimento in linea retta ti restituirà al tuo originale… posizione, anche in uno spaziotempo non curvato (piatto). L’Universo potrebbe anche essere chiuso e curvato positivamente: come un’ipersfera.
ESO e DeviantArt utente InTheStarlightGarden