L’Universo viola il perfetto principio cosmologico

Generazioni fa, i cosmologi hanno affermato che l'Universo potrebbe non essere solo lo stesso in tutte le direzioni, ma in ogni momento. Ma è vero?

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L'Universo viola il perfetto principio cosmologico
L'Universo viola il perfetto principio cosmologico

Generazioni fa, i cosmologi hanno affermato che l’Universo potrebbe non solo essere lo stesso in tutte le direzioni ma, anche in ogni momento. Ma è vero?

PUNTI CHIAVE
  • Una delle grandi rivoluzioni scientifiche iniziò con Copernico, il quale riteneva che non occupassimo un posto speciale nell’Universo.
  • Man mano che la nostra visione dell’Universo si espandeva, sviluppammo il principio cosmologico: la Terra, il Sole e persino la Via Lattea non occupavano un posto speciale nel cosmo.
  • Forse, come hanno suggerito Fred Hoyle, Hermann Bondi e Tommy Gold, anche noi non occupiamo un “tempo” speciale nell’Universo e l’Universo non cambia davvero mai. Ma può essere vero?

100 anni fa avvenne una rivoluzione scientifica senza precedenti.

Hubble scoperta cefeide andromeda
La scoperta di Hubble di una variabile Cefeide nella galassia di Andromeda, M31, ci ha aperto l’Universo, fornendoci le prove osservative di cui avevamo bisogno per le galassie oltre la Via Lattea e portandoci all’espansione dell’Universo. ( Crediti : NASA, ESA e Hubble Heritage Team (STScI/AURA); Illustrazione tramite NASA, ESA e Z. Levay (STScI))

Le singole stelle sono state misurate in galassie al di fuori della Via Lattea.

universo in espansione della trama di hubble
La trama originale di Edwin Hubble delle distanze delle galassie rispetto al redshift (a sinistra), che stabilisce l’Universo in espansione, rispetto a una controparte più moderna di circa 70 anni dopo (a destra). In accordo sia con l’osservazione che con la teoria, l’Universo è in espansione, e la pendenza della retta che correla la distanza alla velocità di recessione è una costante. ( Crediti : E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

Combinando le distanze misurate con la velocità di recessione osservata, abbiamo determinato che l’Universo si stava espandendo.

Big Bang
Esiste un’ampia serie di prove scientifiche che supportano l’immagine dell’Universo in espansione e del Big Bang: dove le cose erano più calde, più dense e meno evolute in passato. Ma ci sono voluti molti decenni per raccogliere queste prove; nei primi giorni, le idee concorrenti erano ancora praticabili. ( Credito : NASA / GSFC)

Ma l’Universo si stava davvero evolvendo, come predice il Big Bang?

universo frattale
Questa immagine mostra una sezione della distribuzione della materia nell’Universo simulata dal complemento GiggleZ al sondaggio WiggleZ. Ci sono molte strutture cosmiche che sembrano ripetersi su scale progressivamente più piccole, ma questo implica che l’Universo sia veramente un frattale? E questo significa che è davvero immutabile nel tempo? ( Crediti : Greg Poole, Center for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne)

Forse era dinamico ma immutabile: cosmicamente indistinguibile in tempi diversi.



big bang vs stato stazionario
Nel Big Bang, l’Universo in espansione fa sì che la materia si diluisca nel tempo, mentre nella Teoria dello Stato Stazionario, la continua creazione di materia assicura che la densità rimanga costante nel tempo. (Credito: E. Siegel)

L’Universo potrebbe obbedire al perfetto principio cosmologico: identico in tutti i luoghi e nel tempo.

ogni grado quadrato
Più guardi lontano, più lontano guardi nel passato. Se il numero di galassie, la densità e le proprietà di quelle galassie e altre proprietà cosmiche come la temperatura e il tasso di espansione dell’Universo non cambiasserocambiare, avresti la prova di un Universo che è costante nel tempo. ( Credito : NASA/ESA/A. Feild (STScI))

Sarebbe necessaria solo una piccola quantità costante di creazione di materia spontanea.

tensione Hubble
Man mano che l’Universo si espande, diventa meno denso. Tuttavia, se si verificasse una lenta e costante di creazione di una certa quantità  di materia, potrebbe mantenere costante la densità, rendendo l’Universo “lo stesso” non solo in tutte le posizioni nello spazio, ma anche nel tempo. ( Credito : designua / Adobe Stock)

Galassie e stelle di tutte le età dovrebbero essere trovate ovunque, universalmente.

distanza dell'ammasso di galassie
La maggior parte delle più grandi galassie conosciute nell’Universo si trovano nel cuore di massicci ammassi di galassie, come il vicino ammasso di galassie mostrato qui. Se le galassie si assemblano e crescono nel tempo cosmico, è molto probabile che le galassie più vicine, in media, siano le più grandi che osserviamo oggi, mentre, se il modello dello stato stazionario e il perfetto principio cosmologico sono corretti, galassie come queste saranno trovato a tutte le distanze, anche negli oggetti sullo sfondo più distanti visibili qui. ( Crediti : CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA; Elaborazione delle immagini: Travis Rector (University of Alaska, Anchorage/NOIRLab della NSF), Jen Miller (Gemini Observatory/NOIRLab della NSF), Mahdi Zamani e Davide de Martin (NOIRLab della NSF))

Il tasso di espansione e la densità non dovrebbero cambiare nel tempo cosmico.

galassie del tempo di ritorno
Secondo il modello dello stato stazionario, le galassie dovrebbero avere densità numeriche uguali a tutte le distanze. Le galassie identificate nell’immagine eXtreme Deep Field possono essere suddivise in componenti vicine, distanti e ultra-distanti, con Hubble che rivela solo le galassie che è in grado di vedere nei suoi intervalli di lunghezza d’onda e ai suoi limiti ottici. Le mutevoli popolazioni e densità delle galassie rivelano un Universo che, di fatto, si evolve nel tempo. ( Credito : NASA/ESA)

E gli unici sfondi cosmici deriverebbero dalla luce stellare riflessa e dalla polvere riscaldata.

