Universo e universo osservabile

Ne consegue che qualcosa dovrà per forza essere sbagliato. Dobbiamo accontentarci soprattutto dei concetti. Sicuramente ciò è dovuto alle mie capacità limitate (qualcuno saprebbe fare sicuramente di meglio), ma posso assicurarvi che la problematica è tutt’altro che banale.

Un commento iniziale: come vedrete certi concetti li ripeterò più volte nell’articolo. Lo scopo è quello di mantenere al meglio il legame tra essi. Non me ne vogliate…

Iniziamo con una definizione e una precisazione.

Indichiamo con Universo (con la U maiuscola) l’intero Universo esistente, che non conosciamo. Chiamiamo invece universo osservabile (con la u minuscola) quello che si riesce a vedere dalla Terra. Attenzione, però. Osservabile non vuole descrivere qualcosa legato alla tecnologia odierna, ma vuol dire tutto ciò che teoricamente si potrebbe vedere dal nostro punto di osservazione, con una tecnologia perfetta.

Ricordiamo, inoltre (ci verrà utile), che la velocità della luce è un limite imposto dalla teoria della relatività, ma riguarda solo gli oggetti esistenti nello spazio. Non è assolutamente un limite per l’espansione dello spazio stesso. In altre parole, i canditi che si trovano sopra un panettone che sta lievitando possono essere materialmente spostati gli uni rispetto agli altri a velocità che non possono superare quella della luce, ma, una volta bloccati nella pasta, la lievitazione potrebbe avvenire a velocità anche maggiore. In ogni caso, come conseguenza, le distanze tra candito e candito potrebbero crescere a velocità anche superiori a quella della luce. E’ quanto capita nell’Universo per effetto della sua espansione: gli oggetti si allontanano gli uni dagli altri non perché si muovono di moto proprio (che deve avvenire a velocità inferiore a quella della luce), ma perché si dilata lo spazio esistente tra di loro. E più gli oggetti sono lontani tra di loro, tanto maggiore sarà la velocità relativa di allontanamento. Al limite, per oggetti estremamente lontani, potrebbe anche superare la velocità della luce, ma senza andare contro la teoria della relatività.

L’universo osservabile consiste di tutta la materia che può essere visibile dalla Terra in questo momento. E’ quindi fortemente legato al fatto che la velocità della luce è finita e le immagini degli oggetti ci mettono del tempo per arrivare fino a noi. Assumendo che l’Universo sia isotropo (ossia che sia simile in tutte le sue parti) l’universo osservabile ha la forma di una sfera centrata nella Terra (punto di osservazione) il cui raggio è pari alla distanza del più lontano oggetto la cui luce sia riuscita a raggiungere la Terra. L’Universo vero e proprio potrebbe invece avere una forma qualsiasi che non possiamo conoscere. Ne consegue, comunque, che ogni punto dell’Universo ha un suo proprio universo osservabile. A volte questi universi possono avere parti in comune, ma potrebbero anche essere completamente separati. Le dimensioni dell’Universo non sono conosciute, ma si pensa che siano centinaia o migliaia di volte più grandi delle dimensioni dell’universo osservabile (anzi di ogni universo osservabile, perché essi variano da luogo a luogo)

Facciamo qualche altra considerazione che potrebbe chiarire ancora meglio la situazione (spero…):

Sia l’Universo che l’universo osservabile si stanno espandendo. Quello osservabile, per definizione, si espande soltanto di un anno luce ogni anno che passa. L’Universo può invece espandersi anche più velocemente (come già detto precedentemente). Gli oggetti singoli (i canditi del panettone) si allontanano uno dall’altro ad una velocità che cresce al crescere della distanza reciproca. Da questo effetto sono esclusi gli oggetti “locali” che sono legati dalla gravitazione mutua (ammassi di galassie). Essi formano perciò un insieme unico che si muove all’unisono, tranne “piccoli” spostamenti reciproci, indipendenti dall’espansione dello Spazio. A parte questi sistemi chiusi, ogni oggetto si allontana da tutti gli altri e sebbene l’universo osservabile diventi sempre più grande, esso tende a diventare sempre più vuoto. Le distanze relative tra oggetti, che si allontanano sempre di più per effetto dell’espansione, cresceranno e un po’ alla volta la luce che emettono i vari oggetti non riuscirà più a raggiungere la Terra. Al limite, il nostro ammasso locale diventerà un’isola nell’immensità di un oceano senza terre emerse (osservabili).

