Come morirà l’universo?

È stato spettacolare il modo in cui siamo riusciti a capire la storia cosmica, dal Big Bang ai giorni nostri. Ma questo porta alla domanda decisiva: Come avverrà la fine dell'Universo e quale sarà il suo destino?

Di
Emanuele Tumminieri
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Come morirà l'universo?
Come morirà l'universo?
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L’Universo come lo conosciamo è iniziato, secondo la teoria più accreditata, circa 13,8 miliardi di anni fa con il Big Bang. Sin da quel primo stadio, il cosmo ha iniziato ad espandersi, a raffreddarsi e a funzionare in conformità con le leggi della fisica. Da allora l’universo si è trasformato attraversando diverse fasi, fino a giungere a essere ciò che oggi osserviamo.

È stato spettacolare il modo in cui siamo riusciti a capire la storia cosmica, dal Big Bang ai giorni nostri. Ma questo porta alla domanda decisiva: Come avverrà la fine dell’Universo e quale sarà il suo destino? oggi, forse, siamo vicini alla risposta.

Oggi siamo in condizione di studiare da vicino il nostro sistema solare che può essere per noi un modello su scala locale di come si evolverà l’universo. Il Sole, mentre brucia il combustibile nucleare nel suo nucleo, si riscalda lentamente e diventa sempre più luminoso: nei 4,5 miliardi di anni da cui esiste, il Sole ha aumentato la sua produzione di energia di circa il 20-25%.

Entro altri due miliardi di anni, la temperatura del Sole aumenterà di una quantità tale che la Terra si surriscalderà così gravemente che gli oceani del nostro pianeta bolliranno. Questo porterà alla fine della vita sulla Terra (almeno, come la conosciamo). Ma la morte del nostro pianeta probabilmente passerà inosservata al cosmo.

Certo, ci sono cose più grandiose a cui pensare. Con l’invecchiamento dell’Universo, il tasso di formazione stellare continua a scendere. Il numero di nuove stelle che si stanno formando in questo momento è, con una stima ottimistica, tra il 5 ed il 10 per cento di quante se ne formavano nel periodo di massima formazione, circa 11 miliardi di anni fa. Per quanto ne sappiamo, la maggior parte delle stelle che saranno mai esistite nell’Universo sono già state create.

E mentre le galassie continueranno a crescere sia incanalando nuova materia dal mezzo intergalattico sia fondendosi insieme, la maggior parte delle strutture possibili si sono già formate. Il nostro gruppo locale di galassie potrebbe, alla fine, fondersi insieme in una gigantesca galassia ellittica, Milkdromeda, che si formerà in 4-7 miliardi di anni, dopo che  la Via Lattea e Andromeda si scontreranno.

Una serie di immagini fisse che mostrano la fusione della Via Lattea-Andromeda e come il cielo apparirà diverso ... [+] dalla Terra mentre accade. Questa fusione avverrà all'incirca 4 miliardi di anni in futuro, con un enorme scoppio di formazione stellare che porta a una galassia ellittica rossa e morta, priva di gas: Milkdromeda. Un'unica, grande ellittica è il destino finale dell'intero gruppo locale. Nonostante le enormi scale e il numero di stelle coinvolte, solo circa 1 su 100 miliardi di stelle si scontreranno o si fonderanno durante questo evento.
Una serie di immagini che mostrano la fusione della Via Lattea con Andromeda e come il cielo apparirà diverso –  NASA; Z. LEVAY E R. VAN DER MAREL, STSCI; T. HALLAS; E A. MELLINGER

In effetti, il nostro gruppo locale è relativamente piccolo su scala cosmica. Parliamo di due o tre (se includiamo Triangulum) grandi galassie accanto a forse 60 piccole, il Gruppo Locale è notevole solo perché è la nostra casa. In realtà, gruppi e ammassi di galassie con dozzine, centinaia o addirittura migliaia di volte la massa del nostro gruppo locale sono comuni in tutto l’Universo. Il Cluster della Vergine, a soli 50-60 milioni di anni luce di distanza, è circa 1.000 volte più grande del nostro gruppo locale.

Nel contesto del Big Bang e della Relatività generale di Einstein, esiste una relazione semplice e diretta tra tre cose: il tasso di espansione dell’Universo, la quantità totale di massa e il tipo di cose al suo interno e il nostro destino.
Possiamo immaginare l’espansione iniziale e gli effetti gravitazionali totali di tutto l’Universo come una corsa cosmica tra due atleti:  Il Big Bang è la pistola di partenza e non appena i possibili esiti di questa gara sono tre.

  1. Collasso. L’espansione inizia rapidamente, ma c’è abbastanza materia ed energia per la gravitazione per superarla con successo. L’espansione rallenta, l’Universo raggiunge una dimensione massima e si ripiega, terminando con un Big Crunch.
  2. Espansione per sempre. L’espansione inizia rapidamente e non c’è abbastanza materia ed energia per frenare espansione iniziale. Il tasso di espansione scende ma non raggiunge mai lo zero; l’universo si espande per sempre e termina quando tutto il calore iniziale si sarà disperso
  3. lo stato “Riccioli d’oro”. Proprio al confine tra espansione per sempre e collasso (o contrazione), questo è il caso critico. Un altro protone nell’Universo porterebbe al recupero, ma non c’è. L’espansione asintota a zero, ma non si inverte mai.

