Nessuna galassia sparirà mai davvero, anche in un universo che si espande per via dell’energia oscura

Oggi possiamo vedere la luce che viaggia da 13,8 miliardi di anni (o meno) nell'Universo, portandoci verso un orizzonte cosmico a 46,1 miliardi di anni luce di distanza. Ma, potenzialmente, potremmo guardare fino a 61,3 miliardi di anni luce da noi: circa il 33% più lontano di quanto sia grande attualmente l'universo.

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Nessuna galassia sparirà mai davvero, anche in un universo che si espande per via dell'energia oscura

Di Ethan Siegel per Forbes.com

Quanto più lontana è una galassia da noi in questo Universo in espansione, tanto più velocemente sembra allontanarsi da noi. Col passare del tempo, ogni singola galassia si allontanerà progressivamente e sembrerà accelerare a velocità sempre crescenti. Per dirla semplicemente, l’Universo non si sta solo espandendo, ma l’espansione sta accelerando nel tempo. Negli ultimi due decenni, è diventato abbondantemente chiaro che c’è una forma di energia precedentemente sconosciuta – l’energia oscura – che non solo sta guidando questa espansione accelerata, ma è la forma dominante di energia nel nostro Universo.

Eppure, nonostante tutto ciò, sono moltissime le galassie che possiamo osservare oggi, 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, che in qualsiasi momento precedente della nostra storia cosmica. Ancora più sconcertante: col passare del tempo, il numero di galassie potenzialmente osservabili aumenterà, più che raddoppiando man mano che l’orologio cosmologico continua a scorrere. Anche se si allontanano sempre più velocemente, nessuna singola galassia scomparirà mai completamente dal nostro punto di vista.

Ecco la scienza sconcertante di come ciò sia possibile.

Guardando indietro nel tempo cosmico nel campo ultra profondo di Hubble, ALMA ha rintracciato la presenza di monossido di carbonio ... [+]. Ciò ha consentito agli astronomi di creare un'immagine tridimensionale del potenziale di formazione stellare del cosmo. Le galassie ricche di gas sono mostrate in arancione. Puoi vedere chiaramente, in base a questa immagine, come ALMA può individuare le caratteristiche nelle galassie che Hubble non può e come le galassie che potrebbero essere completamente invisibili a Hubble potrebbero essere viste da ALMA. Tutte queste galassie, più altre, ci saranno sempre visibili, arbitrariamente lontano nel futuro.

L’Universo, sin dai primi momenti del Big Bang, è stato impegnato in una tremenda corsa cosmica. Da un lato, abbiamo il tasso di espansione iniziale: guida rapidamente ogni due punti separati nello spazio nel tempo. D’altra parte c’è l’incredibile forza di gravità, che attrae tutte le forme di materia ed energia l’una verso l’altra e in competizione con l’espansione iniziale. Possiamo immaginare, sulla base di questa configurazione, tre possibili esiti.

    1. L’espansione iniziale è troppo forte per la materia e l’energia che abbiamo, e l’Universo continua ad espandersi per sempre.
    2. C’è troppa materia ed energia per il tasso di espansione iniziale, e l’Universo si espanderà fino a raggiungere una dimensione massima e quindi comincerà a contrarsi, verso il collasso finale.
    3. Ma l’Universo potrebbe esistere proprio al confine tra questi due scenari, in cui il tasso di espansione si porta a zero ma non si ripete mai del tutto.

Per generazioni, abbiamo cercato di misurare quale di queste possibilità corrispondesse al nostro Universo. Quando finalmente sono arrivate le osservazioni, siamo rimasti scioccati..

I destini attesi dell'Universo (le prime tre illustrazioni) corrispondono tutti a un Universo in cui la materia e l'energia [...] combinano la lotta contro il tasso di espansione iniziale. Nel nostro Universo osservato, un'accelerazione cosmica è causata da un qualche tipo di energia oscura, che fino ad ora non è stata spiegata. Tutti questi universi sono governati dalle equazioni di Friedmann, che mettono in relazione l'espansione dell'Universo con i vari tipi di materia ed energia presenti al suo interno. C'è un evidente problema di ottimizzazione qui, ma potrebbe esserci una causa fisica sottostante.

Invece di rappresentare uno di questi tre scenari, l’Universo fa qualcosa di diverso. Per i primi miliardi di anni, sembrava che il tasso di espansione e la densità di materia ed energia si bilanciassero quasi perfettamente, poiché il tasso di espansione diminuiva mentre anche la densità diminuisce, dirigendosi verso quello stato in cui il tasso di espansione si sarebbe dovuto portare a zero.

