Avvicinandoci ai confini dell’Universo

Cosa vediamo man mano che ci avviciniamo con lo sguardo ai bordi dell'universo, scrutando a distanze incommensurabili di decine di miliardi di anni luce, vedendo cose che accadevano oltre 13 miliardi di anni fa?

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Nonostante tutto ciò che abbiamo imparato sul nostro Universo, ci sono molte domande che rimangono senza risposta.

Non sappiamo se il nostro Universo sia limitato o infinito; sappiamo solo che la sua dimensione fisica deve essere maggiore della porzione che possiamo osservare. Non sappiamo se il nostro Universo comprende tutto ciò che esiste, o se è solo uno dei tanti Universi che compongono un multiverso.

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E rimaniamo ignoranti su ciò che è accaduto nelle prime fasi di tutto: nella prima piccola frazione di secondo del caldo Big Bang, poiché mancano le prove necessarie per trarre una conclusione solida.

Ma una cosa di cui siamo certi è che l’Universo ha un vantaggio: non nello spazio, ma nel tempo. Poiché il Big Bang caldo si è verificato in passato, un tempo noto, finito – 13,8 miliardi di anni fa, con un’incertezza inferiore all’1% – c’è un “limite”, per quanto lontano, a ciò possiamo vedere. Anche alla velocità della luce, il limite ultimo della velocità cosmica, esiste un limite fondamentale alla distanza che possiamo vedere. Più lontano guardiamo, più indietro nel tempo siamo in grado di vedere. Ecco cosa vediamo mentre ci avviciniamo ai margini dell’Universo.

Oggi vediamo l’Universo come esiste 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang. La maggior parte delle galassie che vediamo sono raggruppate in gruppi galattici (come il gruppo locale) e grandi gruppi (come il cluster di Vergine), separati da enormi regioni di spazio prevalentemente vuoto note come vuoti cosmici. Le galassie all’interno di questi gruppi sono un mix di spirali ed ellittiche, in cui una galassia tipica simile alla Via Lattea forma in media circa 1 nuova stella simile al Sole all’anno.

Inoltre, la materia normale nell’Universo è principalmente costituita da idrogeno ed elio, ma circa l’1-2% della materia normale è costituita da elementi più pesanti della tavola periodica, consentendo la formazione di pianeti rocciosi come la Terra. Sebbene ci sia molta varietà – alcune galassie stanno attivamente formando stelle, alcune hanno buchi neri attivi, altre non hanno formato nuove stelle per miliardi di anni, ecc. – Le galassie che vediamo sono grandi, evolute e raggruppate insieme, in media .

Ma mentre guardiamo sempre più lontano, iniziamo a vedere come l’Universo è cresciuto per diventare come lo vediamo oggi. Se guardiamo a distanze maggiori, scopriamo che l’Universo è leggermente più uniforme, in particolare su scale più grandi. Vediamo che le galassie sono di massa inferiore e meno evolute; ci sono più spirali e meno galassie ellittiche. In media, ci sono maggiori proporzioni di stelle blu e che il tasso di formazione stellare era più alto in passato. In media c’è meno spazio tra le galassie, ma le masse complessive di gruppi e cluster erano più piccole in tempi precedenti.

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Ne esce l’immagine di un universo in cui le galassie moderne di oggi sono state create da galassie più piccole e di massa inferiore che si fondono insieme su scale temporali cosmiche, costruendosi per diventare i colossi moderni che vediamo intorno a noi. L’universo, in epoche precedenti, è costituito da galassie che sono:

  • fisicamente più piccole,
  • di massa inferiore,
  • più vicine tra loro,
  • più numerose,
  • con più stelle blu,
  • più ricche di gas,
  • con tassi più elevati di formazione stellare,
  • e con minore proporzione di elementi più pesanti,

rispetto alle galassie di oggi.

