Se l'Universo si sta espandendo, possiamo capire perché le galassie distanti si allontanano da noi mentre lo fanno. Ma allora perché anche le stelle, i pianeti e persino gli atomi non si stanno espandendo? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, E L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Questo è il motivo per cui non ci stiamo espandendo, anche se l'Universo lo è

L'universo si sta espandendo, ma noi, il nostro pianeta, il sistema solare e la galassia non lo siamo affatto. Ecco perché.

Dai un'occhiata a quasi tutte le galassie dell'Universo e scoprirai che si sta allontanando da noi. Più è lontano, più velocemente sembra retrocedere. Mentre la luce viaggia attraverso l'Universo, viene spostata su lunghezze d'onda più lunghe e rosse, come se il tessuto dello spazio stesso fosse allungato. Alle distanze più grandi, le galassie vengono allontanate così rapidamente da questo Universo in espansione che nessun segnale che possiamo eventualmente inviare li raggiungerà, anche alla velocità della luce.

Ma anche se il tessuto dello spazio si sta espandendo in tutto l'Universo - ovunque e in tutte le direzioni - non lo siamo. I nostri atomi rimangono delle stesse dimensioni. Così fanno i pianeti, le lune e le stelle, nonché le distanze che li separano. Anche le galassie del nostro gruppo locale non si espandono l'una dall'altra; stanno invece gravitando l'uno verso l'altro. Ecco la chiave per capire cosa si sta espandendo (e non si sta espandendo) nel nostro Universo in espansione.

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)

La prima cosa che dobbiamo capire è qual è la nostra teoria della gravità e come differisce da come potresti pensarla intuitivamente. La maggior parte di noi pensa allo spazio come faceva Newton: come un insieme fisso e immutabile di coordinate su cui poter posizionare le masse. Quando Newton concepì per la prima volta l'Universo, immaginò lo spazio come una griglia. Era un'entità assoluta, fissa, piena di masse che si attrassero gravitazionalmente.

Ma quando Einstein arrivò, riconobbe che questa griglia immaginaria non era stata riparata, non era assoluta e non era affatto come Newton aveva immaginato. Invece, questa griglia era come un tessuto, e il tessuto stesso era curvo, distorto e costretto ad evolversi nel tempo dalla presenza di materia ed energia. Inoltre, la materia e l'energia al suo interno hanno determinato come questo tessuto spaziotempo fosse curvo.

La deformazione dello spaziotempo, nel quadro relativistico generale, da parte delle masse gravitazionali. Piuttosto che una griglia costante e invariata, la Relatività Generale ammette un tessuto spaziotemporale che può cambiare nel tempo e le cui proprietà appariranno diverse agli osservatori con movimenti diversi e in luoghi diversi. (LIGO / T. PYLE)

Ma se tutto ciò che avevi nel tuo spazio-tempo fosse un mucchio di masse, inevitabilmente collasserebbero per formare un buco nero, implodendo l'intero Universo. A Einstein non piaceva quell'idea, quindi ha aggiunto una "correzione" sotto forma di costante cosmologica. Se esistesse un termine in più - che rappresenta una forma extra di energia che permea lo spazio vuoto - potrebbe respingere tutte queste masse e mantenere statico l'Universo. Impedirebbe un collasso gravitazionale. Aggiungendo questa funzionalità extra, Einstein potrebbe far esistere l'Universo in uno stato quasi costante per l'eternità.

Ma non tutti erano così legati all'idea che l'Universo doveva essere statico. Una delle prime soluzioni fu quella di un fisico di nome Alexander Friedmann. Dimostrò che se non avessi aggiunto questa costante cosmologica in più e avessi un Universo pieno di qualcosa di energetico - materia, radiazione, polvere, fluido, ecc. - c'erano due classi di soluzioni: una per un Universo contraente e uno per un universo in espansione.

Il modello del

La matematica ti parla delle possibili soluzioni, ma devi guardare all'Universo fisico per scoprire quale di questi ci descrive. Ciò avvenne negli anni 1920, grazie al lavoro di Edwin Hubble. Hubble fu il primo a scoprire che le singole stelle potevano essere misurate in altre galassie, determinandone la distanza.