Invece, le galassie distanti sembrano allontanarsi da noi sempre più lentamente, anche se raggiungono distanze sempre maggiori. E mentre il tasso di espansione diminuisce, le galassie ultra distanti – galassie la cui luce ci giunge da miliardi di anni di distanza – rivelano infine la loro esistenza ai nostri occhi.

E poi, circa 6 miliardi di anni fa, queste galassie ultra distanti sembrano aver improvvisamente incominciato ad allontanarsi da noi a un ritmo più rapido e accelerato. All’improvviso viene rivelata la presenza di energia oscura.

Come materia (in alto), radiazione (in mezzo) e una costante cosmologica (in basso) si evolvono con il tempo in ... [+] un Universo in espansione. Man mano che l'Universo si espande, la densità della materia si diluisce, ma anche la radiazione si raffredda man mano che le sue lunghezze d'onda si allungano verso stati più lunghi e meno energetici. La densità dell'energia oscura, d'altra parte, rimarrà veramente costante se si comporterà come si pensa attualmente: come una forma di energia intrinseca allo spazio stesso.

Il motivo è abbastanza semplice. Man mano che l’Universo si espande, il suo volume aumenta, ma il numero di particelle al suo interno rimane lo stesso. Col passare del tempo, la densità della materia diminuisce in proporzione alla scala dell’Universo: la distanza di separazione tra due punti qualsiasi rispetto alla terza potenza. La radiazione scende ancora più gravemente (fino alla quarta potenza), poiché il numero di particelle non solo si diluisce, ma l’Universo in espansione allunga anche la lunghezza d’onda di tale radiazione.

Ma se ce n’è una quantità diversa da zero inerente allo spazio stesso, allora la densità di energia non diminuisce, anche se l’Universo si espande. Invece, la densità di energia oscura rimane costante, il che significa che quando la densità della materia e della radiazione diminuisce in misura sufficiente, l’energia oscura diventa più importante. Ad oggi, 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, è diventata la forma di energia dominante nell’Universo.

Varie componenti e contribuenti alla densità di energia dell'Universo e quando potrebbero ... [+] dominare. Si noti che le radiazioni dominano la materia per circa i primi 9000 anni, ma rimangono una componente importante, rispetto alla materia, fino a quando l'Universo ha molte centinaia di milioni di anni, sopprimendo così la crescita gravitazionale della struttura. L'energia oscura, negli ultimi tempi, diventa l'unica entità che conta. Stringhe cosmiche e muri di dominio, sebbene siano interessanti dal punto di vista teorico, non sembrano esistere in questo universo.

Cosa significa questo per l’espansione dell’Universo?

Un certo numero di cose importanti che non sono tutte intuitive, ma si rivelano vere quando applichi la matematica dell’Universo in espansione al cosmo fisico che osserviamo. Ecco alcuni punti salienti.

  • L’universo, oggi, si estende per 46,1 miliardi di anni luce in tutte le direzioni, il che significa che la luce emessa nell’istante del Big Bang arriverebbe a noi oggi, e il suo punto di origine è ora a 46,1 miliardi di anni luce da noi nell’Universo in espansione.
  • Qualsiasi oggetto oltre una certa distanza si allontana così rapidamente da noi che, se partissimo oggi con una astronave immaginaria che viaggia alla velocità della luce, non saremmo in grado di raggiungerlo.
  • Questa distanza, quando si calcola come l’Universo si espande, significa che circa il 94% di tutte le galassie contenute nell’Universo osservabile sono già irraggiungibili, indipendentemente da ciò che potremmo fare.

Questo fa sembrare che l’Universo stia scomparendo, vero?

Col passare del tempo, singole galassie che sono legate insieme in gruppi e gruppi – come se fossimo legati ad Andromeda, Triangulum e circa altre 60 galassie più piccole – rimarranno legate in quei singoli gruppi, ma quei gruppi separati e indipendenti continueranno ad allontanarsi l’uno dall’altro, sempre più velocemente, mentre l’Universo si evolve. Tra circa 100 miliardi di anni non saremo in grado di raggiungere una singola galassia oltre il nostro gruppo locale.

Eppure, il numero di galassie che siamo in grado di vedere, oggi, è il più grande che ci sia mai stato, e quel numero continuerà ad aumentare col passare del tempo. La ragione di ciò è controintuitiva, a meno che tu non abbia lavorato a lungo con la Relatività Generale nel contesto dell’universo in espansione. La luce si propaga attraverso l’Universo e, anche se l’Universo si espande con il tempo, la luce, per quanto sia lontano il punto di emissione, alla fine ci raggiunge.

Oggi, la luce che ci raggiunge dopo un viaggio di 13,8 miliardi di anni ha le seguenti proprietà.

