Dopo il Big Bang, l'Universo era quasi perfettamente uniforme e pieno di materia, energia e radiazioni in uno stato in rapida espansione. Col passare del tempo, l'Universo non solo forma elementi, atomi e molecole che si raggruppano e si raggruppano insieme, portando a stelle e galassie, ma si espande e si raffredda per tutto il tempo. (NASA / GSFC)

In che modo l'Universo si è espanso fino a 46 miliardi di anni luce in soli 13,8 miliardi di anni?

Se pensi che si sia espanso più velocemente della velocità della luce, devi leggere questo.

Se l'Universo ha 13,8 miliardi di anni e la velocità della luce è veramente il nostro limite di velocità cosmica, quanto dovremmo essere in grado di vedere? La risposta sembra ovvia: 13,8 miliardi di anni luce, poiché un anno luce è la distanza che la luce può percorrere in un anno e nulla può andare più veloce di così.

Sfortunatamente, come molte risposte che sembrano ovvie quando applichi il tuo logico senso comune a loro, non è così che le cose funzionano davvero. In realtà, se dovessi guardare la cosa più distante di tutto ciò che puoi vedere, e chiedere "quanto è lontano", la risposta è molto più lontana di così: 46 miliardi di anni luce. Potrebbe sembrare impossibile, ma non lo è. Devi solo espandere il tuo modo di pensare.

La concezione originale dello spazio, grazie a Newton, come fissa, assoluta e immutabile. Era una fase in cui le masse potevano esistere e attrarre. (AMBER STUVER, DAL SUO BLOG, LIVING LIGO)

Tradizionalmente, il modo in cui pensi più spesso a una distanza è prendere due punti e tracciare una linea tra di loro. È qualcosa che impariamo a fare da bambini e che ci portiamo avanti fino all'età adulta. Per la maggior parte delle applicazioni, non ci sono problemi nel fare questo, sia che utilizziamo un righello, un contachilometri o un orologio luminoso: misurando la quantità di tempo impiega un segnale luminoso per compiere un viaggio di sola andata o andata e ritorno.

Ma questo assunto non è strettamente valido quando si tratta dell'Universo. La distanza non è necessariamente definita da una linea retta, né tali distanze rimangono invariate nel tempo. La ragione di ciò è qualcosa a cui non pensiamo nella nostra esperienza quotidiana: lo spazio non è piatto ed è anche indissolubilmente legato al tempo, sotto forma di spaziotempo.

Il comportamento gravitazionale della Terra attorno al Sole non è dovuto a un'attrazione gravitazionale invisibile, ma è meglio descritto dalla Terra che cade liberamente attraverso lo spazio curvo dominato dal Sole. La distanza più breve tra due punti non è una linea retta, ma piuttosto una geodetica: una linea curva definita dalla deformazione gravitazionale dello spaziotempo. (LIGO / T. PYLE)

La parte "spazio non piatto" è forse più facile da capire. Quando pensi alla Terra che ruota attorno al Sole, probabilmente la pensi allo stesso modo di Newton: in termini di una forza invisibile e attraente che agisce da un oggetto (il Sole) su un altro (la Terra).

Questo è il modo in cui abbiamo pensato alla gravità per secoli e ci è voluto letteralmente un genio a livello di Einstein per superarlo. Non è che la massa ad una certa distanza provoca una forza, ma quella massa è un tipo di energia e l'energia fa curvare il tessuto dell'Universo. Il tessuto dell'Universo non è solo spazio, ma una quantità nota come spazio-tempo, in cui chiunque e qualsiasi cosa in esso vive lo spazio e il tempo insieme, a seconda di come si muovono rispetto a tutto il resto dell'Universo.

In un universo che non si sta espandendo, puoi riempirlo di materia in qualsiasi configurazione ti piaccia, ma crollerà sempre in un buco nero. Un tale universo è instabile nel contesto della gravità di Einstein e deve espandersi per essere stabile, oppure dobbiamo accettare il suo inevitabile destino. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Una delle cose che apprendiamo su un universo governato dalle leggi di Einstein - Relatività generale - è che non può essere sia statico che stabile se contiene materia. Un universo che è statico, in cui la struttura generale dello spaziotempo non cambia nel tempo, sarebbe nei guai se mettessi dentro la materia. Nel corso del tempo, quella materia si sarebbe attratta gravitazionalmente e si sarebbe avvicinata a un punto. In un universo statico pieno di materia, esiste un solo destino possibile: contrarsi in un buco nero.

Non ti preoccupare; quello non è il nostro destino.

