Novità – Articoli e aggiornamenti

1 – Che l’Universo si espande da circa 14 miliardi di anni, partendo da uno stato di enorme energia detto Big Bang (grande scoppio) (Schizzo n, 2). Ma non sono le galassie a muoversi, lanciate via in uno spazio vuoto, ma è lo spazio ad espandersi, trascinando con sé la materia. (Schizzo n. 3)

2 – Che l’Universo a 3 dimensioni in cui viviamo può avere una curvatura in un’altra dimensione. Una superficie curva, per esempio una sfera, può essere illimitata (senza limiti geometrici) ma non infinita! (Schizzo n. 4).

3 – Che il cielo di notte è buio perché anche se ci sono miliardi di galassie fatte da miliardi di stelle, l’espansione dell’Universo sposta la loro luce verso le onde radio, a più bassa energia, e la indebolisce (Schizzo n.5).

4 – Che non esiste un centro dell’Universo, poiché ogni galassia appare allontanarsi dalle altre e vede la stessa espansione che osserviamo noi. (Schizzo n. 6)

5 – Che lo spazio e il tempo sono proprietà della materia e non esistono nel vuoto, dove non c’è materia. Perciò essi nascono col Big Bang e non ha senso chiedersi cosa c’era prima o cosa c’era intorno (Schizzo n. 7).

6 – Che lo spazio e il tempo sono indissolubilmente legati tra loro, poiché la nostra esperienza dell’Universo si basa sulle radiazioni elettromagnetiche che si muovono alla velocità della luce. Più lontano guardo, più vedo nel passato (Schizzo n. 8). Perciò il futuro non è osservabile.

7 – Che anche le onde gravitazionali, come quelle elettromagnetiche, si muovono alla velocità della luce e perciò la variazione della forza di gravità si sente solo dopo un certo tempo. Per esempio, Saturno è così lontano dal Sole da orbitare attorno a un punto da cui il Sole si è già spostato. Subiamo l’azione del passato! (Schizzo n. 9).

8 – Che a causa dell’espansione dell’Universo e della sua età esistono degli orizzonti cosmici, distanze al di là delle quali non riceviamo nessuna informazione, né radiazione né forza di gravità, che si allargano continuamente. Tutto ciò che è oltre l’orizzonte cosmico non esiste nel nostro Universo, come noi non esistiamo nel loro Universo (Schizzo n. 10).

9 – Che le stelle e le galassie si sono formate dopo un’epoca in cui l’Universo era così freddo da essere un vasto spazio buio, l’Età Oscura. Ma dopo la nascita delle prime stelle, la luce si è accesa nel buio (Schizzo n. 11)

10 – Che l’Universo potrebbe fermare la sua espansione o espandersi per sempre, in base alla quantità di materia che possiede e alla sua forza di gravità (Schizzo n. 12).

11 – Che esiste una materia oscura, non fatta da atomi (particelle barioniche) ma da particelle “esotiche” non ancora identificate, e che la sua massa è 5 volte maggiore della materia di cui siamo fatti noi, i pianeti e le stelle (Schizzo n. 13).

12 – Che esiste una “energia oscura” di natura sconosciuta che sta accelerando l’espansione dell’Universo. Per spiegare le osservazioni, deve essere 19 volte più grande dell’energia contenuta nella massa barionica dell’intero Universo. In parole povere, la materia ordinaria è solo il 4% dell’Universo (Schizzo n. 14)

E a questo punto la realtà e le teorie più fantasiose si intrecciano. La conoscenza della natura profonda del Cosmo resta affascinate e dal mio punto di vista, quasi filosofica. Ma ricordiamoci sempre che cerchiamo di descrivere con metodi umani (formule, simbolismi matematici, idee) qualcosa che umano non è. 

