Lo spazio non è sempre stato un posto grande
L’universo in espansione, pieno di galassie e della complessa struttura che osserviamo oggi, è nato da uno stato più piccolo, caldo, denso e uniforme. Ma anche quello stato iniziale ha avuto le sue origini, con l’inflazione cosmica come candidato principale per la provenienza di tutto ciò.
C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Ci sono poche cose che possiamo concepire che siano così incredibilmente grandi come lo spazio. Il nostro Universo osservabile, fino ai più profondi recessi dello spazio che possiamo vedere, ci porta fuori circa 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni. Dal Big Bang ad oggi, il nostro Universo si è espanso e allo stesso tempo ha gravitato, dando origine a stelle e galassie sparse nella distesa dello spazio esterno. Tutto sommato, ci sono attualmente circa 2 trilioni di galassie presenti al suo interno.
E tuttavia, se andiamo indietro nel tempo, apprendiamo che non solo il nostro Universo era un posto molto più piccolo, ma che nelle fasi iniziali non era affatto impressionante. Lo spazio potrebbe non essere sempre stato un posto grande, ed è solo il fatto che il nostro Universo si è espanso così profondamente e inesorabilmente che ce lo fa vedere così grande e vuoto oggi.
L’Universo lontano, visto qui attraverso il piano della Via Lattea, consiste di stelle e… galassie, oltre a gas opaco e polvere, andando indietro fino a dove possiamo vedere. Ma sappiamo che non stiamo vedendo tutto, non importa come guardiamo.
Two Micron All Sky Survey (2MASS)
Se guardiamo l’Universo oggi, non si può negare l’enormità della sua scala. Contenente circa 400 miliardi di stelle, la nostra galassia della Via Lattea si estende per oltre 100.000 anni luce di diametro. La distanza tra le stelle è enorme, con la stella più vicina al nostro Sole (Proxima Centauri) che si trova a circa 4,24 anni luce di distanza: oltre 40 trilioni di chilometri di distanza.
Mentre alcune stelle sono raggruppate in gruppi, sia in sistemi multi-stella che in ammassi stellari di vario tipo, la maggior parte sono come il nostro Sole: stelle singole che sono relativamente isolate da tutte le altre in una galassia. E una volta che si va oltre la nostra galassia, l’Universo diventa un posto molto più scarso, con solo una piccola frazione del volume dell’Universo che contiene effettivamente delle galassie. La maggior parte dell’Universo, per quanto ne sappiamo, è completamente priva di stelle e galassie.
L’Universo è un posto incredibile, e il modo in cui è arrivato ad essere oggi è qualcosa per cui vale la pena essere… grati. Anche se le nostre immagini più spettacolari dello spazio sono ricche di galassie, la maggior parte del volume dell’Universo è interamente privo di materia, galassie e luce.
NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI / AURA); J. Blakeslee
Il nostro Gruppo Locale, per esempio, contiene un’altra grande galassia: Andromeda, situata a 2,5 milioni di anni luce da noi. Sono presenti anche un certo numero di galassie significativamente più piccole, tra cui la galassia Triangulum (la terza più grande del Gruppo Locale), la Grande Nube di Magellano (#4), e circa 60 altre galassie molto più piccole, tutte contenute entro circa 3 milioni di anni luce da noi.
Oltre a questo, le galassie si trovano ammassate e raggruppate insieme in tutto l’Universo, con una rete cosmica costituita da grandi ammassi di galassie collegate da filamenti di galassie a puntini. L’Universo è diventato così perché non solo si è espanso e raffreddato, ma anche perché ha gravitato. Le regioni inizialmente troppo dense hanno attratto preferibilmente la materia e hanno dato origine alle strutture che vediamo; le regioni poco dense hanno ceduto la loro materia a quelle più dense, diventando i grandi vuoti cosmici che dominano la maggior parte del volume dell’Universo.
La crescita della rete cosmica e della struttura su larga scala nell’Universo, mostrata qui con l’espansione stessa in scala, fa sì che l’Universo diventi più raggruppato e più denso col passare del tempo. Inizialmente piccole fluttuazioni di densità cresceranno fino a formare una rete cosmica con grandi vuoti che le separano, ma quelle che sembrano essere le più grandi strutture simili a pareti e superammassi potrebbero non essere vere strutture legate dopo tutto.
Volker Springel
Tutto sommato, il nostro Universo osservabile è davvero enorme oggi. Centrato su qualsiasi osservatore – compresi noi stessi – possiamo vedere oggetti lontani fino a 46,1 miliardi di anni luce in qualsiasi direzione. Quando si somma il tutto, ciò equivale a un volume di 4,1 × 1032 anni luce cubici. Con anche due trilioni di galassie nell’Universo, ciò significa che ogni galassia, in media, ha circa 2 × 1020 anni luce cubici di volume per sé.
