Non importa dove guardi nell’Universo, in qualsiasi direzione, la tua linea di vista finirà per imbattersi in qualche tipo di materia o radiazione. La Terra è incorporata nel sistema solare, con pianeti, lune, corpi rocciosi e ghiacciati, polvere e particelle di plasma che permeano il nostro ambiente.
Oltre il nostro cortile ci sono stelle, gas e polvere disseminati in tutta la Via Lattea, e a distanze cosmiche ancora maggiori ci sono galassie, quasar e la materia nel mezzo intergalattico. Se in qualche modo riesci a scegliere una linea di vista che non incontri nessuno di questi, incontrerai comunque qualcosa: il fondo cosmico a microonde o la radiazione rimasta dalle prime fasi del caldo Big Bang.
Eppure, non importa cosa osserviamo in qualsiasi direzione guardiamo, ci saranno due proprietà che corrispondono a qualunque cosa stiamo vedendo.
- Stiamo vedendo quell’oggetto non com’è oggi, ma com’era un tempo, quando emetteva la luce che ora arriva ai nostri occhi.
- Quell’oggetto è attualmente a una distanza specifica da noi; se potessimo in qualche modo “congelare” il tempo e misurare la distanza tra noi stessi e quell’oggetto, otterremmo un certo valore.
Potresti pensare che queste due proprietà, tempo e distanza, siano uguali. Una stella la cui luce arriva dopo un viaggio di 10 anni è lontana 10 anni luce; una galassia la cui luce arriva dopo un viaggio di 100 milioni di anni è lontana 100 milioni di anni luce; la luce del Big Bang che arriva dopo un viaggio di 13,8 miliardi di anni ha il luogo di emissione a 13,8 miliardi di anni luce di distanza. Ma non è affatto vero, e la colpa è dell’universo in espansione.
Una delle leggi della fisica che ci viene inculcata è questa: c’è un limite di velocità per l’universo, la velocità della luce, e niente può viaggiare più veloce. Se sei un’entità completamente priva di massa, come un fotone o un gluone, devi assolutamente muoverti alla velocità della luce, poiché nessun’altra velocità è possibile. Se hai una massa positiva, diversa da zero, invece, puoi avvicinarti, ma mai raggiungere, alla velocità della luce; devi sempre viaggiare più lentamente.
Pertanto, è logico che se qualcosa emette luce in qualsiasi punto, quella luce può solo allontanarsi direttamente dalla sorgente che l’ha emessa. Dopo un secondo, la luce sarà a 299.792,458 chilometri dalla sorgente: un secondo luce. Dopo un anno, la luce sarà a 9,46 trilioni di chilometri dalla sorgente: un anno luce. E dopo un miliardo di anni, la luce sarà a un miliardo di anni luce di distanza dal luogo in cui è stata emessa.
Questo tipo di calcolo è sensato, diretto e intuitivo. Secondo le leggi della relatività speciale, è assolutamente corretto. Ma il nostro universo non è governato dalla relatività ristretta, ma da qualcosa di più.
L’analisi che abbiamo appena svolto si applica solo se lo spazio ha due proprietà specifiche che sappiamo che in realtà non possiede. Per cominciare, lo spazio dovrebbe essere piatto: come una griglia euclidea tridimensionale. La planarità può essere definita per qualsiasi spazio generale e il modo in cui puoi sapere se il tuo spazio è piatto o meno è selezionando tre punti e disegnando un triangolo tra di loro. Devi quindi sommare i tre angoli interni del triangolo che hai appena fatto e confrontare il risultato con quello che otterresti se disegnassi semplicemente un triangolo su un pezzo di carta piatto: 180°.
Tuttavia, non tutti i pezzi di carta sono “piatti” dove gli angoli si sommano fino a 180°, e non tutte le istanze di spazio lo sono. Se avessi un globo e ci disegnassi un triangolo, scopriresti che gli angoli interni si sommano sempre a più di 180°, con triangoli più grandi che risultano in maggiori deviazioni da 180°. Allo stesso modo, se avessi la sella di un cavallo e disegnassi il tuo triangolo su di essa, scopriresti che gli angoli interni vengono sempre sommati a meno di 180°. L’Universo non è come un pezzo di carta, ma il tessuto dello spazio, a causa della presenza di materia ed energia, si curva a seconda di come materia ed energia, e in particolare la massa, è distribuita.
Ma ancora più importante dell’essere curvo, il tessuto dello spazio non è statico. Questo è più dell’intuitivo, “ok, le masse si muovono e le masse determinano come lo spazio è curvo, e quindi la curvatura spaziale cambia“.
Anche se è vero, sta accadendo qualcosa di molto più profondo. Secondo le leggi della Relatività Generale di Einstein, la nostra teoria della gravità, un universo pieno di materia ed energia non può essere statico e stabile. Nel tempo, se lo avvii in uno stato statico e gli permetti semplicemente di gravitare, non rimarrà affatto statico. Invece, crollerà e in breve tempo il tuo intero universo finirà, formando un inevitabile buco nero.