Ma mentre andiamo sempre più lontano questa immagine che cambia gradualmente inizia a trasformarsi bruscamente. Quando guardiamo indietro a una distanza che è attualmente di 19 miliardi di anni luce di distanza, corrispondente a quando erano passati solo ~ 3 miliardi di anni dal caldo Big Bang, vediamo che la formazione stellare dell’Universo ha raggiunto il suo massimo: circa 20-30 volte il tasso in cui si formano oggi nuove stelle. Un’enorme frazione di buchi neri supermassicci sono attivi in ​​questo momento, emettendo enormi quantità di particelle e radiazioni a causa del consumo di materia circostante.

Negli ultimi ~ 11 miliardi di anni circa, l’evoluzione dell’Universo ha rallentato. Certo, la gravitazione continua a far crollare le strutture, ma l’energia oscura inizia a lavorare contro di essa, arrivando a dominare l’espansione dell’Universo più di 6 miliardi di anni fa. Nuove stelle continuano a formarsi, ma il picco della formazione stellare è nel nostro lontano passato. E i buchi neri supermassicci continuano a crescere, ma in precedenza brillavano nella loro forma più brillante, ed oggi una frazione maggiore di essi sono più deboli e inattivi che durante queste prime fasi.

Ma quando ci avviciniamo a 27 miliardi di anni luce di distanza, l’Universo aveva solo 1 miliardo di anni. La formazione stellare era molto minore, poiché le nuove stelle si formavano a velocità di circa un quarto di quella che avremo in seguito, al loro apice. La percentuale della materia normale che è composta da elementi pesanti precipita allo 0,1% a un’età di 1 miliardo di anni e allo 0,01% a un’età di circa 500 milioni di anni. I pianeti rocciosi, nell’ambiente dell’universo primordiale potrebbero essere stati impossibili.

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Non solo lo sfondo cosmico a microonde era significativamente più caldo – lo avremmo visto negli infrarossi piuttosto che a lunghezze d’onda a microonde – ma ogni galassia nell’Universo eragiovane e piena di giovani stelle; probabilmente non c’erano galassie ellittiche all’inizio.

Andare più indietro di questo spinge davvero i limiti della nostra attuale strumentazione, ma telescopi come Keck, Spitzer e Hubble hanno già iniziato a portarci lì. Una volta tornati a distanze di circa 29 miliardi di anni luce o più lontano, corrispondenti ai tempi in cui l’Universo aveva 700-800 milioni di anni, iniziamo a imbatterci nel primo “bordo” dell’Universo: il bordo della trasparenza.

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Diamo per scontato, oggi, che lo spazio sia trasparente alla luce visibile, ma questo è vero solo perché non è pieno di materiale che blocca la luce, come polvere o gas neutro. Ma nei primi tempi, prima che si formassero abbastanza stelle, l’Universo era pieno di gas neutro che non era stato completamente ionizzato dalla radiazione ultravioletta delle prime stelle. Di conseguenza, gran parte della luce che vediamo è oscurata da questi atomi neutri, ed è solo una volta che si sono formate abbastanza stelle che l’Universo viene completamente reionizzato.

Questo è, in parte, il motivo per cui i telescopi a infrarossi, come l’imminente James Webb della NASA, sono così cruciali per indagare l’Universo primordiale: c’è un punto “limite” in cui possiamo vedere nelle lunghezze d’onda che conosciamo.

A distanze di 31 miliardi di anni luce, corrispondenti a un tempo di soli 550 milioni di anni dopo il Big Bang, raggiungiamo il limite di quella che chiamiamo reionizzazione: dove la maggior parte dell’Universo è per lo più trasparente alla luce ottica. La reionizzazione è un processo graduale e si svolge in modo non uniforme; è come un muro frastagliato e poroso. Alcuni luoghi vedono questa reionizzazione avvenire prima, ed è così che Hubble ha individuato la sua galassia più lontana fino ad oggi (a 32 miliardi di anni luce di distanza, a soli 407 milioni di anni dopo il Big Bang), ma altre regioni rimangono parzialmente neutre fino a quasi un miliardo di anni passato.