Quasi in concomitanza con questo fu il lavoro di Vesto Slipher. Gli atomi funzionano allo stesso modo ovunque nell'Universo: assorbono ed emettono luce a determinate frequenze specifiche che dipendono da come i loro elettroni sono eccitati o diseccitati. Quando ha visto questi oggetti distanti - che ora sappiamo essere altre galassie - le loro firme atomiche sono state spostate su lunghezze d'onda più lunghe di quanto si potesse spiegare.

Quando gli scienziati hanno unito queste due osservazioni, è emerso un risultato incredibile.

Un diagramma della velocità di espansione apparente (asse y) rispetto alla distanza (asse x) è coerente con un universo che si è espanso più velocemente in passato, ma si sta ancora espandendo oggi. Questa è una versione moderna di, che si estende migliaia di volte più lontano rispetto al lavoro originale di Hubble. Le varie curve rappresentano gli universi costituiti da diversi componenti costituenti (NED WRIGHT, BASATO SULL'ULTIMA DATI DI BETOULE ET AL. (2014))

C'erano solo due modi per dare un senso a questo. O:

  1. tutta la relatività era sbagliata, eravamo al centro dell'Universo e tutto si stava allontanando simmetricamente da noi, o
  2. la relatività aveva ragione, Friedmann aveva ragione, e più lontana era una galassia da noi, in media, più velocemente sembrava retrocedere dalla nostra prospettiva.

Con un colpo solo, l'Universo in espansione è passato dall'essere un'idea all'idea principale che descrive il nostro Universo. Il modo in cui funziona l'espansione è un po 'controintuitivo. È come se il tessuto dello spazio stesso si allungasse nel tempo e tutti gli oggetti all'interno di quello spazio fossero trascinati l'uno dall'altro.

Più un oggetto è lontano da un altro, maggiore è lo "stiramento" e quindi più velocemente sembrano allontanarsi l'uno dall'altro. Se tutto ciò che avevi fosse un Universo riempito uniformemente e uniformemente di materia, quella materia diventerebbe semplicemente meno densa e vedrebbe ogni cosa allontanarsi da tutto il resto con il passare del tempo.

Le fluttuazioni fredde (mostrate in blu) nel CMB non sono intrinsecamente più fredde, ma rappresentano piuttosto regioni in cui vi è una maggiore attrazione gravitazionale a causa di una maggiore densità di materia, mentre i punti caldi (in rosso) sono solo più caldi perché la radiazione in quella regione vive in un pozzo gravitazionale poco profondo. Nel tempo, le regioni in eccesso saranno molto più propense a crescere in stelle, galassie e ammassi, mentre le regioni in eccesso saranno meno propense a farlo. (E.M. HUFF, IL TEAM SDSS-III E IL TEAM DEL TELESCOPIO DEL SUD POLE; GRAFICO DI ZOSIA ROSTOMIAN)

Ma l'Universo non è perfettamente uniforme e uniforme. Ha regioni in eccesso, come pianeti, stelle, galassie e ammassi di galassie. Ha regioni sottodimensionate, come grandi vuoti cosmici in cui praticamente non ci sono oggetti massicci.

La ragione di ciò è che ci sono altri fenomeni fisici in gioco oltre all'espansione dell'Universo. Su piccole scale, come le scale delle creature viventi e sotto, dominano le forze elettromagnetiche e nucleari. Su scale più grandi, come quelle di pianeti, sistemi solari e galassie, dominano le forze gravitazionali. La grande competizione si verifica sulla più grande scala di tutte - sulla scala dell'intero Universo - tra l'espansione dell'Universo e l'attrazione gravitazionale di tutta la materia e l'energia presenti al suo interno.

Sulle scale più grandi, l'Universo si espande e le galassie si allontanano l'una dall'altra. Ma su scale più piccole, la gravitazione supera l'espansione, portando alla formazione di stelle, galassie e ammassi di galassie. (NASA, ESA E A. FEILD (STSCI))

Sulla scala più grande di tutte, l'espansione vince. Le galassie più distanti si stanno espandendo così rapidamente che nessun segnale che inviamo, nemmeno alla velocità della luce, le raggiungerà mai.