Oggetti che non sono ancora osservabili, non lo saranno mai (questo è vero per oggetti molto lontani che si muovono troppo velocemente anche per la luce). Alcuni oggetti che sono al momento osservabili non lo saranno più in futuro. Alcuni altri invece potrebbero prima o poi diventare osservabili riuscendo a superare il limite dovuto all’espansione (ma per questi dovete credermi sulla fiducia perché la figura che inserirò tra poco non può mostrarli). E’ come se improvvisamente certi oggetti si spegnessero nel cielo ed altri comparissero dal nulla.

Quindi non è che esistano oggetti più vecchi del Big Bang (questo è impossibile), ma oggetti che a causa della loro distanza e dell’espansione dello spazio non sono ancora riusciti (e molto probabilmente mai ci riusciranno) a far arrivare la loro luce (che viaggia a velocità finita) fino a noi.

Immaginiamo ora di vedere tutto il visibile (ipotizzando di eliminare la fase oscura iniziale). Dovunque vedremo il Big Bang, ma vedremo anche che, come le luci di un albero di Natale, ogni tanto appare un oggetto in più (non perché ne vediamo la nascita, solo perché finalmente la sua luce è arrivata fino a noi contrastando l’espansione che ha aumentato il percorso da compiere), molto più spesso se ne spengono altre, perché ormai troppo lontane per la “povera” luce. Infine, vedremo il vuoto assoluto. Anche la luce ha i suoi limiti!! Ma ci vorrà tanto, tanto tempo…

Quando si dice che l’universo osservabile ha un raggio pari all’età dell’Universo (14 miliardi di anni luce) si intende che la luce partita dagli oggetti in esso contenuti ha viaggiato per tutto quel tempo prima di giungere a noi. Non può essere più grande perché 14 miliardi di anni è il tempo trascorso dal Big Bang e prima non c’era niente. Nel frattempo però l’Universo si è espanso e quindi gli oggetti che vediamo oggi hanno dovuto percorrere una distanza maggiore di quella che esisteva al momento dell’emissione della luce. Per cui le dimensioni di 14 miliardi di anni si riferiscono al tempo in cui la luce è stata emessa.

Quali sono i confini”attuali” dell’universo osservabile? Se lo spazio non si espandesse, l’oggetto più lontano che potremmo vedere sarebbe a 14 miliardi di anni luce da noi. Proprio ciò che la luce è riuscita a percorrere dal Big Bang (prima non esisteva niente). Ma poiché l’Universo si espande, si espande anche lo spazio che un fotone deve percorrere durante il suo viaggio. Perciò la vera distanza odierna degli oggetti più distanti che possiamo vedere è circa tre volte maggiore, ossia 46 miliardi di anni luce.

Questo è solo il primo tentativo di spiegare quello che è successo e succederà… ma molto è ancora legato alla velocità di espansione dell’Universo nel futuro e nel passato (se inseriamo l’inflazione dell’inizio, le cose si complicano ancora di più). Poi dovremmo anche tenere in conto di possibili forze che ostacolano l’espansione (energia e massa oscura?). Ma, molto più semplicemente, per cercare di descrivere graficamente quanto detto prima bisogna commettere qualche errore e fare grosse approssimazioni. Tuttavia, ci provo, indicandovi onestamente i punti deboli. Penso che però molto sarà spiegabile (non tutto ovviamente…).

