Chiarimento sul red shift cosmologico.

[etruscastro]

il problema, di quando si fa divulgazione di un certo tipo, è che è assai complesso far capire l'espansione dell'universo da uno "stiracchiamento", allora si prende come esempio, esattamente errato, ma di aiuto concettuale, l'effetto doppler, ovvio che poi sta al divulgatore fare capire le basiche differenze tra un effetto e l'altro!

[mario26c]

il problema, di quando si fa divulgazione di un certo tipo, è che è assai complesso far capire l'espansione dell'universo da uno "stiracchiamento", allora si prende come esempio, esattamente errato, ma di aiuto concettuale, l'effetto doppler, ovvio che poi sta al divulgatore fare capire le basiche differenze tra un effetto e l'altro!

Ciao, sì questo è vero, a volte è difficile spiegare concetti molto complessi in maniera semplice e vuoi o non vuoi delle semplificazioni più o meno corrette vanno fatte. Infatti è proprio il compito del divulgatore cercare di spiegare concetti difficili e complessi, anche dal punto di vista matematico, in maniera semplice. Solo che nel caso del redshift cosmologico mi sembra che sia proprio un caso di malinteso, si spiega con qualcosa di completamente diverso un fenomeno abbastanza semplice. Ossia che lo spazio espandendosi allunga tutte le lunghezze, compresa la lunghezza d'onda della luce. Magari con un disegnino risulterebbe anche più chiaro. Io non ce l'ho con i divulgatori, anzi sono stesso io che cerco di fare divulgazione 😅 solo che purtroppo nell'ambito dell'Astrofisica e in particolare in quello della Cosmologia se ne sentono davvero di tutti i colori. Ad esempio si dice che poiché la velocità con cui ci sembrano allontanarsi le galassie da noi aumenta con la distanza (legge di Hubble-Lemaitre), oltre una certa distanza le galassie si allontanano da noi ad una velocità maggiore di quella della luce. Questo è vero (a proposito se il redshift di quelle galassie fosse spiegabile tramite l'effetto Doppler non avrebbe senso, perché nulla può muoversi nello spazio a velocità maggiore della luce mentre al contrario essendo lo spazio che si espande non c'è alcuna violazione della relatività di Einstein) solo che purtroppo si afferma spesso che le galassie che ad oggi si stanno allontanando da noi a velocità maggiore della velocità della luce non sono visibili. Cosa assolutamente non vera! Seguendo questo ragionamento tutto ciò che si trova a redshift maggiore di 1 non dovrebbe essere visibile. Mentre noi osserviamo oggetti mooolto più distanti e soprattutto osserviamo la radiazione cosmica di fondo la cui luce ha un redshift di ben 1100! Questo però non viene spiegato, non viene spiegato come possiamo vedere oggetti celesti che si allontanano da noi a velocità maggiore della velocità della luce? Bisognerebbe parlare della sfera di Hubble e di altre cose concettualmente nemmeno complesse (qualcuno infatti ho notato che su YouTube ha provato a parlarne). Solo che anche in quel caso, più che di semplificazione mi sembra proprio malinteso. Sono piccole cose che, anche se magari si tratta di semplificazioni, non forniscono un quadro corretto di ciò che sta accadendo. Se già la Cosmologia è complessa e vivere in un Universo in espansione può creare molti dubbi, non occorrerebbe aggiungerne altri secondo me quando si fa divulgazione, semplificare si, ma cercando di essere più fedeli possibili alla realtà. Quindi ti do assolutamente ragione, il mio però è un discorso generico e che vedo affligge soprattutto la Cosmologia.
Buona giornata

[Alby68a]

Hai stimolato i miei neuroni ed ora mi balenano per la testa una infinità di domande.
Se lo spazio si espande ad una velocità maggiore della luce, diciamo si stiracchia ad una velocità superiore a quella della luce, perché riusciamo a vederla?
Mi hai risposto che lo spazio si espande anche davanti e dietro la luce. Per logica se l'espansione è maggiore della velocità della luce, anche nella direzione della luce, perché arriva fino a noi lo stesso?

