L’Universo in espansione introduce una significativa complicazione nel calcolo delle distanze cosmiche. A causa della natura non lineare di questa espansione, la distanza media tra le galassie aumenta nel tempo (pur riconoscendo che occasionalmente possono verificarsi collisioni galattiche locali).
L’Universo in espansione e la misura delle distanze
Quando gli oggetti celesti emettono luce, essa impiega tempo per viaggiare fino a noi. Durante questo intervallo, tuttavia, l’Universo continua ad espandersi. Di conseguenza, quando la luce di una galassia lontana giunge finalmente ai nostri telescopi dopo un viaggio di miliardi di anni, la galassia si trova in realtà molto più distante di quanto sembri. Non conosciamo la sua distanza attuale nel momento in cui riceviamo la luce.
Per determinare la distanza reale e attuale di questi oggetti distanti, dobbiamo fare affidamento su un modello cosmologico che tenga conto della storia dell’espansione dell’Universo, permettendoci di calcolare quanto l’Universo sia cresciuto in quel determinato periodo.
Il nostro modello attuale più efficace è chiamato Lambda Cold Dark Matter. Questo modello incorpora sia la materia oscura che l’energia oscura. Sebbene si possano discutere i suoi meriti e i suoi difetti, le sue previsioni fondamentali sulla geometria e l’espansione dell’Universo non cambiano drasticamente il quadro generale delle distanze osservabili, per cui lo assumiamo come riferimento.
A causa della costante espansione del cosmo, esiste una distanza massima che possiamo teoricamente osservare oggi. Questa massima estensione della nostra “bolla” osservabile, che corrisponde all’età dell’Universo di circa 13,77 miliardi di anni, è approssimativamente di 45 miliardi di anni luce. Questa distanza limite è nota come orizzonte delle particelle, orizzonte cosmologico, o orizzonte comovente. Essa definisce la portata massima raggiungibile dalla nostra osservazione.
La relatività e la velocità della luce
La distanza massima osservabile di 45 miliardi di anni luce è significativamente maggiore dell’età dell’Universo (13,77 miliardi di anni). Questa discrepanza porta a chiedersi se l’Universo si stia espandendo più velocemente della luce. La risposta è sì, si sta espandendo più velocemente della luce, ma questo non viola i principi fondamentali della fisica.
Il limite di velocità della luce ($c$) si applica rigorosamente solo alle osservazioni locali, dove nessun oggetto può muoversi attraverso lo spazio-tempo locale a una velocità superiore a $c$. La relatività speciale è costruita su questa premessa. Tuttavia, questa regola non si applica alla velocità con cui lo spazio stesso si espande tra due punti distanti. Gli oggetti ai confini più remoti dell’Universo possono avere velocità di allontanamento molto superiori a $c$ rispetto a noi, perché non si stanno muovendo attraverso lo spazio, ma sono trascinati dall’espansione dello spazio.
La velocità di allontanamento degli oggetti cosmici viene calcolata attraverso lo spostamento verso il rosso (redshift). Quando una galassia si allontana da noi, le lunghezze d’onda della sua luce si allungano e si spostano verso la regione più rossa dello spettro elettromagnetico. Fu così che Edwin Hubble scoprì l’espansione dell’Universo.
In un Universo in espansione, gli oggetti più distanti si allontanano da noi più velocemente, poiché c’è una maggiore quantità di spazio tra noi e loro che si espande. Il punto critico in cui gli oggetti iniziano ad allontanarsi da noi a una velocità superiore a quella della luce è definito dalla distanza di Hubble, che si trova a circa 13,77 miliardi di anni luce da noi.
Nonostante le galassie si stiano allontanando da noi più velocemente della luce, possiamo ancora vederle. Questo perché la luce che stiamo ricevendo è stata emessa molto tempo fa, quando queste galassie erano molto più vicine a noi e la loro velocità di allontanamento era inferiore a $c$.
Esiste un limite oltre il quale la luce emessa ora non potrà mai più raggiungerci, non importa quanto a lungo si aspetti. Questo confine è chiamato orizzonte degli eventi cosmologico (da non confondere con l’orizzonte degli eventi di un buco nero) e si trova a circa 17 miliardi di anni luce da noi. Qualsiasi luce emessa oggi oltre questa distanza è destinata a non raggiungerci mai.
L’accelerazione cosmica e l’energia oscura
L’attuale comprensione cosmologica, supportata da osservazioni come quelle delle supernove di Tipo Ia, indica che l’espansione dell’Universo non solo continua, ma sta anche accelerando. Questa accelerazione è attribuita all’energia oscura, la componente dominante nel modello CDM. La presenza di energia oscura modifica profondamente le prospettive a lungo termine della nostra capacità di osservare il Cosmo.
In un Universo dominato dall’energia oscura, l’orizzonte degli eventi cosmologico — quel confine oltre il quale la luce emessa oggi non ci raggiungerà mai — continuerà a espandersi, ma non indefinitamente. Esso si avvicinerà asintoticamente a un limite finale, stimato a circa 60 miliardi di anni luce dalla nostra posizione attuale. Questo valore finale rappresenta la massima distanza da cui la luce potrà mai raggiungerci, anche aspettando un tempo infinito.
Nonostante il limite di 60 miliardi di anni luce possa sembrare promettente per future osservazioni, l’accelerazione dell’espansione ha un effetto più immediato e drammatico sulla visibilità degli oggetti distanti: lo spostamento verso il rosso (redshift).
La luce emessa dalle galassie più lontane, viaggiando attraverso uno spazio in continua e rapida espansione, subirà un progressivo e massiccio spostamento verso il rosso. Le lunghezze d’onda si allungheranno a tal punto da raggiungere l’intervallo dell’infrarosso estremo o addirittura delle onde radio, rendendo queste galassie sostanzialmente invisibili ai telescopi convenzionali. Non è solo che gli oggetti diventano deboli; è che la loro luce viene stirata oltre ogni possibilità di rilevamento significativo.
Con l’avanzare del tempo, l’espansione spaziale aumenterà così tanto che, tra circa 100 miliardi di anni, tutte le galassie che attualmente osserviamo e che si trovano al di fuori del nostro Gruppo Locale (il nostro ammasso di galassie, che include la Via Lattea e Andromeda) si saranno allontanate a una velocità tale da essere completamente invisibili e inosservabili. L’espansione accelerata spazzerà via le loro radiazioni dalla nostra porzione di spazio.
A quel punto, gli astronomi del futuro vedranno un Universo apparentemente vuoto, con il Gruppo Locale come unica isola di materia visibile in un mare di spazio oscuro e in espansione, senza alcuna prova visiva dell’esistenza di altre galassie esterne.
Lo studio è stato pubblicato sull’Astronomical Journal.