Invito tutti a cercare di migliorare quanto ho descritto e magari a fare una figura più completa e meno approssimata. Attenzione, però, che si potrebbe cadere nelle complicazioni che sono nate quando si parlava della posizione del Big Bang. Potremmo, ad esempio, usare i coni di luce, la deformazione del tempo e via dicendo. Forse saremmo più accurati (mai del tutto…), ma ben più complicati. Basta scegliere…. Sono nelle vostre mani…

L’Universo e l’universo osservabile. Il Big Bang è la sferetta arancione al centro. Al tempo ZERO tutto era contenuto in quel punto. Poi nasce lo spazio-tempo e inizia l’espansione. Al tempo t1 l’Universo è rappresentato dal primo cerchio nero. Lo spazio sta tutto su quel cerchio o (se riuscite a immaginarlo) sulla superficie sferica con centro nel Big Bang e raggio uguale alla distanza tra questo e G1 (o G2 o VL). Prima approssimazione o errore : lo spazio ha tre dimensioni, mentre la nostra superficie sferica solo due. Infatti non fatevi ingannare dalle linee sottili nere che partono dal Big Bang. Quelle rappresentano il tempo e quindi la quarta dimensione. Al tempo t1 nasce la galassia G1 che comincia a emettere la propria luce. Noi (VL) potremmo già esserci oppure no (poco importa). L’importante è che al tempo t2 la luce della G1 ci raggiunge. Notate che al tempo t2 lo spazio è diventato il cerchio (o la superficie sferica) più grande. Se t2 è oggi, noi riusciamo a vedere G1 (nella posizione che aveva in t1) perché la luce (tratto rosso) è riuscita ad arrivare, avendo percorso un tragitto inferiore all’età dell’Universo (in “pessime” parole il tratto G1-VL in rosso è minore del tratto rettilineo Big Bang-VL. Ma la curvatura che ho imposto alla linea rossa è arbitraria, non potendo fare una linea retta). La parte verde del cerchio (o spazio) relativo a t1 è l’universo osservabile, perché tutti gli oggetti in esso contenuti sono riusciti a fare arrivare la loro luce a VL (per tutti loro il tempo necessario è minore dell’età dell’Universo). Tuttavia l’universo osservabile nel frattempo è diventato ben più grande, a causa dell’espansione ed è rappresentato dalla parte verde del cerchio più grande, quello che rappresenta lo spazio al giorno d’oggi. Consideriamo adesso la galassia G2 al tempo t1. Anche lei inizia a emettere la sua luce, ma l’espansione dell’Universo non le permette di giungere fino a noi perché lo spazio da percorrere (in anni luce) è maggiore dell’età dell’Universo. Essa fa parte dell’Universo, ma non del nostro universo osservabile. Però farà sicuramente parte dell’universo osservabile di una galassia più vicina a lei. Magari ne esiste una che ha nel suo universo osservabile sia la G1 sia la G2 sia noi stessi (VL). Ma ci saranno universi osservabili che non avranno con il nostro nessun oggetto in comune. La galassia G2 non la vedremo mai, mentre la G1 prima o poi sparirà dal nostro universo visibile. In questa figura non posso assolutamente rappresentare galassie che prima o poi compariranno nel nostro universo osservabile. Vi è infatti un altro grande errore di fondo. Io faccio scorrere il tempo dal centro verso l’esterno, ma non posso evidenziare l’effettiva espansione dell’Universo e la faccio andare di conserva con il tempo che aumenta di una anno luce all’anno. In realtà l’espansione ha velocità ben diverse e nemmeno ancora comprese del tutto. Con una figura così “semplice”, di più non riesco a fare. Ci vorrebbero i coni di luce e la deformazione temporale dovuta all’espansione, ma sarebbe troppo complicato poterlo inserire in una figura comprensibile. Almeno per il momento, direi che basta…. Mamma che fatica!!

Un’ultima considerazione che non vorrei vi spaventasse troppo (non chiedetemi però di mostrarvela con una figura…): potrebbe anche succedere che uno stesso oggetto si veda in due posizioni diverse nel cielo (ne avevamo già parlato in una discussione). Questo potrebbe capitare ad esempio se l’universo osservabile fosse più grande dell’Universo (non saltate sulla sedia, ma teoricamente non è impossibile). In questo caso, la luce di un oggetto avrebbe potuto percorrere due volte la distanza che lo separa da noi. Avrebbe, in altre parole, raggiunto noi e poi, proseguendo, avrebbe percorso tutto l’Universo e sarebbe ritornata da noi. In posizioni diverse ovviamente… Tuttavia, vi prego, fate finta che non vi abbia detto niente…..

Buon divertimento e non mi … uccidete!!!

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