[Gaetano M.]

In realtà sono presenti sia l'effetto doppler che il red shift: https://www.ira.inaf.it/centrocal/st...opplerzeta.pdf.
L'effetto doppler non dipende dall'espansione dell'universo ma dalla velocità relativa della fonte rispetto all'osservatore.

[Red Hanuman]

Hai stimolato i miei neuroni ed ora mi balenano per la testa una infinità di domande.
Se lo spazio si espande ad una velocità maggiore della luce, diciamo si stiracchia ad una velocità superiore a quella della luce, perché riusciamo a vederla?
Mi hai risposto che lo spazio si espande anche davanti e dietro la luce. Per logica se l'espansione è maggiore della velocità della luce, anche nella direzione della luce, perché arriva fino a noi lo stesso?

Puoi vedere la luce di oggetti che ora sono oltre l'universo osservabile, perché quella luce è partita prima che oltrepassassero quel confine.
Se avessimo abbastanza tempo e osservassimo un oggetto posto ai limiti dell'universo osservabile (nei pressi del bordo della sfera di Hubble) lo vedremmo diventare sempre più rosso, lo potremmo osservare con strumenti che captano via via onde più lunghe, fino a scomparire del tutto quando attraversa quel confine.
In ogni caso, la luce partita prima del raggiungimento del limite ci farebbe osservare un oggetto ora inosservabile.

L'effetto dell'espansione è cumulato lungo il tragitto che porta la luce a noi, e tutto dipende dall'espansione accumulata nel tragitto.

[mario26c]

Hai stimolato i miei neuroni ed ora mi balenano per la testa una infinità di domande.
Se lo spazio si espande ad una velocità maggiore della luce, diciamo si stiracchia ad una velocità superiore a quella della luce, perché riusciamo a vederla?
Mi hai risposto che lo spazio si espande anche davanti e dietro la luce. Per logica se l'espansione è maggiore della velocità della luce, anche nella direzione della luce, perché arriva fino a noi lo stesso?

Buongiorno, sono contento di aver stimolato la tua curiosità. Questa cosa si spiegherebbe meglio con un'animazione o a voce ma cercherò lo stesso di spiegartela in maniera scritta.
Più una galassia è distante e più ci appare allontanarsi da noi a velocità maggiore. Questo è formalizzato con la legge di Hubble-Lemaitre che si può scrivere così:
v = H0 x d
con d la distanza propria della galassia da noi (con "x" ho indicato la moltiplicazione) e H0 la cosiddetta "costante di Hubble" che è legata al modo in cui l'Universo si espande (è come se indicasse la velocità di espansione, anche se è più corretto parlare di "tasso" o "ritmo di espansione" più che di velocità). Comunque, H0 vale circa H0 = 70 km/s/Mpc (c'è una piccola tensione sul valore assoluto ma possiamo assumere che sia così). H0 ci dice che la velocità con cui ci appaiono allontanarsi le galassie da noi aumenta di 70 km/s per ogni Mpc di distanza in più (1 Mpc = 1 milione di parsec, e ricordo che 1 parsec = 3.26 anni luce). Quindi più una galassia è distante e più ci appare allontanarsi velocemente, come dicevamo prima.

Come è facile vedere dalla formula di sopra, si ha che ad una distanza di circa 14 miliardi di anni luce (ricorda che il raggio dell'Universo osservabile è di ben 47 miliardi di anni luce) le galassie ci appaiono allontanarsi da noi ad una velocità uguale a quella della luce. Questa distanza delimita una zona intorno a noi chiamata "sfera di Hubble" o "orizzonte di Hubble", tutto ciò che sta dentro si allontana da noi a velocità sub-luminali, tutto ciò che c'è fuori si allontana a velocità super-luminali. Infatti le galassie a distanze maggiori ci appaiono allontanarsi a velocità superiori di quella della luce! Come possiamo però vederle?