Immagine: La galassia UGC 2885  Crediti: NASA, ESA e B. Holwerda (Univ. Louisville, USA)

Se lo spazio e il tempo nascono dopo il Big Bang, qual è il futuro dell’Universo? Per molti anni, si era creduto che l’espansione dell’Universo dopo il Big Bang si potesse descrivere anche secondo le leggi di Newton, in un equilibrio tra l’energia di moto dell’espansione (energia cinetica) dell’Universo e la sua energia potenziale gravitazionale. L’espansione poteva essere “pulsante”, con lo spazio che si espandeva rallentando, per poi fermarsi e tornare a collassare, come un sasso lanciato in alto o un missile che ricade giù, oppure “parabolica” con la velocità che rallentava arrivando a zero verso l’infinito, o infine “iperbolica” con la velocità che rallentava di meno, conservando sempre una energia cinetica maggiore di quella gravitazionale. Nella “scheggia” di Cosmologia 12 ho mostrato i tre schemi dell’espansione.

Come distinguere tra loro? Un modo è calcolare la massa totale dell’universo e studiare sempre più velocità di galassie e gruppi di galassie lontane.  Ma come sappiamo dalla “scheggia” di Cosmologia 8, più lontano guardiamo, più indietro nel tempo osserviamo le galassie del nostro Universo. Fino a circa l’anno 2000 non c’erano gli strumenti adatti ad osservare galassie molto lontane e la nostra Cosmologia osservativa era limitata all’ “Universo Locale”. Ma appena fu possibile osservare galassie molto lontane e perciò molto indietro nel tempo ci si accorse che il nostro Universo non rallenta la sua espansione, ma la accelera! Fu una scoperta che fruttò il Premio Nobel nel 2011 a Perlmutter e Schmidt, autori principali delle osservazioni.

Quale forza repulsiva può accelerare lo spazio-tempo dopo il Big Bang? Il solito Albert Einstein, nella sua teoria della Relatività Generale del 1916 non sapeva ancora che l’Universo si espandesse, perché il fatto che le galassie fossero sistemi stellari indipendenti dalla nostra Via Lattea fu dimostrato solo nel 1924, e l’espansione dell’Universo fu proposta da Lemaître nel 1927 e da Hubble nel 1929. Poiché Einstein credeva che l’Universo fosse statico, dedusse che ci doveva essere una forza che agiva in assenza di gravità, nello spazio vuoto, una “energia del vuoto”. Questa doveva essere  positiva come l’energia del movimento (cinetica,  che però in universo statico è uguale a zero) opposta all’energia negativa della gravità (creata dalla massa). La chiamò “costante cosmologica” ma abbandonò subito l’idea quando si scoprì l’espansione dell’Universo, definendola “il più grosso errore della mia vita”. Oggi che si conosce l’esistenza di una accelerazione, si è tornata a parlare della costante cosmica di Einstein, definendola – senza troppa fantasia – “Energia Oscura”. Quindi l’Universo non si fermerà ma andrà sempre più veloce?

Dell’energia oscura non si sa nulla, ma per spiegare le osservazioni attuali occorre che essa sia il 75% dell’Universo. Ricordo che la materia oscura di cui abbiamo parlato sarebbe il 21% e la nostra materia fatta da atomi solo il 4%. L’energia oscura ha a che fare con qualche materializzazione di particelle “esotiche”, come la materia oscura con i “wimp” o in “neutrini pesanti”, di cui si sta ancora cercando l’esistenza? Non lo sappiamo ancora ma i fisici delle particelle si stanno dando molto da fare in questi anni.

È a questo punto che, quando qualcuno mi chiede perché mi occupo di Astrobiologia, discutendo di forme di vita extraterrestri che non si sa se esistano, io rispondo: “ma l’avete mai visto un congresso di cosmologi, con equazioni teoriche complesse, con osservazioni che non le confermano, con particelle fantasiose che non sono state ancora scoperte e che rappresentano la maggior parte del Cosmo? I miei batteri extraterrestri sono più concreti.”

