In tutti i sensi 

Prima delle altre domande

Una precisazione. Tutto quello che abbiamo scritto nei precedenti articoli e per i futuri si basa sul cosiddetto “Modello Cosmologico Standard” detto anche del Big Bang o in forma più tecnica ΛCDM, o ancora FLRW. Più avanti vedremo cosa significano queste sigle. Non si tratta quindi di opinioni, in particolare mie, ma di risultati e misure reali, delle interpretazioni più condivise dagli scienziati di questo settore. Si tenga conto che negli ultimi venti anni la Cosmologia, la scienza che studia l’Universo, è cambiata notevolmente, grazie anche allo sviluppo di nuove tecniche osservative, di grandi investimenti in missioni spaziali, telescopi terrestri e migliaia di scienziati al lavoro. Dietro tutte le mie affermazioni, ci stanno anni di ricerca e dibattito di cui noi cerchiamo di capire i risultati. Ogni errore di interpretazione sarà esclusivamente mio. Ricordiamo che ogni teoria fisica è provvisoria fino ad una nuova scoperta o nuove leggi che ne estendano l’applicabilità. E ora ritorniamo alle domande e risposte sul nostro Universo “pazzesco”.

C’è un inizio? Sì. Come detto, secondo l’opinione più accettata, tutto ha inizio in un istante: il Big Bang. Quello che succede nei primi miliardesimi di secondo è oggetto della frontiera della ricerca. Qui le equazioni del modello cosmologico standard non valgono più. Tutte le conoscenze sulla fisica vengono messe insieme, ma al momento è un territorio che ritengo opportuno non affrontare. Allora spostiamoci a 380.000 anni dal Big Bang. Quando si forma tutta la materia in forma atomica e l’Universo diventa trasparente. La luce prima intrappolata nel brodo di particelle di tutti i tipi finalmente è libera. E sia il Fiat Lux. Viene emessa una radiazione, luce, alla temperatura di circa 3.000 gradi (Kelvin), quasi come il Sole, che riempie tutto l’Universo.

Vediamo ancora questa luce? Sì. Non con i nostri occhi ma con adeguati strumenti. Ed ecco uno dei fenomeni più importanti e più utili per studiare e capire l’Universo. Mentre l’Universo si espande, la luce si espande, ovvero il suo colore diventa sempre più rosso. A tal punto da diventare invisibile. Oggi quel bagliore, nato quando l’Universo aveva circa 380.000 anni è intorno a noi. Uguale in tutte le direzioni. Anzi è una delle prove più importanti, che il nostro Universo è isotropo. Questa luce si è “raffreddata” passando da tremila gradi circa agli attuali 2,73 gradi assoluti (circa 270 gradi sotto zero!).

Fig. 1 Immagine del CMB

E’ una luce diversa. E’ quella che usiamo nei radar, nei telefonini. Si chiamano microonde, si quelle del forno! Infatti questa radiazione di fondo è stata scoperta negli anni 60 del secolo scorso con antenne simili a quelle usate per i ponti radio delle società di telecomunicazioni. Il nome altisonante è Cosmic Microwave Background, CMB. Ricordate la figura del primo articolo “Un Universo Democratico”? Rieccola.

Ma di quanto si è espanso o si espande? Nel punto precedente abbiamo deciso di seguire l’Universo dal momento in cui è diventato trasparente. Ebbene da quel momento si è espanso di circa 1.100 volte. Non tanto se pensate che sono passati più di tredici miliardi di anni! Eppure nel punto precedente c’era un indizio. La luce si è “arrossata” passato da luce vera e propria a microonde. La “sua temperatura” si è abbassata di circa 1.100 volte. Si. Avete capito bene. Almeno qui sembra tutto semplice. L’Universo raddoppia? La sua temperatura dimezza. 100 volte più grande? La sua temperatura diventa 100 volte più piccola. Ogni tanto qualche relazione molto semplice. Si tratta della conseguenza della solita assunzione che il nostro Universo è Democratico. Cominciamo a chiudere il cerchio.