Il modello del

Perché il nostro Universo sta facendo l'unica cosa che può fare per impedirlo: si sta espandendo. Il modo migliore per immaginare l'Universo è come una pagnotta in un forno a gravità zero, dove l'impasto è pieno di uvetta.

Ogni singola uva passa rappresenta una struttura legata gravitazionalmente nell'Universo: un ammasso stellare, una galassia, un gruppo di galassie o qualcosa di ancora più grande. Ogni uva passa non è legata a nessun'altra uva passa; sono abbastanza distanti che la gravità non li riunirà, anche dato un tempo infinito.

Perché? Perché l'impasto sta salendo. E quell'impasto rappresenta il tessuto dello spaziotempo. Col passare del tempo, l'Universo si espande e l'uvetta distante (galassie) sembra allontanarsi l'una dall'altra.

L'analogia palloncino / moneta dell'Universo in espansione. Le singole strutture (monete) non si espandono, ma le distanze tra loro fanno in un Universo in espansione. Questo può essere molto confuso se insisti nell'attribuire il moto apparente degli oggetti che vediamo alle loro velocità relative attraverso lo spazio. In realtà, è lo spazio tra loro che si sta espandendo. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Questo è il punto chiave che è così difficile da capire per la maggior parte delle persone. L'espansione dell'Universo non riguarda una velocità. L'universo non si espande alla velocità della luce, alla velocità del suono o a qualsiasi altra velocità. Se dovessi guardare un'uva passa vicino a te, sembrerebbe allontanarsi da te relativamente lentamente e un segnale luminoso da esso inviato a te impiegherebbe solo una breve quantità di tempo per arrivarci. Ma se dovessi guardare un'uvetta molto più lontana, sembrerebbe ritirarsi molto più rapidamente. Un segnale luminoso inviato da te impiegherebbe molto tempo per arrivarci.

Il motivo è perché l'espansione dell'Universo dipende da quanto lontano è un oggetto da te. Non è una velocità; è una velocità per unità di distanza.

La radiazione viene spostata in rosso man mano che l'Universo si espande, il che significa che era più energico nel passato dell'Universo, con una maggiore quantità di energia per fotone. Che l'Universo sia dominato dalla materia o dalle radiazioni è irrilevante; il redshifting è reale. (E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA)

Questo è il motivo per cui, quando parliamo del tasso di espansione misurato dell'Universo - ciò che a volte chiamiamo costante di Hubble - si accompagna a valori strani, così strani: qualcosa come ~ 70 km / s / Mpc. Questo ci dice che per ogni megaparsec (Mpc, o circa 3,26 milioni di anni luce) una galassia è distante da qualsiasi altra galassia, sembra retrocedere a 70 km / s.

Quindi, se un oggetto è attualmente a 100 Mpc di distanza, sembra spostarsi a 7000 km / s.

Se un oggetto è lontano 4.300 Mpc, sembra allontanarsi a circa 300.000 km / s, o alla velocità della luce.

E se un oggetto si trova a 14.100 Mpc di distanza, sembra spostarsi a circa 987.000 km / s, che è un numero folle.

La relazione distanza / spostamento verso il rosso, compresi gli oggetti più distanti di tutti, visti dalle loro supernove di tipo Ia. I dati favoriscono fortemente un universo in accelerazione. Nota come queste linee sono tutte diverse l'una dall'altra, poiché corrispondono a universi composti da ingredienti diversi (NED WRIGHT, BASATO SUI ULTIMI DATI DI BETOULE ET AL.)

Ma continuo a dire qualcosa su cui potresti essere sorpreso: sembra che questi oggetti si allontanino da noi a queste velocità. In realtà, gli oggetti stessi non si muovono, proprio come l'uvetta non si muove rispetto all'impasto in cui si trovano. Invece, ciò che sta accadendo è che il tessuto dello spaziotempo stesso si sta espandendo e la luce proveniente da questi oggetti si sta allungando - a lunghezze d'onda più lunghe e rosse - man mano che l'Universo si espande.

Ecco perché parliamo dello spostamento verso il rosso di oggetti distanti: perché la loro luce si allunga man mano che il tessuto dell'Universo si espande. È la materia e la densità energetica dell'Universo che determinano la velocità con cui l'Universo si espande e dobbiamo sommare tutti i diversi tipi di energia, inclusi neutrini, radiazioni, materia oscura ed energia oscura, per ottenere la risposta giusta.

