Chiedi a Ethan: Che aspetto ha il bordo dell’universo?
La struttura simulata su larga scala dell’Universo mostra intricati schemi di clustering che… non ripetere mai. Ma dal nostro punto di vista, possiamo vedere solo un volume finito dell’Universo. Cosa c’è oltre questo limite?
V. Springel et al., MPA Garching, e la simulazione del Millennio
13,8 miliardi di anni fa, l’Universo come lo conosciamo iniziò con il Big Bang caldo. Nel corso di quel tempo, lo spazio stesso si è espanso, la materia ha subito attrazione gravitazionale, e il risultato è l’Universo che vediamo oggi. Ma per quanto vasto sia, c’è un limite a ciò che possiamo vedere. Oltre una certa distanza, le galassie scompaiono, le stelle brillano e nessun segnale dall’Universo lontano può essere visto. Cosa c’è oltre a questo? Questa è la domanda di questa settimana di Dan Newman, che chiede:
Se l’universo è finito in volume, allora c’è un limite? È accessibile? E quale potrebbe essere la vista in quella direzione?
Iniziamo partendo dalla nostra posizione attuale e guardando il più lontano possibile.
Nelle vicinanze, le stelle e le galassie che vediamo assomigliano molto alle nostre. Ma mentre guardiamo più lontano, noi… guarda l’Universo come era nel lontano passato: meno strutturato, più caldo, più giovane e meno evoluto.
NASA, ESA e A. Feild (STScI)
Nel nostro cortile, l’Universo è pieno di stelle. Ma andare più di circa 100.000 anni luce di distanza, e hai lasciato la Via Lattea alle spalle. Oltre a ciò, c’è un mare di galassie: forse due trilioni in totale contenuti nel nostro Universo osservabile. Sono disponibili in una grande diversità di tipi, forme, dimensioni e masse. Ma guardando indietro a quelle più lontane, inizi a trovare qualcosa di insolito: più una galassia è lontana, più è probabile che sia più piccola, di massa inferiore e che le sue stelle siano intrinsecamente più blu di quelle vicine.
Come le galassie appaiono diverse in diversi punti della storia dell’Universo: più piccole, più blu,… più giovane, e meno evoluto in tempi precedenti.
NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University) e il team 3D-HST
Questo ha senso nel contesto di un Universo che ha avuto un inizio: un compleanno. Questo è ciò che è stato il Big Bang, il giorno in cui l’Universo come lo conosciamo è nato. Per una galassia che è relativamente vicina, è quasi la stessa età che abbiamo. Ma quando guardiamo una galassia lontana miliardi di anni luce, quella luce ha avuto bisogno di viaggiare per miliardi di anni per raggiungere i nostri occhi. Una galassia la cui luce impiega 13 miliardi di anni per raggiungerci deve avere meno di un miliardo di anni, e così più ci allontaniamo, stiamo fondamentalmente guardando indietro nel tempo.
Il composito UV-visibile-IR completo dell’Hubble eXtreme Deep Field; la più grande immagine mai rilasciata… dell’Universo lontano.
NASA, ESA, H. Teplitz e M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) e Z. Levay (STScI)
L’immagine sopra è l’Hubble eXtreme Deep Field (XDF), l’immagine più profonda dell’Universo lontano mai scattata. Ci sono migliaia di galassie in questa immagine, a una grande varietà di distanze da noi e l’una dall’altra. Quello che non si può vedere in colori semplici, però, è che ogni galassia ha uno spettro associato ad essa, dove nuvole di gas assorbono la luce a lunghezze d’onda molto particolari, basate sulla semplice fisica dell’atomo. Mentre l’Universo si espande, quella lunghezza d’onda si estende, quindi le galassie più lontane appaiono più rosse di quanto altrimenti farebbero. Che la fisica ci permette di dedurre la loro distanza, ed ecco, quando assegniamo loro le distanze, le galassie più lontane sono le più giovani e le più piccole di tutte.
Oltre le galassie, ci aspettiamo che ci siano le prime stelle, e poi nient’altro che gas neutro, quando l’Universo non aveva avuto abbastanza tempo per tirare la materia in stati abbastanza densi da formare ancora una stella. Tornando indietro di altri milioni di anni, la radiazione nell’Universo era così calda che gli atomi neutri non potevano formarsi, il che significa che i fotoni rimbalzavano continuamente dalle particelle cariche. Quando gli atomi neutri si sono formati, quella luce dovrebbe semplicemente fluire in linea retta per sempre, non influenzata da qualcosa di diverso dall’espansione dell’Universo. La scoperta di questo bagliore residuo – lo sfondo delle microonde cosmiche-più di 50 anni fa è stata l’ultima conferma del Big Bang.
Schema schematico della storia dell’Universo, evidenziando la reionizzazione. Prima di stelle o galassie… formato, l’Universo era pieno di atomi neutri che bloccavano la luce. Mentre la maggior parte dell’Universo non diventa reionizzata fino a 550 milioni di anni dopo, alcune regioni fortunate sono per lo più reionizzate in tempi precedenti.
