La legge di Hubble e l’espansione cosmica

Da circa 13.7 miliardi di anni l’Universo si sta espandendo, portando con se le sue innumerevoli galassie, tra le quali nessuna, nemmeno la nostra, occupa un posto privilegiato.

Edwin Hubble

Edwin Hubble

Edwin Hubble è senz’altro una delle figure chiave dell’astronomia – non per niente a lui è stato intitolato il telescopio orbitante, quel gioiello tecnologico che permette di scrutare i cieli fino ad enormi profondità, superando i “disturbi” dell’atmosfera terrestre.

Nel 1923 Hubble fu in grado di provare che le indistinguibili macchie di luce in lontananza, allora chiamate nebulose, erano in effetti insiemi di miriadi di stelle, dimostrando l’esistenza di galassie diverse dalla nostra Via Lattea, un’idea già postulata da alcuni studiosi, come il filosofo Immanuel Kant. Ma non era finita qui. Nel 1929, Hubble notò che le righe spettrali della luce di lontane galassie presentavano lunghezze d’onda maggiori di quanto ci si sarebbe aspettato, concludendo, in base all’effetto Doppler, che le galassie si allontanavano dalla Terra, con una velocità proporzionale alla distanza.

Effetto Doppler

$Effetto Doppler$

L’Effetto Doppler, evidenziato per la prima volta dal fisico austriaco Johann Christian Doppler nel 1842, è un cambiamento apparente della frequenza delle lunghezze d’onda percepito da un osservatore al variare della sua distanza dall’origine dell’emissione.

Quando la sorgente si allontana da noi, le creste delle onde emesse in successione impiegano un tempo maggiore per raggiungerci, mentre quando si avvicina il tempo di percorrenza è minore. Una analogia frequentemente utilizzata per spiegare questo effetto è quella del viaggiatore che scrive a casa una lettera alla settimana mentre si allontana dal luogo di origine. Le lettere, sempre inviate con cadenza regolare, saranno recapitate ad intervalli di tempo sempre maggiori man mano che lo scrivente si allontana.

L’Effetto Doppler si osserva comunemente quando siamo superati da un’ambulanza a tutta velocità. Sebbene la reale emissione sonora della sirena non cambi (il guidatore dell’ambulanza non avverte alcuna variazione), le nostre orecchie percepiscono un abbassamento della tonalità man mano che la sirena si allontana da noi, registrano cioè il cambiamento apparente della lunghezza d’onda.

L’Effetto Doppler si applica a qualsiasi tipo di onda; nel caso della luce, la sua conseguenza osservabile è un redshift (spostamento verso il rosso) delle righe spettrali se la sorgente si allontana, e un blueshift (spostamento verso il blu) quando si avvicina.

Redshift e Blueshift

Sopra: esempio di spostamento verso il rosso o verso il blu delle righe di assorbimento

Hubble rilevò che la luce di lontane galassie presentava un redshift, e dimostrò che la velocità di recessione era proporzionale alla distanza: più distante era l’oggetto, più pronunciato era lo spostamento verso il rosso. Questa relazione lineare tra velocità e distanza, denominata legge di Hubble, fu la prima importante osservazione empirica che suffragava la teoria del Big Bang, un’esplosione primordiale seguita dall’espansione – se le galassie si stanno separando, in passato dovevano essere certamente più vicine tra loro.

redshift

La proporzionalità lineare tra distanza e velocità indica inoltre che la nostra galassia, la Via Lattea, non occupa alcuna posizione particolare nel cosmo: Da qualsiasi pianeta in qualsiasi galassia lo si osservi, l’Universo ha lo stesso aspetto. La velocità di recessione, quindi, rappresenta il tasso di espansione dell’Universo in cui tutte le galassie si allontanano le une dalle altre.

Hubble stimò il tasso di espansione, da allora chiamata costante di Hubble, in 500 km al secondo per megaparsec (1 megaparsec = 3.262.000 anni luce). Il suo valore, continuamente rivisto negli anni con il perfezionamento delle strumentazioni, e soprattutto grazie al Hubble Space Telescope, oggi è stimato attorno ai 70 km/s per megaparsec.

La Costante di Hubble ci permette anche di stimare l’età dell’Universo. Conoscendo la distanza attuale tra due galassie e la velocità a cui si separano, è possibile determinare quanto tempo hanno impiegato per raggiungere la distanza osservata oggi, applicando la semplice relazione: spazio/velocità = tempo.

Come spesso accade nel mondo della scienza, le cose non sono proprio così semplici…Oltre a modificare continuamente il valore della costante di Hubble, gli astronomi hanno infatti inaspettatamente scoperto, nel 1998, che l’espansione cosmica starebbe accelerando, a causa di una forza della natura a tutt’oggi ignota, e per questo detta “energia oscura”; insomma, la Costante di Hubble non sarebbe proprio…costante.

