Quanto è grande l'Universo?

A questa domanda si può rispondere in molti modi diversi, alcuni corretti, altri frutto di mere ipotesi.

Cominciamo dai punti fermi, poi potremo lasciarci andare a qualche congettura. 

L’Universo che possiamo vedere ha un raggio di 13,4 miliardi di anni luce, delimitato inevitabilmente dalla radiazione cosmica di fondo che ci impedisce di vedere regioni più lontane, semplicemente perché la luce non ha ancora fatto in tempo ad arrivarci. In effetti, sotto questo punto di vista possiamo dire che l’Universo è troppo giovane per mostrarsi tutto.

In prima approssimazione, quindi, il diametro della porzione osservabile di cosmo è di 13,4 X 2 = circa 26,5 miliardi di anni luce. 

Tuttavia, queste non sono dimensioni reali, perché le varie porzioni che stiamo osservando nello spazio, quindi anche nel tempo, nel corso dei miliardi di anni si sono espanse, di conseguenza in questo nostro istante non si troveranno più alla distanza che ci appare da queste misurazioni.

Una galassia distante 10 miliardi di anni luce lo era altrettanti anni fa, ma nel corso di questo lungo intervallo di tempo lo spazio tra noi ed essa si è continuato a espandere. Attualmente, quindi, non si troverà più alla distanza misurata.

Se si considera il tasso medio con cui si è espanso l’Universo, le regioni che noi vediamo a 13,4 miliardi di anni luce, quindi quelle che ci inviano il segnale della radiazione cosmica di fondo, si trovano attualmente a non meno di 40 miliardi di anni luce di distanza. 

Il diametro dell’Universo osservabile, quindi, rapportato al nostro tempo attuale, dovrebbe essere vicino agli 80 miliardi di anni luce!

Ora complichiamo a piacere lo scenario.

L'Universo osservabile è una minima parte di quello esistente

Secondo alcuni modelli questa potrebbe essere una parte infinitesima dell’Universo, che negli istanti iniziali ha conosciuto una super espansione ben più veloce della luce chiamata inflazione.

Nessuno a questo punto sa con certezza quanto sia in realtà grande l’Universo, alcuni pensano che possa essere almeno miliardi di miliardi di miliardi di volte più esteso di quello osservabile corretto per il valore dell’espansione. Per gli amanti dei numeri, parliamo di un raggio circa 10³⁰ volte superiore all'Universo osservabile corretto per il valore dell'espansione, di 40 miliardi di anni luce.

Questo numero potrebbe essere vicino al concetto di infinito o addirittura diventare infinito qualora vengano avvalorati altri modelli che prevedono un’infinita generazione di bolle di universi a partire dalla super espansione di parte dello spazio. 

Infinito o meno, quello che sembra mettere d’accordo molti cosmologi è il fatto che l’Universo sia forse indefinito.

Questo concetto è più facile da immaginare, perché ce lo abbiamo sotto gli occhi continuamente.

La superficie della Terra, ad esempio, è naturalmente finita ma sferica. Se potessimo prendere un aereo, o una macchina senza problemi di carburante, potremo percorrere all’infinito la superficie del nostro pianeta senza mai trovare un confine, ma raggiungendo ogni volta il punto d’inizio.

Questo è il concetto di indefinito: una superficie che non ha dei confini.

Si pensa che l’intera struttura dell’Universo sia una speciale sfera a quattro dimensioni priva di un confine netto.

E d’altra parte uno scenario del genere, oltre a essere comune, è in perfetto accordo con il fatto che non esistono luoghi privilegiati dell’Universo che possano sperimentare proprietà fisiche diverse. Se esistesse un confine netto si aprirebbero molti paradossi: perché quella zona si dovrebbe comportare in modo diverso rispetto al resto? Cosa c’è fuori? Di quali proprietà gode la linea di confine? E com'è fisicamente fatta?

Dopo l’esperienza di Cristoforo Colombo, che sbagliando aveva comunque dimostrato in modo pratico che la Terra non aveva confini netti perché sferica, nessuno scienziato immagina più una struttura, o l’Universo stesso, con dei bordi delimitati dalle mitologiche colonne d’Ercole.

