Se la luce ha avuto solo tredici miliardi e ottocento milioni di anni per viaggiare, un universo di novantatré miliardi di anni luce di diametro sembra impossibile. L’apparente contraddizione deriva dal considerare l’universo come una stanza fissa con un cronometro al suo interno, mentre in realtà la distanza tra regioni ampiamente separate è cambiata costantemente durante il percorso dei fotoni.
L’espansione dello spazio e l’età dell’universo
Se la luce ha avuto solo tredici miliardi e ottocento milioni di anni per viaggiare, un universo di novantatré miliardi di anni luce di diametro sembra impossibile. L’apparente contraddizione deriva dal considerare l’universo come una stanza fissa con un cronometro al suo interno, mentre in realtà la distanza tra regioni ampiamente separate è cambiata costantemente durante il percorso dei fotoni.
Nel modello cosmologico standard, l’universo osservabile possiede un raggio attuale di circa quarantasei miliardi di anni luce, che corrisponde a un diametro di circa novantadue o novantatré miliardi di anni luce. L’astrofisica della NASA Amber Straughn fornisce la stima più comunemente utilizzata, pari a circa novantadue miliardi di anni luce, mentre la cifra di novantatré miliardi rappresenta lo stesso risultato con un arrotondamento leggermente differente e parametri specifici.
Quel numero non significa che un singolo fotone abbia attraversato quarantasei miliardi di anni luce di spazio statico per raggiungere la Terra. Significa piuttosto che le regioni da cui provenivano i primi segnali osservabili si trovano ora a quella distanza, dopo che lo spazio tra le stesse regioni e il nostro pianeta si è espanso durante il viaggio dei segnali luminosi.
La radiazione cosmica di fondo e il viaggio della luce
L’anno luce è un’unità di misura della distanza che indica quanta strada percorre la luce nello spazio vuoto in un anno. In un contesto di non espansione, moltiplicando tredici miliardi e ottocento milioni di anni per la velocità della luce si otterrebbe una distanza massima di tredici miliardi e ottocento milioni di anni luce, un’intuizione valida unicamente nel Sistema Solare e nell’universo circostante dove l’espansione è trascurabile.
La luce più antica che possiamo osservare è la radiazione cosmica di fondo, o CMB. Per circa i primi trecentottantamila anni, la materia ordinaria è esistita sotto forma di plasma ionizzato che disperdeva ripetutamente i fotoni, finché il raffreddamento dell’universo ha permesso agli elettroni di unirsi ai nuclei atomici, rendendo il plasma trasparente e consentendo alla luce di viaggiare liberamente.
Quei fotoni iniziarono il loro viaggio ininterrotto quando le regioni d’origine erano molto più vicine alla materia che avrebbe formato la Via Lattea. Mentre ogni fotone si muoveva localmente alla velocità della luce, la scala dello spazio continuava a cambiare, allungando la lunghezza d’onda e trasformando quella che era una calda radiazione termica nella luce a microonde misurata dai satelliti moderni.
Orizzonti cosmologici e velocità di recessione
Questo scenario solleva un interrogativo fondamentale riguardo alla velocità: se la distanza è aumentata di decine di miliardi di anni luce in tredici miliardi e ottocento milioni di anni, significa forse che qualcosa si è mosso più velocemente della luce? La relatività speciale vieta che materia o informazioni superino tale limite per un osservatore vicino, ma non impone lo stesso vincolo alla metrica con cui la distanza tra regioni sufficientemente distanti può aumentare.
L’espansione cosmica non descrive galassie che accelerano nello spazio, bensì un cambiamento nella metrica geometrica. Studi condotti da ricercatori come Tamara Davis e Charles Lineweaver hanno dimostrato che la cosmologia standard consente di osservare galassie le cui velocità di recessione hanno superato la velocità della luce, senza violare la relatività speciale poiché il fotone viaggia localmente verso di noi mentre lo spazio interposto subisce variazioni.
L’universo osservabile non rappresenta l’intero universo, bensì la regione da cui i segnali hanno avuto il tempo di raggiungerci, con un confine noto come orizzonte delle particelle zero che costituisce un limite osservativo centrato sull’osservatore. Il diametro di novantatré miliardi di anni luce non misura un limite esterno definitivo, ma definisce la dimensione attuale e dipendente dal modello per la regione causalmente visibile del nostro cosmo.
Lo studio è stato pubblicato su arXiv.