Questo chiaramente non è successo al nostro universo, ma c’è un’ottima ragione per questo. Se riempite uniformemente il vostro universo di materia ed energia, esso deve espandersi o contrarsi; la distanza tra due punti ben separati cambierà nel tempo. Non abbiamo modo di sapere, dai primi principi, quale di questi finirebbe per descrivere il nostro universo, allo stesso modo non puoi sapere, quando ti chiedo di fare la radice quadrata di 4, se la risposta è +2 o -2. Sia l’espansione che la contrazione sono soluzioni matematicamente consentite per il nostro universo, ma dobbiamo misurare l’universo stesso per scoprire quale si sta verificando.
Le osservazioni chiave per risolvere questo problema risalgono agli anni ’10 e ’20. In effetti, è stata solo la combinazione di tre serie di osservazioni che ha portato a una soluzione per questo enigma.
- Il lavoro di Henrietta Leavitt sulle stelle variabili Cefeidi, che metteva in relazione il periodo di tempo impiegato da una tale stella per passare dalla luminosità massima a quella minima e viceversa alla luminosità intrinseca della stella stessa.
- Il lavoro di Vesto Slipher sul redshift, dove ha misurato un numero significativo di spirali ed ellittiche nel cielo e ha determinato, dallo spostamento delle loro linee di emissione e assorbimento, quanto velocemente sembravano muoversi verso o lontano da noi.
- E il lavoro di Edwin Hubble, assistito da Milton Humason, dove le singole stelle Cefeidi possono essere misurate in quelle spirali ed ellittiche.
Con queste proprietà combinate, potremmo conoscere sia la distanza di una galassia a spirale o ellittica, sia il moto dedotto di quelle galassie. Quando quei dati sono stati messi insieme, sia inizialmente che in tempi moderni, il risultato è inequivocabile: più un oggetto è lontano, più la sua luce è spostata verso il rosso e più velocemente sembra allontanarsi da noi. In altre parole, l’universo deve essere in espansione.
Questo cambia drasticamente la situazione da un universo statico. Se l’universo fosse statico, la quantità di tempo impiegata dalla luce per percorrere una certa distanza, dalla sorgente che emette all’osservatore che l’ha assorbita, sarebbe esattamente uguale alla conversione da anni ad anni luce. La luce deve viaggiare alla velocità della luce, quindi la luce che arriva oggi ai nostri occhi da:
- un oggetto a un anno luce di distanza ha impiegato un anno per raggiungerci,
- un oggetto a un milione di anni luce di distanza ha impiegato un milione di anni per raggiungere noi,
- un oggetto distante dieci miliardi di anni luce ha impiegato dieci miliardi di anni per raggiungere noi, e così via.
Ciò significa che, se il nostro universo ha solo 13,8 miliardi di anni, che è la quantità di tempo trascorso dal Big Bang, allora la luce più lontana che potremmo vedere deve arrivare ora dopo un viaggio di 13,8 miliardi di anni, e quindi che la luce deve aver percorso 13,8 miliardi di anni luce. Ciò è coerente con lo strumento spaziotemporale noto come cono di luce, in cui tutto ciò che è all’interno del cono è collegato a noi in quanto un segnale proveniente da esso potrebbe influenzarci (o un segnale proveniente da noi potrebbe influenzarlo), ma tutto al di fuori del cono è disconnesso dal fatto che nessun segnale può essere scambiato.
Ma lo scenario in cui viviamo, quello di un universo in espansione, cambia tutto. Invece di vedere lo spazio come una griglia con oggetti sparsi su di esso, dovremmo vederlo come una palla di pasta lievitata con uvetta incorporata al suo interno. Con l’evolversi del tempo, il tessuto dello spazio si espande, proprio come si alza la palla di pasta. I chicchi di uvetta, tuttavia, non si espandono insieme all’universo, ma si allontanano uno dall’altro.
Infatti, se ti immagini come un qualsiasi passito, noterai che l’uvetta vicina sembra espandersi lentamente allontanandosi da te, poiché c’è solo una piccola quantità di pasta lievitante tra la tua uva passa e le altre vicine. Tuttavia, più distanza c’è tra la vostra uva passa e l’altra, più impasto c’è tra voi, il che si traduce in una maggiore lievitazione e un aumento della distanza relativa a parità di tempo.
Ogni “uva passa” rappresenta un oggetto legato gravitazionalmente nel nostro universo, come il nostro Gruppo Locale di galassie. L’Ammasso della Vergine è un passito; il Gruppo Leo è un chicco d’uva; il Coma Cluster è un passito, ecc. Poiché sono legati gravitazionalmente, essi stessi non si espandono, ma ogni singola struttura che non è legata a un’altra si espande lontano da ogni altra struttura simile, proprio come l’uvetta in questa palla di pasta che cresce.