CNG 2014
Questa piccola regione vicino al cuore di NGC 2014 mette in mostra una combinazione di globuli gassosi in evaporazione e globuli di Bok che fluttuano liberamente, mentre la polvere passa da filamenti caldi e tenui in cima a nubi più dense e più fredde dove si formano nuove stelle in basso. Il mix di colori riflette una differenza di temperature e linee di emissione da varie firme atomiche. Questa materia neutra riflette la luce delle stelle, ma si sa che questa luce riflessa è distinta dal fondo cosmico a microonde. ( Crediti : NASA, ESA e STScI)

Le prove, a partire dagli anni ’50 e ’60, demolirono rapidamente l’idea.

via lattea galassie tempo cosmico
Le galassie paragonabili all’attuale Via Lattea sono numerose in tutto il tempo cosmico, essendo cresciute in massa e con una struttura più evoluta al momento. Le galassie più giovani sono intrinsecamente più piccole, più blu, più caotiche, più ricche di gas e hanno densità di elementi pesanti inferiori rispetto alle loro controparti moderne, e le loro storie di formazione stellare si evolvono nel tempo. Questo non è stato scoperto o ben noto fino agli anni ’60, quando abbiamo iniziato a vedere un gran numero di galassie da molto prima nella nostra storia cosmica. ( Crediti : NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale U.), S. Patel (Leiden U.) e il team 3-D-HST)

Le galassie distanti sono più giovani, più blu, di massa inferiore e meno evolute morfologicamente (forma).

mappa dell'universo
Guardare qualsiasi “fetta” dell’Universo ci permette di vedere stelle, galassie e il bagliore residuo del Big Bang che risale a ben 13,8 miliardi di anni fa. Come indicano chiaramente i dati, le galassie più lontane hanno stelle più giovani, sono meno massicce e meno evolute e appaiono con densità maggiori rispetto a quelle odierne. ( Credito : SDSS e la collaborazione Planck)

La densità degli oggetti, misurata dalla massa e dal numero di galassie, aumenta con la distanza.

Equazione di Friedmann
Un grafico dell’apparente velocità di recessione dedotta (asse y) rispetto alla distanza (asse x) è coerente con un Universo che si è espanso più velocemente in passato, ma dove le galassie distanti stanno accelerando la loro recessione oggi. Questa è una versione moderna e si estende migliaia di volte più lontano del lavoro originale di Hubble. Si noti il ​​fatto che i punti non formano una linea retta, indicando la variazione del tasso di espansione nel tempo. Ciò è necessario in un Universo in espansione con materia, radiazioni ed energia oscura. ( Credito : Ned Wright/Betoule et al. (2014))

Il tasso di espansione evolve nel tempo: la “costante di Hubble” non è realmente una costante.

temperatura dell'universo
La luce effettiva del Sole (curva gialla, a sinistra) rispetto a un corpo nero perfetto (in grigio), che mostra che il Sole è più una serie di corpi neri a causa dello spessore della sua fotosfera; a destra c’è l’effettivo corpo nero perfetto della CMB misurato dal satellite COBE. Si noti che le “barre di errore” sulla destra sono un incredibile 400 sigma; questo dimostra che la CMB non può essere dovuta alla luce stellare riflessa. ( Crediti : Sch/Wikimedia Commons (L); COBE/FIRAS, NASA/JPL-Caltech (R))

Ed esiste uno sfondo cosmico, con uno spettro incompatibile con la luce stellare riflessa o la polvere riscaldata.

temperatura universo tempo
Le prove osservative che sondano la temperatura del fondo cosmico a microonde in diverse epoche nell’Universo, inclusa quella attuale (stella rossa), nell’Universo relativamente vicino (punti blu) e nell’Universo distante (punti rossi) mostrano tutte che L’universo era più caldo in passato e si è raffreddato man mano che si espandeva esattamente come previsto dalla teoria del Big Bang. ( Credito : P. Noterdaeme et al., Astronomia e astrofisica, 2011)

L’Universo cambia davvero nel tempo, supportando il Big Bang ed escludendo il modello dello stato stazionario.

grande scricchiolio
I lontani destini dell’Universo offrono una serie di possibilità, ma se l’energia oscura è davvero una costante, come indicano i dati, continuerà a seguire la curva rossa, portando allo scenario a lungo termine dell’eventuale morte termica dell’Universo. Se l’energia oscura si evolve nel tempo, un Big Rip o un Big Crunch sono ancora ammissibili, ma non abbiamo alcuna prova che indichi che questa evoluzione sia qualcosa di più di una speculazione oziosa. Il modello dello stato stazionario, come il perfetto principio cosmologico, è escluso. ( Crediti : NASA/CXC/M. Weiss)
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