I cosmologi sono viaggiatori nel tempo intellettuali. Guardando indietro di miliardi di anni, questi scienziati sono in grado di tracciare l'evoluzione del nostro Universo con dettagli sorprendenti. Nel corso degli eoni successivi, il nostro cosmo è cresciuto a dimensioni così enormi che non possiamo più vederne l'altro lato.
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 affatto?
L'universo in espansione
Come ogni altra cosa in fisica, il nostro Universo si sforza di esistere nel più basso stato energetico possibile. Ma intorno alle 10-36 pochi secondi dopo il Big Bang, i cosmologi inflazionistici credono che il cosmo si sia trovato a riposare invece in una "falsa energia del vuoto" - un punto basso che non era in realtà un punto basso. Alla ricerca del vero nadir dell'energia del vuoto, nell'arco di una frazione di minuto, si pensa che l'Universo sia aumentato di un fattore 1050.
Da quel momento, il nostro Universo ha continuato ad espandersi, ma a un ritmo molto più lento. Vediamo prove di questa espansione nella luce di oggetti distanti. Mentre i fotoni emessi da una stella o una galassia si propagano attraverso l'Universo, l'allungamento dello spazio fa perdere loro energia. Una volta che i fotoni ci raggiungono, le loro lunghezze d'onda sono state spostate in rosso in base alla distanza percorsa.
Questo è il motivo per cui i cosmologi parlano del redshift in funzione della distanza sia nello spazio che nel tempo. La luce di questi oggetti distanti ha viaggiato per così tanto tempo che, quando finalmente lo vediamo, vediamo gli oggetti come miliardi di anni fa.
Il volume di Hubble
La luce spostata in rosso ci permette di vedere oggetti come le galassie come esistevano in un lontano passato; ma non possiamo vedere tutti eventi accaduti 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 da noi.
La fisica di quel confine si basa, in parte, su un pezzo di spazio-tempo circostante chiamato volume di Hubble. Qui sulla Terra, definiamo il volume di Hubble misurando qualcosa chiamato il parametro Hubble (H0), un valore che mette in relazione la velocità di recessione apparente di oggetti distanti con il loro spostamento verso il rosso. Fu calcolato per la prima volta nel 1929, quando Edwin Hubble scoprì che le galassie lontane sembravano allontanarsi da noi ad una velocità proporzionale allo spostamento della loro luce rossa.
Dividere la velocità della luce per H0, otteniamo il volume di Hubble. Questa bolla sferica racchiude una regione in cui tutti gli oggetti si allontanano da un osservatore centrale a velocità inferiori alla velocità della luce. Di conseguenza, tutti gli oggetti al di fuori del volume di Hubble si allontanano dal centroPiù veloce della 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 speciale e relatività generale. La relatività speciale 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 su una panchina sul pianeta Terra o che passi oltre Nettuno in una futuristica nave spaziale 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 non raggiungerà mai.
La relatività generale, tuttavia, descrive il tessuto dello spaziotempo stesso. In questa teoria, non esiste un quadro di riferimento inerziale. Lo spaziotempo non si sta espandendo rispetto a qualcosa 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 infrangono 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 si sta rapidamente proliferando e si espande 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 mentre l'Universo invecchia, la luce distante ha più tempo per raggiungere i nostri rivelatori qui sulla Terra. Possiamo vedere oggetti che hanno accelerato oltre il nostro attuale volume di 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 il orizzonte delle particelle. L'orizzonte delle particelle segna la distanza dalla luce più lontana che possiamo eventualmente vedere in questo momento nel tempo - fotoni che hanno avuto abbastanza tempo per rimanere all'interno o raggiungere la nostra sfera di Hubble che si espande delicatamente.
E qual è questa distanza? Poco 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 miliardi di miglia.
(Una breve nota: l'orizzonte delle particelle non è la stessa cosa di orizzonte degli eventi cosmologici. L'orizzonte delle particelle comprende tutti gli eventi del passato che attualmente possiamo vedere. 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 il nostro piccolo angolo di spazio-tempo sta emettendo oggi.
In altre parole, l'orizzonte delle particelle si occupa della distanza dagli oggetti passati la cui luce antica che possiamo vedere oggi; l'orizzonte degli eventi cosmologici si occupa della distanza che la nostra luce odierna sarà in grado di percorrere mentre le regioni lontane dell'Universo accelerano lontano 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 affinché la loro luce ci raggiungesse. Ma che dire di quelle aree appena oltre la portata del nostro attuale volume di Hubble? 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 fuori di esso. E la risposta a questa domanda dipende da due cose: 1) se H0 sta aumentando o diminuendo, e 2) se l'Universo sta accelerando o decelerando. Queste due tariffe sono intimamente correlate, ma non sono le stesse.
In effetti, i cosmologi credono che in realtà stiamo vivendo in un momento in cui H0 Sta diminuendo; ma a causa dell'energia oscura, la velocità dell'espansione dell'Universo sta aumentando.
Può sembrare controintuitivo, ma fintanto che H0 diminuisce più lentamente Vota di quello a cui aumenta la velocità di espansione dell'Universo, 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 duro limite all'Universo osservabile in costante aumento.
Le nostre limitazioni terrene
I cosmologi sembrano avere una buona padronanza di domande profonde come un giorno il nostro Universo osservabile apparirà 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 l'Universo si comporterà in futuro. I modelli di oggi si adattano notevolmente 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 scettici a considerare tale scienza da blogging mentale - una realtà che, come al solito, è semplicemente più strana della finzione.