E’ vero che una stella che sto osservando potrebbe non esistere più.  Sì, ma non ha nulla a che fare con l’espansione dell’Universo. Però è una domanda molto utile. Se osservo una stella distante 4 anni luce, io vedo la sua immagine di 4 anni fa. Quindi potrebbe essere scomparsa. Le stelle vivono per alcuni miliardi di anni in media ed è improbabile che si sia spenta proprio ora. Se guardo la nostra galassia sorella Andromeda che dista più di due milioni di anni luce, la vedo come era due milioni di anni fa. Vero. Tranquilli vivrà molto più a lungo.

Fig. 2 Galassia di Andromeda

Anzi Andromeda si sta avvicinando alla Via Lattea e sembra che tra qualche miliardo di anni si fonderanno con la più grandiosa danza che possiamo concepire. Senza conseguenze. Non ci saranno scontri tra stelle o pianeti. Ricordate, c’è tanto vuoto. La probabilità di eventuali collisioni è praticamente nulla. Ma andiamo oltre.

E se stiamo osservando una galassia lontana 1 miliardo di anni luce? Qui entra in gioco l’espansione su grande scala dell’Universo, che nella domanda precedente abbiamo potuto trascurare. Noi sappiamo che la luce ha viaggiato per un miliardo di anni grazie al suo “arrossamento”. Sul come, sarà oggetto di un futuro articolo. Ma mentre la luce viaggiava verso di noi lo spazio tra lei e noi si espandeva anche se lentamente. Lo stesso vale per lo spazio tra la luce in viaggio e la galassia da cui era partita. Facendo un po di calcoli e in base a quelle che sono le caratteristiche dell’universo si trova che la galassia in questo momento si trova non a 1 miliardo di anni luce ma a 1,04 miliardi di anni luce. Poco più in là.

E se fosse lontana 10 miliardi di anni luce? Si, esageriamo. Con adeguati strumenti, tipo telescopio spaziale osserviamo una galassia la cui luce ha viaggiato per 10 miliardi di anni, ovvero è partita quando l’universo aveva appena 3,7 miliardi di anni. Ebbene quella galassia in questo momento si trova a circa 16 Miliardi di anni luce. Ricordate, mentre la luce viaggiava verso di noi l’Universo si espandeva. Anzi in questo tempo l’Universo si è espanso di circa tre volte. ALT. Se nel frattempo l’Universo si è espanso di circa tre volte e la galassia sta a 16 miliardi di anni luce, significa che quando è partita la luce la galassia si trovava a un terzo di 16, ovvero 5,3 miliardi di anni luce? Sì! Stavamo ad appena 5,3 miliardi di anni luce (in realtà la Terra non esisteva ancora ma il punto dello spazio dove ci troviamo ora si). Quando la luce è partita dalla galassia, ovvero è stata emessa, ha impiegato 10 miliardi di anni per raggiungerci perché durante il lungo viaggio la distanza andava aumentando per effetto della espansione dell’Universo. Quindi l’immagine che vediamo è quella della galassia quando distava 5,3 miliardi di anni luce da noi e 10 miliardi di anni fa. Sembra un giochino. Ma è l’essenza dell’espansione.

Fig. 3 Galassia più lontana

Per l’oggetto più lontano osservato a oggi la luce ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni e si trova oggi quasi a 30 miliardi di anni luce. L’universo da allora è cresciuto di 8 volte!

Fermiamoci qui. Riflettere su queste notizie fuori dall’ordinario. Preparatevi. Abbiamo sorprese ancora più folli e fantastiche per il prossimo articolo, dove parleremo anche di velocità di allontanamento delle galassie!

Se volete controllare o rifare questi calcoli andate su Google Play o su Apple store e scaricate WolframAlpha (anche su PC www.wolframalpha.com). Cercate Cosmology. Immettete vari valori al redshift z, scegliete redshift cosmologico (non doppler please), leggete i risultati e controllate anche i miei numeri.

Luglio 2014