  1. Quando quella luce fu emessa, molto tempo fa, l’Universo era molto più piccolo e il punto di emissione quella luce era molto, molto, più vicino a noi.
  2. Mentre l’Universo si è espanso nel corso della sua storia, la luce si è propagata attraverso l’Universo in espansione, viaggiando per un totale di 13,8 miliardi di anni luce se ha viaggiato alla velocità della luce per 13,8 miliardi di anni.
  3. E oggi, se posassimo un punto immaginario sulla coordinata da cui è stata emessa quella luce, ora sarebbe distante 46,1 miliardi di anni luce.

Immagina di porre questa domanda: quante galassie ci sono attualmente visibili, se avessimo un telescopio arbitrariamente grande, potente e capace di penetrare la polvere cosmica?

Per la prima volta, oggi possiamo rispondere, grazie ad una combinazione di osservazioni e la teoria cosmologica della formazione della struttura: 2 trilioni di galassie sono contenute nel nostro Universo osservabile.

Ma cosa accadrà al numero di galassie che potremmo potenzialmente vedere, con il passare del tempo? Vedremo più galassie? Meno galassie? O lo stesso numero di galassie?

Per rispondere a ciò, dobbiamo capire come la luce viaggia attraverso l’Universo in espansione. Anche se l’espansione dell’Universo accelera e le galassie distanti sembrano allontanarsi da noi sempre più velocemente col passare del tempo, l’orizzonte cosmico aumenta sempre di dimensioni. Da quando è avvenuto il Big Bang, la luce proveniente da distanze sempre più grandi è arrivata in un dato punto dell’Universo. Oggi possiamo vedere la luce che viaggia da 13,8 miliardi di anni (o meno) nell’Universo, portandoci verso un orizzonte cosmico a 46,1 miliardi di anni luce di distanza.

Ma col passare del tempo, saremo in grado di vedere luce che richiede più lunghi periodi di tempo per essere osservata: 13,9 miliardi, 15 miliardi o persino 100 miliardi di anni. Col passare del tempo, un giorno appariranno galassie che sono attualmente invisibili per noi.

Nel lontano universo, una galassia viene creata ed emette luce. Quella luce non è visibile a noi ... [+] istantaneamente, ma solo dopo che è trascorso un determinato periodo di tempo: il tempo impiegato da quella galassia lontana per arrivare ai nostri occhi nel contesto dell'Universo in espansione, basato sulla sua distanza originale iniziale da noi.

Poiché capiamo come l’energia oscura guida l’espansione dell’Universo – sappiamo di cosa è fatto l’Universo e come la storia dell’espansione si evolverà con il tempo – possiamo calcolare quanto dell’Universo ci diventerà mai osservabile.

Oggi corrisponde a qualsiasi oggetto entro 61,3 miliardi di anni luce da noi: circa il 33% più lontano di quanto possiamo vedere attualmente. Mentre la storia dell’Universo continua a svolgersi e permettiamo al tempo di procedere all’infinito lontano nel futuro, tutte le galassie che sono là fuori, attualmente oltre il nostro orizzonte visibile, alla fine si riveleranno a noi.

In termini di volume, ciò corrisponde a un ulteriore 135% dell’Universo, al di là di ciò che attualmente possiamo osservare. Se oggi abbiamo un totale di 2 trilioni di galassie visibili a noi, quindi in un lontano futuro, se saremo abbastanza bravi a raccogliere la luce da questi oggetti ultra-distanti e ultra-deboli, avremo un totale di 4,7 trilioni galassie da studiare: più del doppio di quelle che abbiamo oggi.

Oggi, sono circa 2 trilioni di galassie contenute nel nostro Universo osservabile. Solo circa il 6% è teoricamente raggiungibile da noi, il che significa che l’altro 94% apparirà sempre com’era nel passato.

Non vedremo mai come sono queste galassie 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, poiché quella luce, quella che stanno emettendo oggi, non ci raggiungerà mai. Ma col passare del tempo, verranno rivelate anche più galassie, anche se le vedremo solo nella loro infanzia cosmica, portando il numero totale di galassie osservabili a circa 4,7 trilioni: più del doppio del numero di oggi.

Tutte queste galassie una volta erano estremamente vicine a noi e la loro luce alla fine ci giungerà agli occhi mentre l’Universo continuerà ad espandersi per sempre.

C’è un limite a ciò che un giorno saremo in grado di vedere, ma non l’abbiamo ancora raggiunto.

Inoltre, nulla scomparirà veramente; i fotoni arriveranno più raramente e con meno energia. Se sapremo cosa cercare l’Universo molto futuro non solo rimarrà osservabile, ma saremo in grado di vederne più che mai.