Disclaimer- esonero da responsabilità : Ogni riferimento a fatti o cosmologi reali è puramente casuale, e nessun cosmologo è stato maltrattato per la realizzazione di questi post. 😀

Immagini: Modello con lo spazio a 2 dimensioni e il tempo in verticale dell’evoluzione dell’Universo e digramma a torta sulla composizione del Cosmo (disegni di G. Galletta). I premi Nobel 2011 Perlmutter e Schmidt (da destra) premiati nel 2005 per la loro scoperta a “Padova Città delle Stelle”. Io sono l’ultimo a sinistra.

Qui vi racconto come si è arrivati a scoprire che l’Universo è pervaso da una materia oscura che non interagisce con i nostri atomi e che è 4 volte più grande di quella atomica (massa barionica). Ogni tanto qualche “leggenda metropolitana” attribuisce a Tizio o Caia la scoperta della materia oscura grazie a sue mirabolanti osservazioni. Ma il cammino per la scoperta di questa materia è stato molto lungo, e molti astrofisici l’hanno costruita mettendo ognuno un mattoncino anno dopo anno.

Dalla metà del ‘900 alcuni astronomi studiavano la rotazione delle stelle e delle nebulose gassose attorno al centro di massa delle galassie (la curva di rotazione). Per più di 40 anni, la dinamica delle galassie è stato l’argomento principale della ricerca di tanti astronomi, me compreso. Iniziato dalla coppia Goffrey e Margareth Burbidge, due grandi nomi dell’astrofisica, e da Kevin Prendergast, lo studio della curva di rotazione delle galassie permetteva di calcolare la loro massa. Anch’io ho iniziato così nel 1974, studiando la curva di rotazione delle galassie attraverso le righe degli elementi chimici del gas, visibili fino a una certa distanza dal centro della galassia sulle piccole lastre fotografiche che usavamo allora. Ma altri astronomi studiavano le galassie satelliti, in coppie o nei gruppi, misurandone le velocità di rotazione dell’intera galassia rispetto al centro di gravità del gruppo. Anche in questo caso si poteva calcolare la massa totale. Per capire che stelle cerano dentro, e quante nubi di gas, si confrontava la massa con la luminosità della galassia e questo “rapporto massa/luminosità” appariva inizialmente di poche unità nelle galassie con la Via Lattea o quella di Andromeda. Ma confrontando la massa e la luminosità delle galassie singole, poi in coppie, in gruppi sempre più numerosi appariva una cosa strana: il rapporto massa/luminosità era tanto più grande quanto più grande era il gruppo studiato. Questo voleva dire che c’era tra le galassie della materia non visibile.

Come è stato detto in un altro post di “Schegge di Cosmologia” l’astronomo Karachentev in uno studio di galassie in gruppi pubblicato nel 1965 aveva fatto l’ipotesi che questo eccesso di massa rispetto alla luminosità fosse causato da “materia oscura” o “materia invisibile”, ma aveva scartato questa ipotesi perché la quantità di materia oscura “… sarebbe così grande da eccedere la massa delle stelle”.  Una spiegazione alternativa era che le velocità fossero così grandi perché i gruppi di galassie erano instabili e in espansione. Karachentsev scriveva sulla rivista in lingua russa Astrofizika che veniva tradotta in inglese dopo un anno e che veniva regolarmente ignorata dalla letteratura scientifica anglosassone. Perciò le sue ipotesi restarono per lo più ignote. Nel 1964 i radioastronomi Burke, Turner, and Tuve avevano pubblicato la curva di rotazione della grande galassia di Andromeda, M31, dalla radiazione dell’idrogeno neutro a 21 cm di lunghezza d’onda. Nel campo ottico Vera Rubin e Kent Ford nel 1970 avevano confrontato la loro curva di rotazione del gas ionizzato con quella a 21cm trovando che la rotazione restava abbastanza costante nella parte esterna, e negli stessi mesi lo studio di M31 a 21 cm di Gottesman e Davies mostrava una simile curva “piatta”.  

