La curiosità del mese a cura di Gabriele Ghisellini
Quanto è vecchio il nostro Universo?
Oggi lo sappiamo con precisione: 13 miliardi e 800 milioni di anni.
Per confronto, per andare da un capo all’altro della nostra galassia, la Via Lattea, la luce impiega 100.000 anni. Ne impiega 2 milioni e mezzo per andare dalla Via Lattea alla nostra galassia gemella, Andromeda. E Andromeda è la galassia più vicina.
Questi tempi si possono convertire in distanze, e possiamo dire che Andromeda è distante 2 milioni e mezzo di anni luce.
Ma la conversione vale solo per le galassie a noi più vicine, non per tutte. Dobbiamo infatti tener conto che l’Universo si sta espandendo (leggi la curiosita’ di dicembre 2020), e questo complica – e non poco – il calcolo delle distanze.
Facciamo un esempio. Tra Roma e Milano ci sono circa 600 km di distanza. Quindi, se viaggiamo ad una velocità di 100 km orari, il nostro viaggio tra le due città durerà 6 ore.
Se ci domandiamo quanta strada ha fatto la luce nei 13,8 miliardi di anni della sua esistenza, a prima vista ci sembra ovvio rispondere: 13,8 miliardi di anni luce!
Sbagliato!
Nel caso dell’Universo sappiamo che mentre la luce viaggia, lo spazio si sta espandendo, ed è per questo che le galassie si allontanano tra loro.
Mentre la luce viaggia, la strada (lo spazio stesso) si sta allungando… È come se la luce si muovesse su un tapis roulant: rispetto al suo spazio locale viaggia alla sua velocità usuale (la velocità della luce, appunto), ma in più il tapis roulant la “aiuta” nel suo moto e le fa fare più strada.
Alla fine dei 13,8 miliardi di anni del suo viaggio, la luce avrà percorso molta più strada di 13,8 miliardi di anni luce.
Quanta? 46 miliardi di anni luce, che corrisponde ad un diametro di circa 92 miliardi di anni luce.
Questo implica che noi possiamo ricevere la luce di galassie distanti, adesso, 46 miliardi di anni luce al massimo (in una direzione, e altri 46 miliardi di anni luce nella direzione opposta). Ovviamente, quando la luce di queste galassie lontane ha iniziato il suo viaggio, le galassie erano molto più vicine a noi.
Ma davvero possiamo ricevere la luce di galassie che sono così distanti? Beh, bisogna intenderci: questa distanza è un limite, oltre il quale la luce non ci può raggiungere.
Le galassie che sono su questo “bordo” si stanno allontanando da noi alla velocità della luce, e quindi noi non possiamo ricevere la radiazione che producono.
Questa distanza, quindi (46 miliardi di anni luce), funziona come una colonna d’Ercole dell’Universo. Definisce l’Universo osservabile, visto che possiamo ricevere la luce delle sorgenti più vicine di 46 miliardi di anni luce, ma non oltre.
E se noi vivessimo su un’altra galassia vedremmo lo stesso Universo? No! Supponiamo di vivere su una galassia che di trova 10 miliardi di anni luce ad est della Via Lattea: anche per noi vale lo stesso limite (46 miliardi di anni luce), ma spostato più a est.
Sorge spontanea una domanda: c’è qualcosa oltre queste colonne d’Ercole cosmiche? E come facciamo a saperlo, visto che non possiamo vedere niente al di là?
Vi sembrerà incredibile, ma siamo praticamente sicuri che l’Universo totale sia molto, ma molto più grande dell’Universo osservabile. Per arrivare a questa conclusione dobbiamo considerare la geometria del nostro spazio.
Potrebbe essere euclidea, oppure curva.
Il caso euclideo sembrerebbe meno probabile, perché ci sono molti modi di essere curvo, e un modo solo per essere euclideo.
Che cosa vuol dire euclideo? Significa che la somma degli angoli interni di tutti i triangoli che tracciamo vale 180 gradi. Un angolo piatto. Provate a pensare ad un triangolo tracciato sulla superficie di un mappamodo.
Partiamo dal polo nord e viaggiamo lungo un meridiano. Arrivati all’equatore, ci giriamo di 90 gradi e seguiamo l’equatore per un po’. Poi ci giriamo di nuovo di 90 gradi per tornare al polo nord.
Quando arriviamo facciamo i conti della somma degli angoli interni del triangolo che abbiamo percorso. La somma è maggiore di 180 gradi. Abbiamo percorso uno spazio curvo. Quindi in linea di principio possiamo sapere la geometria dello spazio in cui viviamo. Basta fare un triangolo abbastanza grande.
E per quanto possa sembravi strano, gli scienziati sono stati capaci di misurare gli angoli interni di un triangolone cosmico. E concludere che il nostro Universo è euclideo, con una grande precisione.
Ma come è possibile? La probabilità che sia un caso è minima. Ci deve essere una ragione importante dietro a questo.
Nl 1979 Alan Guth, un fisico americano che aveva da poco finito il dottorato, ebbe una idea semplice e profonda. Per capirla, pensiamo ad un palloncino molto elastico. Supponiamo che all’inizio sia una palla, e disegniamo su di esso dei triangoli.
Nessun dubbio: i triangoli hanno la somma dei loro angoli interni che è maggiore di 180 gradi: lo spazio è curvo.
Adesso però gonfiamo il palloncino a dismisura, fino a farlo diventare grande come il sistema solare. Sul pezzo di palloncino che abbiamo davanti, disegniamo ancora dei triangoli. Questa volta la somma dei loro angoli interni sarà di 180 gradi: lo spazio è diventato euclideo.
Lo spazio è stato “stirato” così tanto da diventare indistinguibile da un foglio di carta piatto. Solo se riuscissimo a fare dei triangoli grandi come il sistema solare potremmo accorgerci che in realtà lo spazio dove viviamo è curvo.
Con l’Universo è successa una cosa simile. All’inizio, la geometria dell’Universo poteva essere di qualunque tipo: curvo come una palla o curvo come una patatina Pringle. Ma con una tremenda super-espansione l’Universo totale è diventato molto più grande dell’Universo osservabile.
Noi viviamo in un pezzettino di Universo, e misuriamo quindi una geometria euclidea. Questo implica che l’Universo totale debba essere molto più grande dell’Universo osservabile.
Quanto più grande? Abbastanza per non farci accorgere che lo spazio, in realtà, potrebbe essere curvo: almeno 1000 volte più grande.