I supercluster dell'Universo - queste lunghe strutture filamentose popolate di galassie e che si estendono per oltre un miliardo di anni luce - vengono allungati e separati dall'espansione dell'Universo. Nel breve periodo, nei prossimi miliardi di anni, cesseranno di esistere. Anche il più vicino ammasso di galassie della Via Lattea, il gruppo della Vergine, a soli 50 milioni di anni luce di distanza, non ci trascinerà mai dentro. Nonostante un'attrazione gravitazionale che è più di mille volte più potente della nostra, l'espansione dell'Universo guiderà tutto questo a parte.

Una vasta collezione di molte migliaia di galassie costituisce il nostro vicino vicinato entro 100.000.000 di anni luce. Lo stesso cluster di Vergine rimarrà legato insieme, ma la Via Lattea continuerà ad espandersi da essa col passare del tempo. (UTENTE COMUNE WIKIMEDIA ANDREW Z. COLVIN)

Ma ci sono anche scale più piccole in cui l'espansione è stata superata, almeno a livello locale. È molto più facile sconfiggere l'espansione dell'Universo su scale di distanza più piccole, poiché la forza gravitazionale ha più tempo per far crescere le regioni in eccesso su scale più piccole rispetto a quelle più grandi.

Nelle vicinanze, lo stesso cluster di Vergine rimarrà legato gravitazionalmente. La Via Lattea e tutte le galassie dei gruppi locali rimarranno legate insieme, alla fine si fonderanno insieme sotto la loro stessa gravità. La Terra ruoterà attorno al Sole alla stessa distanza orbitale, la Terra stessa rimarrà della stessa dimensione e gli atomi che compongono tutto su di essa non si espanderanno.

Perché? Perché l'espansione dell'Universo ha solo qualche effetto in cui un'altra forza - sia gravitazionale, elettromagnetica o nucleare - non l'ha ancora superata. Se una forza può tenere insieme un oggetto con successo, anche l'Universo in espansione non influenzerà un cambiamento.

Sistema TRAPPIST-1 rispetto ai pianeti del sistema solare e alle lune di Giove. Le orbite di tutto ciò che viene mostrato qui sono immutabili con l'espansione dell'Universo, a causa della forza di gravità vincolante che supera qualsiasi effetto di tale espansione. (NASA / JPL-CALTECH)

La ragione di ciò è sottile ed è legata al fatto che l'espansione stessa non è una forza, ma piuttosto un tasso. Lo spazio si sta ancora espandendo su tutte le scale, ma l'espansione influisce solo cumulativamente sulle cose. C'è una certa velocità con cui lo spazio si espanderà tra due punti qualsiasi, ma devi confrontare quella velocità con la velocità di fuga tra quei due oggetti, che è una misura di quanto strettamente o liberamente siano legati insieme.

Se esiste una forza che lega quegli oggetti maggiore della velocità di espansione dello sfondo, non ci sarà alcun aumento della distanza tra di loro. Se non c'è aumento della distanza, non esiste un'espansione efficace. In ogni istante, è più che contrastato e quindi non ottiene mai l'effetto additivo che si manifesta tra gli oggetti non associati. Di conseguenza, oggetti stabili e legati possono sopravvivere invariati per l'eternità nell'Universo in espansione.

Sia che siano legati dalla gravità, dall'elettromagnetismo o da qualsiasi altra forza, le dimensioni degli oggetti stabili e tenuti insieme non cambieranno mentre l'Universo si espande. Se riesci a superare l'espansione cosmica, rimarrai legato per sempre. (NASA, DI TERRA E MARTE IN SCALA)

Finché l'Universo ha le proprietà che lo misuriamo, questo rimarrà per sempre. L'energia oscura può esistere e far accelerare le galassie lontane da noi, ma l'effetto dell'espansione su una distanza fissa non aumenterà mai. Solo nel caso di un "Big Rip" cosmico - da cui l'evidenza punta lontano, non verso - questa conclusione cambierà.

Il tessuto dello spazio stesso potrebbe ancora espandersi ovunque, ma non ha un effetto misurabile su ogni oggetto. Se una qualche forza ti lega abbastanza forte, l'Universo in espansione non avrà alcun effetto su di te. È solo sulle scale più grandi di tutte, dove tutte le forze di legame tra gli oggetti sono troppo deboli per sconfiggere il rapido tasso di Hubble, che l'espansione avviene affatto. Come ha affermato una volta il fisico Richard Price, "La tua vita potrebbe essere in espansione, ma non puoi incolpare l'espansione dell'universo".

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.