Purtroppo nessuno di loro si era reso conto che, se la massa aumenta e la luminosità diminuisce in una galassia, vuol dire che esiste una materia oscura; che estendendo l’osservazione ai gruppi di galassie come aveva fatto Karachentsev questa materia oscura aumentava, essendo diffusa in tutto l’Universo, all’interno e all’esterno delle galassie. Se ne accorge il gruppo formato da Rood, Rothman e Turnrose, che sempre nel 1970 usano il termine “massa mancante” (missing mass). L’idea che ci fosse una materia di natura ignota non fatta da normali atomi e che non emette radiazione elettromagnetica ma ha solo forza di gravità sembrava così “eretica” che nessuno l’aveva ipotizzata. Per diversi anni, pur di non affrontare l’ipotesi di qualcosa che non si conosce, si dibatteva se la “massa mancante” (missing mass) e gli “aloni oscuri” intorno alle galassie fossero stelle morte, pianeti, gas così freddo da non essere visibile neppure nelle onde radio, o altro.

Bisogna arrivare agli anni 80 perché si inizi a parlare di materia oscura come fatta da particelle esotiche (neutrini pesanti, particelle WIMP o altro) e uscire dall’idea che possa far parte della materia studiata fino a quegli anni. A quel punto entra in scena la Cosmologia e si cerca di comprendere quali altri effetti abbia prodotto il Big Bang. L’idea di materia oscura cosmica era diventata popolare tra gli astronomi, come scrive Peebles nel 1984. L’osservazione di lenti gravitazionali fatte dagli ammassi di galassie lontane ha permesso di calcolare la massa di questi sistemi ottenendo valori di materia oscura molto alti. E a questo punto sono entrati in scena i fisici delle particelle, e sono state fatte moltissime ipotesi sulla materia oscura, arrivando ad affermare che essa costituisce una massa 4 volte più grande di quella fatta dai barioni (protoni, neutroni, elettroni, ecc.). E quindi la storia non finisce qui.

Figura: Una lente gravitazionale. Un ammasso di galassie con la sua enorme massa distorce lo spazio-tempo, amplifica e deforma l’immagine di galassie più lontane. L’intensità e la forma di queste lenti gravitazionali sono una prova ulteriore della presenza di materia oscura.

Quando lanciamo un sasso verso l’alto, dopo una parabola più o meno alta, esso ricade a terra, attratto dalla forza di gravità del nostro pianeta. Quanta più energia mettiamo nel lancio, tanto più in alto esso arriva. Ci si può aspettare che con sufficiente energia, esso vada nello spazio e non ricada più. Questo è quello che succede infatti ai missili che lanciano satelliti artificiali o navette per l’esplorazione degli altri pianeti. I missili devono raggiungere la “velocità di fuga” che, come dice il suo nome, è quella velocità che permette di sfuggire alla forza di gravità di un corpo celeste. Bilanciando l’energia cinetica (di moto) di un oggetto con l’energia potenziale gravitazionale del corpo celeste da cui sfuggire si trova questa velocità.  Sulla Terra, la velocità di fuga è di 11,2 km/s (=40320 km/h). Se la velocità di lancio è inferiore, il missile ricadrà al suolo; se uguale o superiore si allontanerà dalla Terra. Notate che la velocità di fuga  è uguale per un missile di molte tonnellate come per un granello di sabbia; entrambi ricadono se non la raggiungono. Naturalmente, poiché l’energia di un corpo dipende dalla sua massa, ci vorrà molta più energia per sparare nello spazio un missile rispetto a un granello di sabbia. Ma non è finita; una volta nello spazio al di là della Terra, la maggior forza di gravità che si percepisce è quella del Sole, e per abbandonare il Sistema Solare partendo dalla distanza della Terra dal Sole bisogna superare i 42,1 km/s (=151560 km/h).

