Non è un segreto che l'universo sia un luogo estremamente vasto. E dato il volume puro di quello spazio, ci si aspetterebbe che la quantità di materia contenuta all'interno fosse altrettanto impressionante.
Ma abbastanza interessante, è quando guardi quell'argomento sulla scala più piccola che i numeri diventano i più sbalorditivi. Ad esempio, si ritiene che nel nostro universo osservabile esistano tra 120 e 300 sextillion (ovvero da 1,2 x 10²³ a 3,0 x 10²³). Ma guardando più da vicino, su scala atomica, i numeri diventano ancora più inconcepibili.
A questo livello, si stima che ci siano tra 1078 a 1082 atomi nell'universo noto e osservabile. In parole povere, ciò si attesta tra dieci quadrilioni di vigintillion e centomila quadrilioni di vigintillion di atomi.
Eppure, quei numeri non riflettono accuratamente quanta materia può davvero contenere l'universo. Come già affermato, questa stima rappresenta solo l'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.
Mentre un supercomputer tedesco ha recentemente eseguito una simulazione e ha stimato l'esistenza di 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 intorno a 1,2 × 1023 - o poco più di 100 sextillion.
In media, ogni stella può pesare circa 1035 grammi. Pertanto, la massa totale sarebbe di circa 1058 grammi (ovvero 1,0 x 1052 tonnellate). Poiché ogni grammo di materia è noto per avere circa 1024 protoni, o circa lo stesso numero di atomi di idrogeno (poiché un atomo di idrogeno ha un solo protone), il numero totale di atomi di idrogeno sarebbe approssimativamente 1086 - aka. centomila quadrilioni di vigintillion.
All'interno di questo universo osservabile, questa materia è diffusa in modo omogeneo nello spazio, almeno quando media 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 con cui tutti abbiamo familiarità.
In breve, la maggior parte degli atomi sono condensati in stelle, la maggior parte delle stelle sono condensate in galassie, la maggior parte delle galassie in ammassi, la maggior parte degli ammassi in superammassi e, infine, nelle strutture su larga scala come la Grande Muraglia delle galassie (alias la Grande Muraglia di Sloan) . Su scala minore, questi gruppi sono permeati da nuvole di particelle di polvere, nuvole di gas, asteroidi e altri piccoli gruppi di materia stellare.
Anche la materia osservabile dell'Universo viene diffusa isotropicamente; nel senso che nessuna direzione di osservazione sembra diversa dalle altre e che ogni regione del cielo ha approssimativamente lo stesso contenuto. L'universo è anche immerso in un'ondata di radiazioni a microonde altamente isotrope che corrisponde a un equilibrio termico di circa 2.725 kelvin (appena sopra lo zero assoluto).
L'ipotesi che l'universo su larga scala sia omogeneo e isotropo è noto 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 stabilita 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 accaduto negli ultimi 13,7 miliardi di anni sia stato 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 dalla 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.
Tuttavia, osservata su larga scala, la densità complessiva della materia dell'universo rimane invariata nel tempo. Si stima che l'attuale densità dell'universo osservabile sia molto bassa - circa 9,9 × 10-30 grammi per centimetro cubo. Questa energia di massa sembra consistere in 68,3% di energia oscura, 26,8% di materia oscura e solo 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 uniformemente distribuite o organizzate in gruppi come la materia normale. Tuttavia, si ritiene che la materia oscura graviti come fa 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. Se utilizzato per stimare la massa totale dell'Universo, spesso non è all'altezza di quanto prevedono altre stime. E alla fine, ciò che vediamo è solo una piccola parte del tutto.
Abbiamo molti articoli correlati alla quantità di materia nell'universo qui nello Space Magazine, 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 sulle stelle nella nostra galassia.
Abbiamo anche episodi podcast di Astronomy Cast sull'argomento Galassie e stelle variabili.