Qualche cosmologo ha pure cercato di replicare, su scala decisamente maggiore, l’esperienza pratica di Cristoforo Colombo. Se l’Universo è una specie di sfera senza confini, allora la luce delle stelle potrebbe “fare il giro” e presentarsi anche nella parte opposta. Di nuovo, benché questa ipotesi sia plausibile, l’Universo è troppo giovane e vasto affinché la luce di qualche corpo celeste, anche quelli più lontani, abbia avuto il tempo di fare un giro completo.

Cos'è l'inflazione?

Come ormai dovremmo aver imparato, in astronomia si usano spesso parole del linguaggio comune, alle quali compete però un significato differente. Non fa eccezione la parola “inflazione”, che con i meccanismi economici creati dall’uomo a seguito del suo isolamento dall’Universo non ha proprio nulla in comune. 

L'inflazione: una super espansione dell'Universo primordiale

Con il concetto di inflazione si identifica un brevissimo istante di tempo, miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di secondo, nel quale l’Universo, pochissimi istanti dopo il Big Bang, ha subito una super espansione che ne ha aumentato le dimensioni di miliardi di miliardi (e forse miliardi e miliardi ancora) di volte, come lo spazio fosse esploso espandendosi con un ritmo di gran lunga superiore alla velocità della luce. 

La teoria dell’inflazione riesce a spiegare alcuni fatti altrimenti paradossali, come ad esempio l’aspetto globale dell’Universo.

Com’è possibile, infatti, che due regioni di spazio diametralmente opposte, che quindi a causa dell’enorme distanza non hanno mai potuto comunicare le une con le altre neanche quando erano vicinissime, abbiano in realtà identiche proprietà? La radiazione cosmica di fondo, ad esempio, presenta una temperatura omogenea in ogni zona dell’Universo con una tolleranza di pochi milionesimi di grado.

Le proprietà non cambiano se osserviamo la distribuzione perfettamente identica delle lontane galassie in zone di cielo opposte, al punto che sicuramente la luce, quindi nessuna informazione, si è potuta trasmettere tra di loro. Eppure, considerando il tasso di espansione, regioni poste agli estremi dell’Universo non hanno mai potuto scambiarsi informazioni per accordarsi così bene sulla temperatura o sulla distribuzione del materiale per formare stelle e galassie.

Sarebbe come se noi decidessimo di scaldare un pezzo di ferro e pretendessimo che un fabbro cinese, del quale ignoriamo persino l’esistenza, scaldi nel nostro stesso istante lo stesso pezzo a una temperatura uguale, con una tolleranza massima di un milionesimo di grado centigrado: è impossibile senza mettersi d’accordo su quale temperatura raggiungere, senza coordinare il riscaldamento, senza utilizzare gli stessi macchinari e un pezzo di ferro identico. 

La teoria dell’inflazione risolve il problema della comunicazione, affermando che poco prima di questo evento la materia dell’Universo aveva avuto modo di comunicare e mescolarsi.

Poi lo stiramento violentissimo dello spazio e del tempo ha rotto definitivamente quell’unione perfetta.

Dopo questa fase, l’espansione è ripresa ai ritmi precedenti, come se nulla fosse successo. Ma l’Universo era profondamente cambiato e molto, molto più grande di prima, avvicinandosi pericolosamente al concetto di infinito.

Fino a poche settimane fa questa era una teoria che ben risolveva i problemi appena esposti e molti altri. Ora, grazie all'esperimento BICEP2, questo affascinante, e per certi versi incredibile, scenario, sembra aver trovato delle prove concrete, anzi, la prova più evidente che potessimo sperare di trovare. Una delle più importanti scoperte dell'ultimo secolo, e forse di sempre. Se volete saperne di più, leggete questo articolo, in italiano, dell'ottimo divulgatore Amedeo Balbi.

L’espansione dell’Universo è in accelerazione?

Dopo il “calcio” iniziale dato da non si sa cosa e definito con il termine Big Bang, niente nell’Universo, almeno così si credeva, ha fornito ulteriori forze alla sua espansione. Proprio come un pattinatore sul ghiaccio a cui viene data una spinta continua a muoversi finché non incontra un ostacolo, così si comporta l’Universo stesso. Senza ulteriori spinte, continua a espandersi con una velocità più o meno costante. Questo è quello che si credeva fino a qualche anno fa. Il Big Bang, quell'evento ancora piuttosto oscuro che ha scatenato l'espansione (e la creazione) dell'Universo, è stato il "calcio" iniziale a cui, poi, non sono seguite altre forze nella stessa direzione. L’unico impedimento all’espansione, e abbastanza debole, deriva dalla forza di gravità. La materia contenuta nell’Universo, producendo un’enorme forza di gravità, che è sempre attrattiva, dovrebbe rallentare, lentamente, l’espansione. Se riuscirà a fermarla o solo a rallentarla leggermente, questo dipende da quanta materia c’è nell’Universo, se è superiore rispetto a un certo valore, detto densità critica.