Ciò significa che, all’interno della nostra galassia o del nostro Gruppo Locale, l’espansione dell’universo è del tutto trascurabile. È solo su grandi scale cosmiche, dove osserviamo oggetti che potrebbero essere legati l’uno all’altro in una struttura più grande, ma non sono legati alla stessa struttura di cui facciamo parte, che l’espansione dell’universo è percepibile. Gli effetti delle “masse in movimento” e il modo in cui cambiano la curvatura dello spaziotempo sono sempre in gioco, ma questi effetti sono in genere piccoli: dell’ordine di 1 parte su 1000 quando si tratta di cambiamenti di distanza.
Quando parliamo di distanze cosmiche da altri oggetti all’interno del nostro Gruppo Locale, come stelle della Via Lattea, galassie come Triangulum o Andromeda, o praticamente qualsiasi cosa entro ~ 3 milioni di anni luce da noi, la distanza di un oggetto da noi (in anni luce) e la quantità di tempo impiegata dalla luce per viaggiare da quell’oggetto ai nostri occhi (in anni) – ciò che gli astronomi chiamano il tempo di ricerca – sono equivalenti. Dividere semplicemente la distanza dell’oggetto per la velocità della luce ci darà il tempo di ricerca con una precisione di circa il 99,9%, a condizione che l’espansione dell’universo sia trascurabile.
Ma su scale cosmiche più grandi, sta succedendo qualcosa di molto più intricato. Quando la luce ci arriva da un oggetto più distante, come una galassia o un quasar al di fuori del Gruppo Locale, avvengono i seguenti passaggi.
- La luce viene emessa dall’oggetto distante e lascia la sorgente alla velocità della luce.
- Man mano che la luce viaggia verso la sua destinazione attraverso lo spazio intergalattico, tuttavia, la distanza tra l’oggetto che emette e l’oggetto che alla fine lo assorbirà continua ad aumentare.
- Mentre la luce continua il suo viaggio, l’universo in espansione allunga la lunghezza d’onda della luce, che osserviamo come un redshift.
- Contemporaneamente, anche la distanza tra l’oggetto emettitore e l’eventuale assorbitore continua ad aumentare.
Di conseguenza, quando finalmente la luce arriva, la distanza originale tra l’emettitore e l’assorbitore era molto più piccola della distanza attuale, mentre il tempo di ricerca, se dovessi moltiplicarlo per la velocità della luce, ti darebbe una distanza maggiore della distanza originale ma minore della distanza odierna. Da qui deriva la discrepanza tra l’età dell’universo, misurata dall’inizio del caldo Big Bang, e la distanza dagli oggetti più lontani visibili, corrispondente alla loro separazione da noi oggi.
Forse sorprendentemente, questa differenza tra il tempo di osservazione e la distanza attuale tra noi stessi e un oggetto distante è importante solo su grandi scale cosmiche. Le galassie più importanti nel nostro cielo notturno – tra cui Andromeda, la galassia Girandola, la galassia di Bode e la galassia Sombrero – appaiono come se fossero lo stesso numero di “milioni di anni fa” della loro distanza da noi in anni luce. Una galassia la cui luce arriva dopo un viaggio di 100 milioni di anni è ora lontana 101 milioni di anni luce; una minuscola differenza. Ma quando inizi a guardare a distanze molto grandi, l’universo in espansione inizia davvero a svolgere un ruolo importante.
La luce che arriva da 1 miliardo di anni fa corrisponde a un oggetto distante attualmente 1,036 miliardi di anni luce.
La luce che arriva da 5 miliardi di anni fa corrisponde a un oggetto distante attualmente 6,087 miliardi di anni luce.
La luce che arriva da 10 miliardi di anni fa corrisponde a un oggetto distante attualmente 16,03 miliardi di anni luce.
E la luce che arriva da 13,78 miliardi di anni fa corrisponde a un oggetto distante attualmente 41,6 miliardi di anni luce.
Ai limiti della percettibilità, non è che stiamo vedendo più indietro nello spazio di quanto non vediamo nel tempo; non è quello che sta succedendo. Invece, succede che lo spazio e il tempo sono correlati, l’universo si sta espandendo e gli effetti dell’espansione sono cumulativi: influenzano la luce che viaggia attraverso l’universo durante ogni fase del suo viaggio.
La luce che viaggia più a lungo viene allungata della maggiore quantità e l’oggetto che ha emesso quella luce è ora a una distanza maggiore a causa dell’espansione dell’universo. Possiamo vedere oggetti distanti fino a 46,1 miliardi di anni luce proprio a causa dell’espansione dell’universo. Non importa quanto tempo passa, ci saranno sempre dei limiti agli oggetti che possiamo osservare e agli oggetti che possiamo potenzialmente raggiungere.