Credito: S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center
Così da dove siamo oggi, possiamo guardare fuori in qualsiasi direzione che ci piace e vedere la stessa storia cosmica dispiegarsi. Oggi, 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, abbiamo le stelle e le galassie che conosciamo oggi. In precedenza, le galassie erano più piccole, più blu, più giovani e meno evolute. Prima di questo, c’erano le prime stelle, e prima di questo, solo atomi neutri. Prima degli atomi neutri, c’era un plasma ionizzato, poi ancora prima c’erano protoni e neutroni liberi, creazione spontanea di materia e antimateria, quark liberi e gluoni, tutte le particelle instabili nel Modello Standard e infine il momento del Big Bang stesso. Guardare a distanze sempre maggiori equivale a guardare indietro nel tempo.
Concezione in scala logaritmica dell’universo osservabile. Le galassie lasciano il posto a grandi dimensioni… la struttura e il plasma caldo e denso del Big Bang in periferia. Questo ‘bordo’ è un confine solo nel tempo.
Utente di Wikipedia Pablo Carlos Budassi
Sebbene questo definisca il nostro Universo osservabile — con il limite teorico del Big Bang situato a 46,1 miliardi di anni luce dalla nostra posizione attuale — questo non è un vero confine nello spazio. Invece, è semplicemente un limite nel tempo; c’è un limite a ciò che possiamo vedere perché la velocità della luce consente alle informazioni di viaggiare solo così lontano nei 13,8 miliardi di anni dal Big Bang caldo. Quella distanza è più lontano di 13.8 miliardi di anni luce perché il tessuto dell’Universo si è espanso (e continua ad espandersi), ma è ancora limitato. Ma che dire prima del Big Bang? Cosa vedresti se in qualche modo andassi al tempo solo una piccola frazione di secondo prima di quando l’Universo era alle sue energie più alte, caldo e denso, e pieno di materia, antimateria e radiazioni?
L’inflazione ha creato il Big Bang caldo e ha dato origine all’Universo osservabile a cui abbiamo accesso. Il… le fluttuazioni dell’inflazione hanno piantato i semi che sono cresciuti nella struttura che abbiamo oggi.
Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modifiche di E. Siegel
Scopriresti che c’era uno stato chiamato inflazione cosmica: dove l’Universo si stava espandendo ultra velocemente e dominato dall’energia inerente allo spazio stesso. Lo spazio si espanse esponenzialmente durante questo periodo, dove fu allungato piatto, dove gli furono date le stesse proprietà ovunque, dove le particelle preesistenti furono tutte allontanate e dove le fluttuazioni nei campi quantici inerenti allo spazio furono allungate attraverso l’Universo. Quando l’inflazione finì dove siamo, il caldo Big Bang riempì l’Universo di materia e radiazioni, dando origine alla parte dell’Universo — l’Universo osservabile — che vediamo oggi. 13,8 miliardi di anni dopo, eccoci qui.
L’Universo osservabile potrebbe essere 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni dal nostro punto di vista,… ma c’è certamente di più, Universo inosservabile, forse anche una quantità infinita, proprio come il nostro al di là di questo.
Frédéric MICHEL e Andrew Z. Colvin, annotati da E. Siegel
Il fatto è che non c’è niente di speciale nella nostra posizione, né nello spazio né nel tempo. Il fatto che possiamo vedere 46 miliardi di anni luce di distanza non rende quel confine o quella posizione qualcosa di speciale; segna semplicemente il limite di ciò che possiamo vedere. Se potessimo in qualche modo scattare una “istantanea” dell’intero Universo, andando ben oltre la parte osservabile, come esiste 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang ovunque, sembrerebbe tutto come il nostro Universo vicino fa oggi. Ci sarebbe una grande rete cosmica di galassie, ammassi, filamenti e vuoti cosmici, che si estende ben oltre la regione relativamente piccola che possiamo vedere. Qualsiasi osservatore, in qualsiasi luogo, avrebbe visto un Universo che era molto simile a quello che vediamo dalla nostra prospettiva.
Una delle viste più lontane dell’Universo mette in mostra le stelle e le galassie vicine viste lungo il… ma le galassie più vicine alle regioni esterne sono semplicemente viste in uno stadio più giovane e precedente dell’evoluzione. Dal loro punto di vista, sono 13.8 miliardi di anni (e più evoluto), e noi appaiono come abbiamo fatto miliardi di anni fa.
NASA, ESA, the GOODS Team e M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts)
I singoli dettagli sarebbero diversi, proprio come i dettagli del nostro sistema solare, galassia, gruppo locale e così via, sono diversi dal punto di vista di qualsiasi altro osservatore. Ma l’Universo stesso non è finito in volume; è solo la parte osservabile che è finita. La ragione di ciò è che c’è un confine nel tempo — il Big Bang — che ci separa dal resto. Possiamo avvicinarci a quel confine solo attraverso i telescopi (che guardano a tempi precedenti nell’Universo) e attraverso la teoria. Fino a quando non capiremo come aggirare il flusso in avanti del tempo, questo sarà il nostro unico approccio per comprendere meglio il “bordo” dell’Universo. Ma nello spazio? Non c’è alcun vantaggio. Per il meglio che possiamo dire, qualcuno al limite di ciò che vediamo semplicemente ci vedrebbe come il bordo invece!
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