Ma qual è la velocità di fuga delle galassie entro il nostro orizzonte cosmico? Come il sasso o il missile, l’energia del Big Bang lancia la materia lontano, facendo espandere lo spazio-tempo. Se facciamo un disegno dell’espansione dell’Universo con lo spazio a 2 dimensioni e col tempo nell’altra dimensione, il Cosmo appare come il calice di un fiore che si allarga. Naturalmente il nostro universo è a 3 dimensioni ma l’autore del disegno (io) non sa ancora fare immagini a 4 dimensioni, né voi riuscireste a vederle. Come per il sasso, se l’energia dell’esplosione è minore dell’energia potenziale gravitazionale di tutte le galassie, dopo un allontanamento la velocità osservata delle galassie deve diminuire e tutto “ricade giù” in un Big Crunch, un grande impasto di materia ed energia, come nel disegno più a sinistra. Se le due energie si bilanciano, l’espansione è infinita e la sagoma del “calice” è una parabola (secondo disegno da sinistra) mentre se l’energia è maggiore la sagoma è un’iperbole (terzo disegno da sinistra). In tutti e tre i casi, la velocità deve diminuire ma in maniera diversa. Così gli astrofisici misurano le velocità delle galassie per calcolare la velocità media di tutta l’espansione. Poi passano questo dato agli astrofisici che si occupano di cosmologia perché ci facciano i loro modelli e le loro deduzioni. Personalmente, nella vita non mi sono mai piaciute le cose infinite (gusto mio, però!) e ho sempre sperato che si scoprisse così tanta massa da far finire l’Universo tra miliardi e miliardi di anni, e che il sasso simbolico dell’Universo lanciato dal Big Bang ricadesse giù in una fine luminosa. In effetti negli anni ’60 si sospettava già la presenza di materia non visibile, chiamata allora “eccesso del rapporto massa/luminosità”. Per la prima volta nel 1965 l’astronomo Karachentev, in uno studio di galassie in gruppi aveva fatto l’ipotesi che questo eccesso fosse causato da “materia oscura” o “materia invisibile”, ma aveva scartato questa ipotesi perché la quantità di materia oscura “sarebbe così grande da eccedere la massa delle stelle”. Si è scoperto poi che è proprio così., ma ne parleremo più avanti. Purtroppo, anche aggiungendo la materia oscura, i calcoli mostrano che l’Universo è destinato ad espandersi per sempre… e il sasso non ricade più!

C’è un’epoca in cui nel Cosmo non c’era nessuna luce, né stelle o nebulose calde e fluorescenti. Questa fase viene chiamata Età Oscura (Dark Age). Come mai dopo la grande energia del Big Bang, il grande scoppio di energia, l’Universo è diventato buio? Perché dopo il Big Bang, attraverso una serie di fasi, la materia appena nata sotto forma di particelle subatomiche (protoni, elettroni e diverse altre) ha iniziato a ricombinarsi: gli elettroni venivano catturati dai protoni creando un atomo di idrogeno. In questo modo si comprende perché l’idrogeno sia l’atomo più diffuso nell’Universo. La temperatura altissima, miliardi di miliardi di gradi e più, creava una rapida espansione della materia che, come tutti i gas, espandendosi si raffreddava. C’è stato un periodo in cui l’Universo era caldo come un nucleo stellare, miliardi e poi decine di milioni di gradi, e come nelle core delle stelle l’idrogeno si fondeva creando una piccola percentuale di elio e litio. Ma l’espansione è continuata ancora e nel giro di circa 380 mila anni l’Universo fatto da questo gas di atomi e da radiazioni diventava sempre più freddo, fino a non emettere più luce ma solo microonde e onde radio. Nasce l’Età Oscura e lo spazio è fatto da nubi di gas che si condensano, proprio come succede oggi alla nascita delle stelle da nubi di idrogeno e altre molecole. Ma dopo 500 milioni di anni circa le nubi formano le prime stelle, e il Cosmo si accende di luci stellari, una dopo l’altra. E luce fu!  

Immagine: Il raggio dell’Universo, in espansione rispetto al tempo comico, dal Big Bang all’epoca cosmica attuale (14 miliardi di anni) con l’Era Oscura tra il Big Bang e la nascita degli ammassi di galassie.