Generazioni di cosmologi hanno allora cercato di misurare la densità dell’Universo per capirne il suo destino, prendendo ormai per assodato il semplice modello appena espresso.

Poi, sul finire degli anni novanta, si verificò una scoperta inattesa e sconvolgente.

Dalla stima delle distanze attraverso l’osservazione delle supernovae in altre galassie, gli astronomi si accorsero che l’Universo, in tempi recenti, non solo non stava rallentando la sua espansione, ma stava inspiegabilmente accelerando!

La scoperta valse ai tre fisici americani il premio Nobel nel 2011, quando le loro misurazioni pionieristiche erano state verificate più volte e ormai accettate dalla comunità scientifica.

La conclusione è però sconcertante: a partire da circa 6 miliardi di anni a questa parte, qualche forza misteriosa sta facendo accelerare l’espansione dell’Universo, qualcosa che riesce a sopravanzare la spinta attrattiva della forza di gravità e a ridare nuova energia a quel lontanissimo calcio iniziale scatenato dal Big Bang.

Gli scienziati chiamarono questa forza energia oscura, da non confondere con la materia oscura delle galassie.

L’energia oscura, secondo gli attuali modelli, è l’energia del vuoto, del tessuto dello spazio e del tempo, che secondo le leggi di fisica quantistica produce una specie di antigravità, in grado di far accelerare l’Universo.

Possiamo immaginare l’energia oscura come il prezzo da pagare per avere il tessuto dello spazio e del tempo sul quale poter far sviluppare particelle e corpi celesti.

Proprio come sulla Terra, dove strade e ponti sono la struttura sulla quale poi si sviluppa il traffico, e di certo non è gratis ma richiede denaro ed energie per essere creata, così nell’Universo lo spazio e il tempo non sono gratuiti, ma contengono l’energia richiesta per essere stati costruiti.

E questo prezzo da pagare per avere le "strade dell'Universo" potrebbe, alla lunga, essere molto caro e portare addirittura alla sua completa distruzione.

Astronomia per i più giovani: che cos'è il Big Bang?

Questo post è tratto dal mio libro "Sulle spalle di un raggio di luce", disponibile in ebook Kindle e in versione cartacea.

Quando ho scoperto che la traduzione italiana di questo termine era grande botto sono scoppiato a ridere… Com’è possibile chiamare una teoria così importante con un termine che sembra addirittura farle perdere significato?

Anche in questa circostanza c’è lo zampino degli astronomi, in particolare di un signore di nome Fred Hoyle, accanito avversario di quella che per lui era una strampalata teoria al punto da darle questo nome proprio per ridicolizzarla.

Eppure, a distanza di diversi decenni, il Big Bang è di gran lunga il modo migliore per descrivere le proprietà che stiamo osservando dell’Universo.

La descrizione più semplice e sintetica di cosa sia stato quel grande botto di tanto, tanto tempo fa, lo vede come un’esplosione che a un certo punto, per motivi che non conosciamo, ha dato inizio a tutto l’Universo.

Ma a essere più precisi, questa visualizzazione non è proprio corretta.

Il Big Bang, in effetti, è qualcosa che non si può immaginare, proprio come un elettrone che “orbita” attorno a un atomo, perché non somiglia a niente di quello che abbiamo potuto osservare nella nostra vita.

E quando bisogna immaginare qualcosa che non abbiamo mai osservato, la nostra mente fallisce inevitabilmente. Puoi provare quanto vuoi, ma questa sembra essere una legge dell’Universo, che quindi non ammette eccezioni per quanto siano grandi i nostri sforzi per superarla.

Puoi sbizzarrirti a creare mostri e forme fantasiose, ma non saranno altro che dei puzzle costruiti prendendo in prestito immagini modificate che hai già visto da qualche parte.

