Cosa accadrebbe se viaggiassi nell’universo in linea retta per sempre?

L’Universo è un luogo vasto, meraviglioso e strano tutto in una volta. Dal nostro punto di vista, possiamo vedere per circa 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni e possiamo vedere indietro nel tempo fino a dove possono vedere i nostri telescopi. Ovunque guardiamo, vediamo un Universo pieno di stelle e galassie, ma sono davvero tutte uniche? È possibile, forse, che se guardi abbastanza lontano in una direzione e vedi una galassia, vedresti anche quella stessa galassia, da una prospettiva diversa, nella direzione opposta? L’Universo potrebbe davvero tornare indietro su se stesso? E se viaggiaste abbastanza in linea retta, alla fine tornereste al punto di partenza, proprio come se viaggiaste in una direzione qualsiasi per un periodo abbastanza lungo sulla superficie della Terra? O qualcosa ti fermerebbe?

Quando guardiamo nel cosmo, non vediamo gli oggetti così come esistono in questo momento.

Perché è così?

Il Big Bang si è verificato ovunque contemporaneamente, e se ci fossimo trovati in qualsiasi altra parte dell’Universo, oggi sarebbero trascorsi gli stessi 13,8 miliardi di anni da allora. Se guardassimo la Terra dal suo esterno, dovremmo tenere conto del fatto che non vedremmo la Terra come è oggi, ma piuttosto la Terra com’era quando la luce che sta arrivando proprio in questo momento è stata emessa da essa.

Se fossimo sulla Luna, quella luce sarebbe vecchia di circa 1,3 secondi. Se fossimo su un pianeta in orbita attorno ad Alpha Centauri, quella luce avrebbe 4,3 anni. E se fossimo nella galassia di Andromeda, quella luce avrebbe 2,5 milioni di anni.

Lo stesso principio è in gioco ogni volta che guardiamo un oggetto lontano dalla nostra prospettiva: stiamo vedendo quegli oggetti come erano quando la luce che sta arrivando ora è stata emessa. Inoltre, se guardiamo più lontano di lune, pianeti, stelle e galassie che si trovano all’interno del nostro Gruppo Locale (il gruppo di galassie legate gravitazionalmente di cui fa parte la Via Lattea), c’è un fattore aggiuntivo in gioco: lo spazio attraverso il quale viaggia la luce si sta espandendo.

Questa è stata una delle più grandi rivoluzioni nella nostra comprensione del cosmo avvenuta nel 20° secolo: la scoperta che l’Universo si sta espandendo. Più lontana è una galassia lontana, ammesso che non sia legata gravitazionalmente alla nostra, maggiore è la quantità di luce spostata verso il rosso o allungata a lunghezze d’onda maggiori.

Ci sono tre casi nell’Universo che possono comunemente causare uno spostamento verso il rosso:

Sebbene i primi due effetti possano essere sostanziali su brevi distanze, sulle scale cosmiche più grandi conta solo l’espansione dell’Universo.

Il fatto che l’Universo si stia espandendo è importante per una serie di ragioni, specialmente da una prospettiva cosmica. Ci permette di dedurre la nostra storia cosmica e il nostro emergere da uno stato più caldo, più denso, più uniforme e in più rapida espansione. Ci permette, se possiamo misurare come è cambiata la velocità di espansione nel tempo, di dedurre quali sono i vari tipi e rapporti di energia che compongono l’Universo.

E, se possiamo sapere sia come si sta espandendo l’Universo sia cosa contiene, possiamo prevedere come si espanderà nel lontano futuro e quale sarà il nostro destino cosmico finale.

“Sì, sì, bene“, posso sentirti brontolare. “Ma cosa c’entra, allora, con la domanda su cosa ti accadrebbe se viaggiassi in linea retta, per sempre, attraverso l’Universo?“

Siamo quasi pronti per arrivarci, ma prima voglio che tu consideri quali sarebbero le tue opzioni se viaggiassi in linea retta, per sempre, attraverso un Universo che non si sta espandendo, ma piuttosto, attraverso un universo statico e immutabile.

Nel caso di un Universo statico e immutabile, tutto dipenderebbe da ciò che conosciamo, matematicamente, come la topologia dell’Universo. Una delle grandi rivoluzioni provocate dalla Relatività Generale di Einstein è stata la realizzazione che lo spazio stesso non è semplicemente descrivibile da una griglia rigida, assoluta, tridimensionale fatta di linee rette. Invece, lo spazio stesso è necessariamente curvato dalla presenza (o assenza) di materia ed energia. Laddove si dispone di una grande e eccessiva raccolta di materia e/o energia, si ha una maggiore quantità di curvatura spaziale (positiva) e ovunque vi sia una quantità inferiore alla media o addirittura una quantità negativa, si ottiene una curvatura negativa.

Bene, in Relatività Generale, può esserci una struttura globale nello spaziotempo in cui abiti. Il tuo spaziotempo può essere curvato positivamente, come una sfera (di dimensioni superiori); può essere curvato negativamente, come una sella (di dimensioni superiori); oppure può essere piatto, dove non c’è né curvatura positiva né negativa sulle scale generali più grandi.

Mentre è facile vedere come uno spazio curvo positivamente può essere finito e chiuso, è un po’ meno intuitivo rendersi conto che anche uno spazio piatto potrebbe essere finito e chiuso, ma è così. Per capire, immagina semplicemente un cilindro lungo e dritto, quindi piegalo a forma di ciambella fino a quando le due estremità non si collegano. Questa forma, nota come toro, è sia spazialmente piatta che finita e chiusa.

Se l’Universo non si stesse espandendo, potresti immaginare solo due possibilità.