Tuttavia, oltre i limiti della nostra attuale strumentazione, le stelle e le galassie devono certamente essere esistite. Le galassie più distanti che abbiamo mai trovato mostrano ancora tutte prove che le generazioni precedenti di stelle hanno vissuto al loro interno e sono già abbastanza luminose e massicce. Al di là dei limiti di ciò che i nostri attuali telescopi possono vedere, tuttavia, possiamo ancora misurare segni indiretti dell formazione stellare: attraverso l’emissione di luce dagli stessi atomi di idrogeno, che si verifica solo quando si formano le stelle, si verifica la ionizzazione e quindi gli elettroni liberi si ricombinano con i nuclei ionizzati, emettendo luce a seguito di ciò.

Al momento, abbiamo solo le firme indirette della prima formazione stellare, che ci insegna che le giovani galassie esistevano già 180-260 milioni di anni dopo il Big Bang. Queste proto-galassie formavano abbastanza stelle da poter vedere i primi indizi della loro esistenza sepolti nei dati, corrispondenti a una distanza compresa tra 34 e 36 miliardi di anni luce di distanza. Sebbene i nostri attuali telescopi non possano vedere direttamente queste galassie, la grande aspettativa di molti astronomi è che il James Webb lo farà.

Tuttavia, ci sono probabilmente ancora fonti di luce – e le prime regioni ionizzate dello spazio nell’Universo – che risalgono anche a prima. Le primissime stelle, se potessimo vedere così lontano, dovrebbero essere visibili tra i 38 ed i 40 miliardi di anni luce di distanza, corrispondenti a tempi che vanno dal 50 al 100 milioni di anni dopo il Big Bang.

Prima di allora, l’Universo era solo oscuro, pieno di atomi neutri e radiazioni dal bagliore residuo del Big Bang.

Tornando ancora più indietro, ci sono ulteriori “bordi” di interesse. A 44 miliardi di anni luce di distanza, le radiazioni del Big Bang erano così calde da diventare visibili: se fosse esistito un occhio umano, avrebbe visto le radiazioni brillare di rosso, simile a una superficie rovente. Ciò corrisponde a un periodo di soli 3 milioni di anni dopo il Big Bang.

Se torniamo a 45,4 miliardi di anni luce di distanza, arriviamo a un tempo di soli 380.000 anni dopo il Big Bang, dove diventa troppo caldo per mantenere stabilmente atomi neutri. Questo è il momento da dove proviene il bagliore residuo del Big Bang – lo sfondo cosmico a microonde. Se hai mai visto quella famosa immagine delle macchie calde (rosse) e fredde (blu) del satellite Planck (in basso), è qui che ha origine quella radiazione.

E prima, a 46 miliardi di anni luce di distanza, arriviamo alle prime fasi di tutto: lo stato ultra-energetico del caldo Big Bang, dove si trovavano i primi nuclei atomici, protoni e neutroni e persino le prime forme stabili di materia create. In queste fasi, tutto può essere descritto solo come “zuppa primordiale” cosmica, dove ogni particella e antiparticella esistente è stata creata dalla pura energia.

Ciò che si trova oltre la frontiera di questa zuppa ad alta energia, tuttavia, rimane un mistero. Non abbiamo prove dirette di ciò che è accaduto in quei primi stadi, sebbene molte delle previsioni dell’inflazione cosmica siano state indirettamente confermate. Il bordo dell’Universo, come ci appare, è unico per la nostra prospettiva; possiamo vedere indietro 13,8 miliardi di anni in tutte le direzioni, una situazione che dipende dalla posizione dello spaziotempo dell’osservatore che la sta guardando.

L’universo ha molti bordi: il bordo della trasparenza, il bordo delle stelle e delle galassie, il bordo degli atomi neutri e il bordo del nostro orizzonte cosmico dal Big Bang stesso. Possiamo guardare il più lontano possibile dai nostri telescopi, ma ci sarà sempre un limite fondamentale. Anche se lo spazio stesso è infinito, la quantità di tempo che è trascorso dal momento che il Big Bang non lo è. Non importa quanto aspettiamo, ci sarà sempre un qualcosa oltre i limiti del nostro orizzonte

Fonte: Forbes

Tradotto e adattato da Massimo Zito