Secondo le più recenti stime, i cosmologi ritengono che l’Universo abbia circa 13.7 miliardi di anni, con un margine di errore solo del 10% (± 200 milioni di anni).

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12 Commenti

  1. veramente un bell articolo. ne approfitto per spargere la voce di un video sull’ maltrattamento degli animali ….. dopo aver visto il video pensate solo che quegli animali sono morti solo perchè qualche signora avida vuole avere la sua pelliccia personale nel suo armadio………il sito è xxxxxxxxxxxxx.

    post editato da Stefano Simoni: Davide, sono completamente a favore di queste campagne, ma non è certo questo il contesto adatto per la pubblicazione, ci sono siti e blog creati appositamente.

  2. molto bello quest’articolo, chiaro e semplice soprattutto per chi non è del mestiere come me, finalmente ho capito il significato di questo famoso redshift!
    Complimenti!

  3. Ragazzi, vi ringrazio moltissimo per i commenti favorevoli. Sono felice di aver raggiunto il mio scopo, cioè raccontare l’astronomia in modo semplice, perché le meraviglie che ci svela questa scienza sono davvero accessibili a tutti.

    Grazie!

    Ciao

    Francesca

  4. Complimenti per l’articolo, forse sto per dire una castroneria ma, perchè questo effetto non è riscontrabile quando vediamo o meglio sentiamo un aereo.
    Il suono si avverte soltanto quando questo è passato e non in avvicinamento ?

    Grazie ì
    Ciao

  5. L’effetto Doppler è sempre presente, sono i limiti della nostra percezione acustica che ne nascondono l’evidenza. In condizioni favorevoli (aereo che vola basso e quindi distanza ridotta) capita spesso di sentire delle variazioni di suono, come se stesse per cadere da un momento all’altro sulle nostre teste!

    Del resto alcuni tipi di radar si basano proprio sull’effetto Doppler per misurare la velocità dei velivoli rilevati 😉

  6. faccio i miei sinceri auguri allo staff . ho letto l articolo e semplicissimo da capire siete bravi. avvolte usare parole semplici rende il concetto piu semplice . grazie 😛 😛 😛

  7. Le dimensioni dell’universo , quindi dovrebbe avere al massimo un diametro di 27,4 miliardi di anni luce…
    Se la materia si espande alla velocita’ della luce e si espande uniformemente,partendo dal bing bang che e’ il nostro centro avremmo una forma sferica con un diametro uguale a 27,4 miliardi di anni luce( 13,7 x2)
    dove le galassie si trovano ammassate sulle superficie esterna di questa sfera.Pensiamo ad un enorme ragnatela che avvolge un palloncino pieno d’aria,
    questa dovrebbe essere la distribuzione della materia nell’univeso dove la ragnatela sono le miliardi di gallassie che popolano l’universo.Naturalmente al centro la materia sara’ uguale a 0 con un enorme vuoto di miliardi di anni luce.

    Cieli sereni

    Rino

  8. Complimenti! 😀 L’articolo è espresso in modo chiaro esauriente e facilmente comprensibile, il che non è poco per concetti un pò ❓ ostici come questo. Vi ringrazio per avermi chiarito le idee. 💡

  9. grazie per la chiarezza dell’ articolo, mi ha delucidato l’argomento che avevo trovato un po’ ostico

  10. Ho qualche perplessità su quanto scritto nell’articolo. Se è vera la legge di Hubble, nella forma V = HD, vuol dire che la velocità di ogni ammasso di galassie varia nel tempo; derivando, si ottiene la sua accelerazione a = KD dove K è il quadrato di H. Consegue che l’universo si espande accelerando e ciò dovrebbe essere noto già dagli anni ’30. Perché allora c’è stato tanto stupore nel 1998 quando si è scoperto che effettivamente l’universo si espande accelerando? Dal momento che sono un appassionato di cosmologia ne approfitto per fare un’altra domanda. Se vale la relazione a = KD significa che tutte le galassie che si trovano ad uguale distanza dalla Terra accelerano allo stesso modo indipendentemente dalla loro massa, proprio come corpi di massa diversa sulla Terra cadono con uguale accelerazione. Forse l’energia oscura ha la stessa origine della forza gravitazionale?
    Ciao e grazie pe l’eventuale chiarimento
    Mimmo

  11. MA LO SPOStamento verso il rosso non può dipendere solo dal fatto che le stelle sono più calde di quello che noi speriamo? che senso ha confrontare lo spettro che si ottiene in laboratotio con quello misurato proveniente da un oggetto che dista miliardi di km da noi e di cui non conosciamo nulla?? bella legge quella di hubble bella lineare…nulla di più facile..se non fosse che poi la costante cambia ogni giorno..ma nessuno dubita della validità della legge.su quello che non puoi dire..è meglio tacere. la legge è giusta per carità. ci mancava che fosse quella degli oscillatori armonici.quella inversa non poteva essere…perchè divergerebbe verso il centro…mah..beati voi…