Quando abbiamo osservato l’Universo in tutti i modi che sappiamo – alle galassie al suo interno, al gas e al plasma che possiamo mappare, alla radiazione emessa dalle stelle, dalle molecole e persino dal Big Bang stesso – abbiamo cercato per ripetere schemi, sperando di trovare prove che l’Universo potrebbe essere finito su scale che possiamo osservare.

Ma non c’è tale fortuna. In effetti, in tutto l’intero Universo, siamo stati in grado di affermare con sicurezza che non ci sono strutture ripetute, nessun luogo in cui vediamo oggetti in una direzione che corrispondono a oggetti in un’altra direzione, e nessun modello anche nella prima luce che può essere identificato come identico in due diverse regioni.

In effetti, l’unica volta in cui vediamo più immagini della stessa sorgente astronomica è quando c’è una grande massa gravitazionale situata da qualche parte nello spazio e la luce di una sorgente di sfondo viene piegata e distorta in più percorsi diversi che possono tutti con successo arrivare ai nostri occhi. Sebbene questo fenomeno, noto come lente gravitazionale, sia sia otticamente che scientificamente fenomenale, è limitato ad angoli e regioni del cielo molto stretti e localizzati.

Ma ora arriviamo alla realtà allo stesso tempo importante e scomoda della situazione: l’Universo non è statico, ma piuttosto si sta espandendo. Tuttavia, non si sta solo espandendo; poiché è pieno di materia ed energia, gravita anche mentre si espande. Potete immaginare, almeno in linea di principio, alcune possibilità di ciò che ciò significherà per il nostro lontano futuro.

Per la maggior parte del 20° secolo, queste sono state le tre principali possibilità considerate dai cosmologi e la ricerca per misurare il tasso di espansione e la storia dell’espansione dell’Universo aveva lo scopo di discernere tra queste opzioni.

Se la prima opzione descrivesse la nostra realtà, non potresti viaggiare in linea retta per sempre, perché l’Universo sarebbe in giro solo per un tempo limitato, e quindi ti imbatteresti in una sorta di muro: un muro nel tempo. Potresti tornare al tuo punto di partenza prima che l’Universo collassi completamente viaggiando in quella linea retta, ma potenzialmente potresti goderne solo per un breve periodo.

Se la seconda o la terza opzione descrivessero la nostra realtà, alla fine saresti in grado di “raggiungere” qualsiasi galassia o oggetto là fuori, anche quelli che si stanno espandendo molto rapidamente lontano da noi. Nel corso del tempo, il tasso di espansione continuerà a diminuire e progressivamente galassie sempre più distanti apparirebbero prima, per poi essere sorpassate da un viaggiatore spaziale che ha continuato a muoversi in quella stessa linea retta abbastanza a lungo. Se l’Universo fosse infinito, alla fine saremmo in grado di raggiungere qualsiasi cosa; se l’Universo fosse finito, alla fine saremmo in grado di tornare al nostro punto di partenza.

Tuttavia, e questo è un enorme “tuttavia” – nessuno di questi scenari descrive adeguatamente come il nostro Universo si stia effettivamente espandendo. In realtà, viviamo in un Universo dominato dall’energia oscura: una forma di energia inerente al tessuto dello spazio che mantiene sempre una densità di energia costante. Anche se lo spazio stesso si espande, la densità dell’energia oscura non diminuisce mai e, quindi, il tasso di espansione rimane sempre positivo e finito. Questo cambia drasticamente il nostro destino previsto e significa che se dovessi puntare il dito su una galassia che non è legata gravitazionalmente a noi, scopriresti che, una volta che si è espansa oltre una certa distanza da noi, non potremo mai raggiungerla. In effetti, sarà scomparsa dalla nostra portata, non importa per quanto tempo viaggiamo e non importa quanto vicino alla velocità della luce siamo stati in grado di viaggiare.

E questo, purtroppo, ci fornisce la nostra risposta. Se viaggiassi in linea retta, potresti viaggiare per sempre nel tempo, ma saresti in grado di raggiungere solo una piccola parte dell’Universo osservabile. Tutto ciò che si trova al di là del nostro attuale orizzonte cosmico – oltre il limite di ciò che possiamo vedere attualmente – è per sempre al di là della nostra capacità di raggiungere. Infatti, oggi, tutto ciò che è distante più di 18 miliardi di anni luce è già irraggiungibile. Ciò significa che, di tutto ciò che possiamo osservare, solo il 6% circa degli oggetti che sono là fuori sono potenzialmente raggiungibili da noi. Con ogni singolo secondo che passa, ci sono decine di migliaia di stelle che l’Universo in espansione spinge oltre quel confine critico, facendole passare da “raggiungibili” a “irraggiungibili”.

Nonostante tutte le possibilità che riguardano la forma, la curvatura e la topologia dell’Universo, viaggiare in linea retta, anche per sempre, non potrà mai riportarti al punto di partenza. I fatti combinati che:

assicura che non saremo mai in grado di circumnavigare l’Universo nel modo in cui possiamo circumnavigare la Terra. L’Universo può, su una scala cosmica molto grande, essere veramente di natura finita. Ma anche se lo fosse, non saremo mai in grado di saperlo. Mentre possiamo viaggiare attraverso lo spazio quanto vogliamo, il più velocemente possibile, per tutto il tempo che possiamo immaginare senza fine, la maggior parte di ciò che è nell’Universo è già per sempre fuori dalla nostra portata. C’è un orizzonte cosmico che limita la distanza che possiamo percorrere attraverso l’Universo in espansione, e gli oggetti a più di 18 miliardi di anni luce di distanza attualmente, sono già effettivamente scomparsi per sempre.