Se le galassie fossero tutte uniformemente distribuite nell’Universo, e sicuramente non lo sono, si potrebbe mettere il dito su una galassia e disegnare una sfera intorno ad essa di circa 6 milioni di anni luce di raggio e non incontrare mai un’altra galassia. La nostra posizione nell’Universo ha centinaia di volte la densità di galassie che ci aspettiamo in media. Tra i gruppi di galassie e gli ammassi dell’Universo si trova la maggior parte del suo volume, ed è per lo più spazio vuoto.
Una mappa di più di un milione di galassie nell’Universo, dove ogni punto è la sua galassia. I… vari colori rappresentano le distanze, con il rosso che rappresenta la distanza maggiore. Nonostante quello che si potrebbe supporre da questa immagine, la maggior parte dell’Universo è vuoto, lo spazio intergalattico.
Daniel Eisenstein e la collaborazione SDSS-III
Ma la ragione per cui l’Universo è così grande oggi è perché si è espanso e raffreddato per raggiungere questo punto. Anche oggi, l’Universo continua ad espandersi ad una velocità enorme: circa 70 km/s/Mpc. Nel punto più lontano dell’Universo, a 46,1 miliardi di anni luce, la quantità di Universo che possiamo osservare cresce di altri 6,5 anni luce per ogni anno che passa.
Questo significa che se estrapoliamo nella direzione opposta del tempo – guardando indietro quanto vogliamo nel passato – troveremo l’Universo come era quando era più giovane, più caldo e più piccolo. Oggi l’Universo si estende per 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni, ma questo perché sono passati 13,8 miliardi di anni dal Big Bang, e il nostro Universo contiene un mix specifico di energia oscura, materia e radiazione in varie forme.
Se tornassimo indietro a quando l’Universo aveva solo 3 miliardi di anni (circa il 20% della sua età attuale), scopriremmo che aveva un raggio di soli 9 miliardi di anni luce (appena lo 0,7% del suo volume attuale).
Una selezione di alcune delle galassie più lontane dell’Universo osservabile, dal campo ultra profondo di Hubble. Campo profondo. Quando osserviamo l’Universo a grandi distanze, lo vediamo come era nel lontano passato: più piccolo, più denso, più caldo e meno evoluto.
NASA, ESA e N. Pirzkal (Agenzia Spaziale Europea/STSCI)
E non abbiamo problemi a guardare indietro per vedere galassie e ammassi di galassie quando l’Universo era così giovane; il telescopio spaziale Hubble, tra gli altri, ci ha portato molto più indietro di così. A quel tempo, le galassie erano più piccole, più blu, di massa inferiore e meno evolute, in media, poiché l’Universo non aveva avuto abbastanza tempo per formare le strutture più grandi e massicce di tutte.
L’Universo, in questa fase iniziale, è complessivamente molto più denso di oggi. Il numero di particelle di materia rimane lo stesso nel tempo, anche se l’Universo si espande, il che significa che l’Universo all’età di ~ 3 miliardi di anni è circa 150 volte più denso di quello di oggi, all’età di ~ 13,8 miliardi di anni. Invece di circa 1 protone di massa per metro cubo, ci sono più vicini a 100 protoni. Tuttavia, possiamo tornare indietro a tempi molto precedenti e trovare un Universo che non è solo più piccolo e più denso, ma anche drammaticamente diverso.
Le prime stelle nell’Universo saranno circondate da atomi neutri di gas (principalmente) idrogeno, che… assorbono la luce delle stelle. L’idrogeno rende l’Universo opaco al visibile, all’ultravioletto e ad una grande frazione della luce del vicino infrarosso, ma lunghezze d’onda più lunghe potrebbero ancora essere osservabili e visibili agli osservatori del prossimo futuro. La temperatura in questo periodo non era di 3K, ma abbastanza calda da bollire l’azoto liquido, e l’Universo era decine di migliaia di volte più denso di quanto non sia oggi su larga scala.
Nicole Rager Fuller / National Science Foundation
Se torniamo indietro a quando l’Universo aveva solo 100 milioni di anni – meno dell’1% della sua età attuale – le cose iniziano a sembrare drammaticamente diverse. Le primissime stelle avevano iniziato a formarsi solo di recente, ma non c’erano ancora galassie, nemmeno una. L’Universo è circa il 3% della sua scala attuale in questo momento, il che significa che ha solo lo 0,003% del suo volume attuale, e 40.000 volte la sua densità attuale. Il fondo cosmico a microonde è abbastanza caldo, in questo momento, da bollire l’azoto liquido.