Tutto ruota intorno a H0. Infatti poiché il modo in cui si espande l'Universo cambia con il tempo (in passato si è espanso accelerando, poi ha subito una decelerazione e da circa un miliardo di anni a questa parte ha ricominciato ad accelerare), anche il valore di H0 è cambiato con il tempo, infatti più correttamente si parla di "parametro di Hubble" più che di "costante" e si indica con la lettera H (il simbolo H0 viene usato per indicare il valore che il parametro di Hubble ha oggi). La legge di Hubble-Lemaitre è sempre stata valida, solo che per usarla bisognava inserire il valore di H giusto per l'epoca analizzata.
In particolare H era più grande in passato. Se H è più grande (invertendo la relazione di prima) si ha che la sfera di Hubble era più piccola, ossia anche galassie a distanze minori ci sembravano allontanarsi da noi a velocità maggiori di quella della luce.

Fatte queste premesse, ora possiamo rispondere alla domanda: come possiamo ricevere luce da oggetti che appaiono allontanarsi da noi a velocità superiori di quella della luce? Quello che è successo è che la luce di quelle galassie era partita miliardi di anni fa e si trovava oltre la sfera di Hubble di quell'epoca, quindi anche allora ci sembravano allontanarsi a velocità maggiori di quella della luce. Era come se la luce venendo verso di noi viaggiasse su un tapis-roulant al contrario, non ci avrebbe mai raggiunto. Solo che, poiché la sfera di Hubble si è andata ad allargare con il tempo, di fatto è come se fosse "andata in contro alla luce" e la luce fosse riuscita ad entrare nella sfera di Hubble. E' come se all'improvviso la luce si fosse trovata all'interno della zona in cui noi vediamo gli oggetti allontanarsi più lentamente della luce, ed è quindi riuscita a raggiungerci. Se la sfera di Hubble fosse rimasta della stessa dimensione, la luce di quelle galassie non sarebbe mai riuscita ad entrarci e non sarebbe mai riuscita a raggiungerci. Ovviamente noi vediamo come erano quelle galassie quando la loro luce è partita, non come sono oggi, perché la loro luce partita oggi non riuscirà mai a raggiungerci.

Una cosa interessante è che risolvendo le equazioni che ci permettono di calcolare come si evolve H con il tempo, sappiamo che H diventerà costante davvero, non cambierà più e quindi la sfera di Hubble smetterà di espandersi in futuro! Cosa vuol dire? Che le galassie che vediamo oggi, tra miliardi di anni piano piano (allontanandosi) usciranno dalla sfera di Hubble e la loro luce non riuscirà mai più ad entrarci, resterà per sempre nella regione di spazio in cui gli oggetti celesti si allontanano da noi a velocità superiori a quelle della luce e noi non potremmo più vedere quelle galassie.

La questione è più complessa di come te l'ho descritta, infatti ad esempio anche tra miliardi di anni ci sarà modo di vedere le zone più remote dell'Universo per un certo periodo di tempo (questo ha a che fare con il cosiddetto "orizzonte degli eventi cosmologico", ma qui mettiamo troppa carne al fuoco). Diciamo che comunque in tutti i casi se aspettiamo sufficiente tempo (molti miliardi di anni) tutte le galassie distanti saranno uscite dalla sfera di Hubble e l'Universo diventerà un posto sempre più buio. Potremmo vedere giusto le galassie nelle immediate vicinanze legate a noi dall'attrazione gravitazionale e nient'altro.

Nell'ipotesi del Big Rip (che non sembra supportata da osservazioni sperimentali) addirittura si pensa che l'espansione dell'Universo diventerà così tanto rapida che non si riuscirà a vedere più nemmeno la nostra stella! L'espansione sarà così rapida da strappare completamente tutti i sistemi legati: le galassie verranno sfaldate, successivamente i pianeti strappati dalle stelle, poi le molecole che compongono il nostro corpo si romperanno, gli elettroni verranno strappati dai nuclei e si arriverà in un momento del futuro in cui addirittura il tessuto dello spazio-tempo verrà "strappato" e l'Universo finirà con una singolarità. Ripeto, questo scenario comunque non è in accordo con quello che osserviamo oggi, quindi possiamo stare tranquilli. Per quanto ne sappiamo l'Universo diventerà semplicemente un posto buio e freddo.