Non è semplicemente che le galassie si allontanano da noi che causano uno spostamento verso il rosso, ma piuttosto che lo spazio tra noi stessi e la galassia sposta la luce rossa nel suo viaggio da quel punto distante ai nostri occhi. Ciò influisce su tutte le forme di radiazione, incluso il bagliore residuo del Big Bang. (LARRY MCNISH / RASC CALGARY CENTRE)

Oggi c'è la luce che arriva ai nostri occhi da ogni sorta di oggetti diversi a qualsiasi distanza. Gli oggetti che distano 13,8 miliardi di anni luce da noi adesso erano molto più vicini in un lontano passato. Quando hanno emesso per la prima volta la luce che ci sta raggiungendo oggi, ciò è accaduto in un momento che era già miliardi di anni fa. Quella galassia potrebbe essere lontana 13,8 miliardi di anni luce in questo momento, ma la luce non ha dovuto viaggiare per 13,8 miliardi di anni per raggiungerci; percorse una distanza più breve e per un periodo di tempo più breve.

In effetti, possiamo vedere oggetti che sono più lontani di 13,8 miliardi di anni luce oggi, tutto a causa del fatto che il tessuto dell'Universo stesso si sta espandendo.

Quindi cosa facciamo se vogliamo sapere quanto è grande l'Universo osservabile? Dobbiamo porre la seguente domanda:

Dato tutto ciò che sappiamo sull'Universo in espansione e quali sono le diverse quantità di tutti i diversi tipi di energia che sono in esso, quanto lontano sarebbe un oggetto oggi se la sua luce fosse solo, proprio ora, arrivando dopo un viaggio di 13,8 miliardi anni?

Se fai la matematica, otterrai una risposta incredibile: 46 miliardi di anni luce. (O 46,1 miliardi di anni luce se vuoi essere ancora più preciso.) Se il nostro Universo avesse più energia oscura e meno materia, la risposta sarebbe leggermente più ampia; se l'Universo avesse più materia e meno energia oscura, la risposta sarebbe leggermente più piccola. Ma è così che arriviamo ai confini dell'Universo osservabile.

All'interno dell'Universo osservabile (cerchio giallo), ci sono circa 2 trilioni di galassie. Le galassie oltre un terzo del cammino verso il confine di ciò che possiamo osservare non possono mai essere raggiunte a causa dell'espansione dell'Universo, lasciando solo il 3% del volume dell'Universo aperto all'esplorazione umana. Tuttavia, possiamo ancora vedere le galassie oltre a ciò, tranne che siamo limitati a vederle come erano in passato. (UTENTI COMUNI WIKIMEDIA AZCOLVIN 429 E FRÉDÉRIC MICHEL / E. SIEGEL)

Ciò non significa che possiamo raggiungere qualsiasi cosa nella parte dell'Universo che possiamo vedere! Le parti più distanti dell'Universo sono visibili solo nelle prime fasi. In effetti, tutto ciò che è più distante di circa 4.300 Mpc (o 14 miliardi di anni luce) oggi è al limite di quanto possiamo raggiungere alla velocità della luce. L'oggetto più distante di quello può ancora essere visto da noi, ma solo come in passato; allo stesso modo, possono vederci solo come eravamo nel nostro passato. Qualcuno a più di 14 miliardi di anni luce da noi, anche con un telescopio infinitamente potente, non potrebbe mai osservare la civiltà umana come è oggi sulla Terra.

Un grafico delle dimensioni / scala dell'Universo osservabile rispetto al passaggio del tempo cosmico. Questo viene visualizzato su una scala log-log, con alcuni traguardi di dimensioni / tempo principali identificati. Si noti la prima era dominata dalle radiazioni, la recente era dominata dalla materia e l'era in espansione esponenziale attuale e futura. (E. SIEGEL)

Il fatto che possiamo vedere l'Universo che facciamo ci dice che deve essere in espansione, una fantastica combinazione di teoria e osservazione. Ci dice anche che possiamo estrapolare indietro nel tempo fino a una fase che vogliamo e trovare tutti i tipi di pietre miliari interessanti che accadono per quanto riguarda le dimensioni dell'Universo rispetto alla sua età. Quando l'Universo aveva un milione di anni, il suo limite era già a circa 100 milioni di anni luce di distanza. Quando aveva solo un anno, potevamo vedere per quasi 100.000 anni luce. Quando era solo un millisecondo, potevamo già vedere per un anno luce in tutte le direzioni.

E oggi, 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, la cosa più lontana che potremmo vedere, corrispondente alla luce emessa nel primo momento del Big Bang, è distante 46,1 miliardi di anni luce. Dati i contenuti del nostro Universo, non sarebbe potuto andare diversamente.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.