Ma possiamo andare molto più indietro nel tempo, e scoprire un Universo ancora più piccolo. La luce del fondo cosmico a microonde che vediamo è stata emessa quando l’Universo aveva solo 380.000 anni: quando era più di un miliardo di volte più denso di oggi. Se tu disegnassi un cerchio intorno al nostro superammasso locale oggi, Laniakea, esso incapsulerebbe un volume molto più grande di quello dell’intero Universo osservabile in quei primi stadi caldi e densi.
Alle alte temperature raggiunte nell’Universo molto giovane, non solo particelle e fotoni possono essere… creati spontaneamente, con sufficiente energia, ma anche antiparticelle e particelle instabili, dando luogo a una zuppa primordiale di particelle e antiparticelle. Tuttavia, anche con queste condizioni, solo alcuni stati specifici, o particelle, possono emergere, e quando sono passati pochi secondi, l’Universo è molto più grande di quanto non fosse nelle prime fasi.
Brookhaven National Laboratory
Significa che se tornassimo indietro a un’epoca in cui l’Universo aveva circa un decennio, dieci anni dopo il primo Big Bang, l’intero Universo osservabile – contenente tutta la materia di cui oggi disponiamo e che costituisce 2 mila miliardi di galassie (e più) – non sarebbe più grande della galassia della Via Lattea.
Significa che se tornassimo al tempo in cui fosse passato solo un secondo dal Big Bang, quando l’ultima antimateria del primo Universo (sotto forma di positroni) si stava annichilendo, l’intero Universo osservabile avrebbe solo circa 100 anni luce di diametro.
E significa che nelle primissime fasi dell’Universo, quando forse era passato solo un picosecondo (10-12 secondi) dal Big Bang, l’intero Universo osservabile poteva stare in una sfera non più grande della dimensione dell’orbita terrestre intorno al Sole. L’intero Universo osservabile, nelle prime fasi del Big Bang, era più piccolo delle dimensioni del nostro sistema solare.
Le dimensioni dell’Universo, in anni luce, rispetto alla quantità di tempo che è passato dal Big… Bang. Questo è presentato su una scala logaritmica, con una serie di eventi importanti annotati per chiarezza. Questo vale solo per l’Universo osservabile.
E. Siegel
Si potrebbe pensare che si potrebbe portare l’Universo fino ad una singolarità: ad un punto di temperatura e densità infinita, dove tutta la sua massa ed energia si sono concentrate in una singolarità. Ma sappiamo che non è una descrizione accurata del nostro Universo. Invece, un periodo di inflazione cosmica deve aver preceduto e dato vita al Big Bang.
Dall’evidenza del fondo cosmico a microonde di oggi, possiamo concludere che ci deve essere stata una temperatura massima che l’Universo ha raggiunto durante il Big Bang caldo: non più di circa 5 × 1029 K. Anche se questo numero è enorme, non è solo finito, è ben al di sotto della scala di Planck. Quando si calcola la matematica, si trova un diametro minimo per l’Universo all’inizio del Big Bang caldo: circa 20 centimetri (8″), o circa le dimensioni di un pallone da calcio.
Le linee blu e rosse rappresentano uno scenario Big Bang “tradizionale”, dove tutto inizia al tempo t=0,… compreso lo spaziotempo stesso. Ma in uno scenario inflazionario (giallo), non raggiungiamo mai una singolarità, dove lo spazio va ad uno stato singolare; invece, può solo diventare arbitrariamente piccolo nel passato, mentre il tempo continua ad andare all’indietro per sempre. Solo l’ultima minuscola frazione di secondo, dalla fine dell’inflazione, si imprime sul nostro Universo osservabile oggi. La dimensione del nostro Universo ora osservabile alla fine dell’inflazione deve essere stata almeno la dimensione di un pallone da calcio, non più piccola.
E. Siegel
È vero che non sappiamo quanto sia grande la parte non osservabile dell’Universo; potrebbe essere infinita. È anche vero che non sappiamo per quanto tempo è durata l’inflazione o cosa, se c’è stato, l’ha preceduta. Ma sappiamo che quando il Big Bang caldo è iniziato, tutta la materia e l’energia che vediamo nel nostro Universo visibile oggi, tutta la roba che si estende per 46,1 miliardi di anni luce in tutte le direzioni, deve essere stata concentrata in un volume delle dimensioni di un pallone da calcio.
Per almeno un breve periodo di tempo, la vasta distesa di spazio che guardiamo e osserviamo oggi era tutto fuorché grande. Tutta la materia che componeva intere galassie massicce sarebbe entrata in una regione di spazio più piccola di una gomma da cancellare. Eppure, attraverso 13,8 miliardi di anni di espansione, raffreddamento e gravitazione, siamo arrivati al vasto Universo di cui oggi occupiamo un piccolo angolo. Lo spazio può essere la cosa più grande che conosciamo, ma le dimensioni del nostro Universo osservabile sono una conquista recente. Lo spazio non è sempre stato così grande, e la prova è scritta sull’Universo perché tutti noi la vediamo.