Spero di essere stato chiaro, se vuoi approfondire ci sono alcuni video su YouTube che parlano proprio della questione delle galassie a velocità superiori a quelle della luce, tra l'altro proprio uno molto recente di PBS Space-time (non è pubblicità, è solo un video in inglese che spiega bene l'argomento anche se può risultare un po'complesso da vedere, soffermati comunque sulle idee alla base, di cui ti ho parlato già qui). C'è anche un bellissimo articolo scientifico scritto da 2 esperti (Davis e Lineweaver), si intitola "Expanding Confusion: common misconceptions of cosmological horizons and the superluminal expansion of the Universe", lo trovi sulla piattaforma gratutita arxiv.org, che affronta alcuni degli errori più comuni che spesso si commettono in quest'ambito, tra cui quello di cui abbiamo parlato. E' un articolo scientifico quindi non è tra le letture più leggere, ma penso che sia anche molto discorsivo e la matematica che c'è dietro non è eccessivamente complessa. Inoltre puoi ritrovare anche dei grafici che vengono mostrati nel video che ti suggerivo. Ti auguro una buona giornata.

Mario

[mario26c]

In realtà sono presenti sia l'effetto doppler che il red shift: https://www.ira.inaf.it/centrocal/st...opplerzeta.pdf.
L'effetto doppler non dipende dall'espansione dell'universo ma dalla velocità relativa della fonte rispetto all'osservatore.

Ciao! Si, infatti come ho detto in un commento passato, l'effetto Doppler è presente, pensa al blueshift di Andromeda dovuto al fatto che si avvicina a noi (come dicevo quello è un effetto Doppler). Ma il contributo dell'effetto Doppler rispetto a quello dovuto all'espansione dell'Universo è minore, e l'effetto Doppler da solo non riuscirebbe a spiegare il redshift cosmologico, né da un punto di vista matematico né da un punto di vista osservativo.
Spero di essere stato chiaro

Buona giornata

[Alby68a]

@mario26c ti ringrazio per il tuo approfondimento sul tema, molto chiaro per altro.
Ovviamente questi temi generano un certo numero di domande che non posto qui perchè andremo OT
Cieli sereni

[mario26c]

@mario26c ti ringrazio per il tuo approfondimento sul tema, molto chiaro per altro.
Ovviamente questi temi generano un certo numero di domande che non posto qui perchè andremo OT
Cieli sereni

Ciao, di nulla, sono contento di esserti stato d'aiuto. Assolutamente, si potrebbe stare a parlare per giorni di queste cose, anche perché ogni volta che si aggiunge qualche nuova informazione vengono in mente altre 1000 domande da fare. La Cosmologia è bella anche per questo, anche quando pensi di aver capito tutto in realtà c'è sempre qualcos'altro da imparare.

Buona giornata!

[Albertus]

saluti

io sono sempre stato contrario a certe analogie di cui i testi di fisica divulgativi spesso abusano
purtroppo nella fisica moderna contano (quasi) esclusivamente solo la matematica e gli esperimenti
Lo "stiramento" della luce dovuta all'espansione dell'universo sarebbe esplicativo, per quanto riguarda il red shift, se e solo se la luce fosse effettivamente un onda cioè un continuo
la luce però non è un onda
tutti gli esperimenti moderni dimostrano che i fotoni di luce sono elementi puntiformi
si può dire che i punti nel loro complesso si comportano come un onda
vero, ma rimane il fatto che i punti non si "stirano" tuttalpiù si allontanano o si avvicinano
Dal punto di vista matematico si può dimostrare che un flusso di fotoni puntiformi con le loro caratteristiche quantistiche se immersi in uno spazio che si allunga danno luogo a quel fenomeno "complessivo" che chiamiamo red shift
si tratta però di un spiegazione matematica di quella parte della fisica chiamata QCD , nella quale l'intuizione fisica con le relative analogie contano quasi nulla