Se vorrai provare potrai farlo nei prossimi giorni, ora hai un viaggio ancora più importante da terminare…

Non è proprio corretto definire il Big Bang come un’esplosione, perché significa localizzarla in un punto dello spazio e del tempo. Invece il Big Bang è molto di più, è un evento iniziale che ha creato, oltre alla materia e all’energia, anche il tempo e lo spazio, quindi l’intera struttura dell’Universo.

Possiamo immaginare, in maniera sicuramente più corretta ma ancora lontana dalla realtà, che il Big Bang possa essere stato un evento che non solo ha creato la materia per la formazione di pianeti, stelle, galassie, ma ha anche costruito la struttura sulla quale poi tutto questo ha potuto svilupparsi, proprio come le automobili hanno bisogno dapprima di una strada piana e asfaltata per potersi muovere.

Le leggi fisiche che governano l’Universo e i suoi abitanti sono nate a seguito del Big Bang, al punto che nell’istante zero, nel momento esatto di questa specie di esplosione, avevano valori tutti nulli o infiniti.

In effetti, nessuno riesce a descrivere l’ambiente nel momento preciso del Big Bang, perché tutte le quantità fisiche perdono di significato. Le dimensioni avrebbero dovuto essere nulle, densità, temperatura e massa infinite. Si parla allora di singolarità, un concetto elaborato per dire che grandezze e leggi fisiche non valgono più. E d’altra parte non potrebbe essere altrimenti: se le regole sono nate dopo, come possiamo pensare di utilizzarle per descrivere ciò che esisteva prima della loro creazione?

Questo punto senza dimensioni, contenente tutta l’energia e la materia, per cause che ancora non conosciamo ha cominciato a espandersi. Nel nostro ambito diciamo che qualcosa ha dato il calcio iniziale, una breve scarica così forte che l’ha fatto espandere. Terminato il “kick” durato un istante infinitesimo, l’Universo ha proseguito la sua espansione, proprio come un’astronave mantiene la velocità quando non più spinta dai razzi.

A me piace pensare, ma questa non è più scienza, perché non ho le prove, che quel punto contenesse al suo interno tutte le infinite combinazioni che potevano essere provate. Non so bene come spiegarti; infiniti modi per creare la materia e l’energia, infinite leggi matematiche, molte, molte di più di quelle che conosciamo.

All’interno di questo punto si susseguivano velocissime le estrazioni dei singoli ingredienti per trovare la combinazione che potesse funzionare. Infiniti tentativi che, però, non davano alcun risultato: il punto continuava a restare uguale, privo di spazio e tempo e pieno di energia.

Non conoscendo problemi di tempo, quella capocchia di spillo provava e riprovava, senza fretta, mescolando tutti gli ingredienti, spazio e tempo compresi, come in un calderone senza fondo.

Magari quel punto aveva provato a evolversi senza la gravità, oppure con montagne di zucchero al posto delle infuocate stelle, oppure ancora con lo spazio che aveva una forma strana, tipo il percorso delle montagne russe.

Infinite possibilità che però non funzionavano… fino a quando, proprio come una persona che gioca alla lotteria e vince, anche quel punto ha trovato la combinazione che per noi, ora, è sicuramente quella vincente.

Il premio?

Un cambiamento epocale.

Quell’incastro perfetto probabilmente era l’unico che permetteva l’evoluzione che c’è stata, dalla creazione della prima particella allo sviluppo di menti intelligenti. La nascita dell’Universo così come lo conosciamo; l’inizio di un’avventura straordinaria che noi uomini possiamo goderci in prima fila, perché abbiamo la possibilità di comprenderla.

Da quel momento in poi, da quando il punto ha trovato la combinazione che l’avrebbe trasformato, la storia dell’Universo ha seguito semplicemente le istruzioni già scelte, niente di più semplice.

Il peggio, infatti, era dietro le spalle. Anche tu di fronte a un tema che ti ha dato la maestra perdi molto tempo ed energie all’inizio, quando devi decidere cosa scrivere e in che modo. Nel momento in cui trovi la storia che per te va bene, metterla su carta è semplice e spesso divertente.

Quel punto aveva coscienza di quello che stava facendo? Penso proprio di no; e se devo essere sincero penso che nella sua infinitesima estensione stava pure bene. Probabilmente espandersi e trasformarsi è qualcosa che non aveva previsto e quasi sicuramente non ha scelto. È successo; doveva succedere alla fine, perché a forza di tentare, anche se le possibilità sono tantissime, prima o poi le giochi tutte.