Per decenni, la grande ricerca del campo scientifico della cosmologia – una sotto-disciplina dell’astrofisica – è stata quella di misurare queste quantità: la velocità con cui l’Universo si sta espandendo oggi e come il tasso di espansione è cambiato nella storia dell’Universo. Si dice spesso, riguardo alla Relatività Generale, che “la materia dice allo spazio come curvarsi; lo spazio curvo dice alla materia come muoversi“.

Bene, per l’Universo in espansione, l’espansione dice alla luce come spostarsi verso il rosso, e la luce spostata verso il rosso rivela la storia dell’espansione dell’Universo.

A causa del legame tra spazio-tempo e materia / energia, misurare come l’Universo si è espanso nel corso della sua storia ci permette di capire esattamente di cosa è fatto l’Universo: quali sono i diversi tipi di energia in esso e come costringono l’Universo ad espandersi.

L'importanza relativa delle diverse componenti energetiche dell'Universo in diversi momenti del passato .... [+] Nota che quando l'energia oscura raggiunge un numero vicino al 100% in futuro, la densità energetica dell'Universo (e, quindi, il tasso di espansione) si asintrodurrà in una costante, ma continuerà a scendere fino a quando la materia rimarrà nell'Universo.

La cosa straordinaria degli ultimi tre decenni o giù di lì è che siamo stati in grado di raccogliere abbastanza osservazioni con una precisione sufficientemente elevata che quella che una volta era una domanda per filosofi e teologi (cosa accadrà quando arriveremo alla fine dell’Universo) ora ha una risposta scientifica.

Dei tre destini che una volta immaginavamo, ora sappiamo qualcosa di straordinario: sono tutti errati. Invece, l’Universo ci ha sorpreso quando è arrivata la risposta alle domande su come è fatto e quale sarà il suo destino.

Non siamo dominati dalla materia, dalle radiazioni o dalla curvatura dello spazio. Invece, la componente più grande del nostro Universo è l’energia oscura, che non solo farà sì che il nostro Universo continui ad espandersi, ma che la velocità con cui le galassie si allontanano l’una dall’altra aumenti senza limiti.

Il nostro universo non è solo in espansione, ma in accelerazione: le galassie si allontaneranno sempre più velocemente fino a quando non saranno spinte così lontano che non saremo mai in grado di raggiungerle.

Il fatto che l'espansione dell'Universo acceleri o deceleri dipende non solo dalla densità di energia ... [+] dell'Universo (ρ), ma anche dalla pressione (p) dei vari componenti dell'energia. Per qualcosa come l'energia oscura, dove la pressione è grande e negativa, l'Universo accelera, piuttosto che rallenta, nel tempo. Ciò è stato inizialmente indicato dai risultati della supernova, ma da allora è stato corroborato da misurazioni della struttura su larga scala, dal fondo cosmico a microonde e da altri metodi indipendenti di misurazione dell'Universo.
 NASA & ESA / E. SIEGEL

Cosa significa questo per il destino del nostro universo?

Da un lato, ci sono molte cose che già sappiamo. Sappiamo che l’espansione sta accelerando da circa 6 miliardi di anni e che l’energia oscura ha dominato l’Universo per l’intera storia del pianeta Terra.
Sappiamo che le più grandi strutture che sono legate insieme oggi – galassie, gruppi di galassie e ammassi di galassie – sono le strutture più grandi che si formeranno mai; le aspiranti strutture su scale più grandi vengono separate da questa espansione accelerata.

E anche se tutto ciò che vediamo è coerente con l’idea che l’energia oscura sia una costante cosmologica, con la stessa densità di energia ovunque nello spazio e nel tempo, non possiamo esserne certi.

L’energia oscura potrebbe ancora evolversi, portando a un Universo che potrebbe collassare in un Big Crunch, espandersi per sempre o accelerare nella sua accelerazione fino a lacerare il tessuto dello spazio-tempo in un catastrofico Big Rip.

I diversi modi in cui l'energia oscura potrebbe evolversi nel futuro. Rimanere costante o aumentare di ... [+] forza (in un Big Rip) potrebbe potenzialmente ringiovanire l'Universo, mentre invertire il segno potrebbe portare a un Big Crunch. In uno di questi due scenari, il tempo può essere ciclico, mentre se nessuno dei due si avvera, il tempo potrebbe essere finito o infinito nel tempo.

Questo è un momento critico per la cosmologia, poiché la nuova generazione di osservatori spaziali e terrestri dovrebbe aiutarci a rivelare le risposte a queste domande: Il nostro universo continuerà ad espandersi e ad accelerare per sempre? L’energia oscura è davvero una costante sia nello spazio che nel tempo? O l’energia oscura si evolve in qualche modo? È liscio o disomogeneo? E che cosa significa questo per il destino dell’Universo?

Se l’energia oscura è davvero una costante, allora sappiamo già come finirà il nostro Universo: Si espanderà per sempre; le galassie all’interno di gruppi e ammassi si uniranno per formare una gigantesca galassia; le singole super galassie accelereranno l’una rispetto all’altra; le stelle moriranno tutte o verranno risucchiate in buchi neri supermassicci; e poi i corpi stellari verranno espulsi mentre i buchi neri decadranno.

Potrebbero volerci un googol di anni, ma alla fine l’Universo sarà freddo, morto e vuoto. Ma questa non è l’unica possibilità e dobbiamo continuare a studiare ed approfondire per capire cosa succederà.

C’è qualcuno cui non interessa sapere come finirà la storia?