Anche se l’Universo può essere senza limiti, esistono dei limiti teorici e fisici alla sua presenza nel nostro mondo. Vengono chiamati “orizzonti”, perché al di là di quella distanza non ci arriva nessuna radiazione o informazione trasportata dalle onde elettromagnetiche.

Un primo orizzonte “temporale” deriva dal fatto che, poiché guardando più lontano guardiamo indietro nel tempo, se l’Universo è nato 14 miliardi di anni fa non potremmo vedere galassie più distanti di 14 miliardi di anni luce, semplicemente perché l’universo non c’era “prima”. Sappiamo che di fatto non esisteva né il tempo, né lo spazio perché non c’era la materia prima del Big Bang. Questo è un orizzonte che non dipende dal fatto che l’Universo si espande. Col passare del tempo però questo orizzonte si allarga e nuove galassie entrano nella nostra visuale, venendo a far parte del nostro cosmo.

Un secondo orizzonte, detto Orizzonte di Hubble, deriva dal fatto che l’Universo si espande con una velocità proporzionale alla distanza. Perciò da galassie sempre più lontane riceviamo una luce a lunghezze d’onda sempre maggiori, dall’ottico alle onde radio e oltre, e sempre più fioca. In teoria – e vedremo dopo perché non è così –  i fotoni luminosi (o i pacchetti di onde elettromagnetiche) di una galassia che si muove alla velocità della luce non ci arriverebbero mai, creando quello che viene chiamato “orizzonte delle particelle”.   

Ci sono altri orizzonti definiti in cosmologia, ma essenzialmente ci basta ragionare su questi due. Ebbene questi due orizzonti in realtà sono più lontani rispetto a questo semplice calcolo, perché la velocità della luce nel vuoto è costante e non si somma o si sottrae alla velocità della sorgente rispetto a chi la osserva, ma solo nello spazio-tempo locale. Poiché lo spazio-tempo si espande, la luce percorre a velocità costante uno spazio “elastico” che si dilata ma mano che la radiazione si diffonde. Perciò in pratica noi potremmo ricevere la luce di sorgenti che appaiono muoversi a velocità maggiori a quelle della luce. Quanto più lontano sia l’orizzonte cosmico rispetto a questi semplici ragionamenti dipende dal modello geometrico dell’Universo, un aspetto che qui non affrontiamo. Quello che possiamo comprendere però è che la forza di gravità e le onde elettromagnetiche di galassie più lontane dell’orizzonte cosmico non ci arrivano mai, e perciò queste galassie non esistono per noi nel mondo fisico. Esse esistono per le galassie a loro vicine e noi non esistiamo per loro.

Concetto finale: La realtà è ciò che possiamo captare con le onde elettromagnetiche e gravitazionali, e a causa dell’età del Cosmo e della sua espansione possono esistere galassie, stelle e pianeti che non esistono nella nostra realtà fisica. Esse sono al di là dell’orizzonte cosmico.

In base agli studi più recenti anche le onde gravitazionali, create dalle variazioni della forza di gravità, viaggiano alla velocità della luce come le onde elettromagnetiche. Una variazione di forza di gravità col tempo genera onde gravitazionali, rivelabili solo con grandi strumenti costruiti recentemente. Possiamo rivelare queste onde solo in caso di enormi variazioni di gravità; non è che se passa un elefante la sua variazione di massa nello spazio può essere osservata, e tanto meno un battito di ali di farfalla dall’altro lato del globo! Devono essere catastrofi come un’esplosione stellare di supernova, o di una massa stellare che cade dentro un buco nero, o due masse stellari supercompatte che si fondono insieme.

In tutti questi casi, la forza di gravità del materiale che si sparge o si condensa varia enormemente e lo spazio-tempo oscilla a frequenze di poche decine di Hertz. Per esempio, nel 2015 sono state registrate delle onde gravitazionali dovute a una fusione di due buchi neri di 36 e 29 masse solari in un unico buco nero di 62 masse solari. Un’energia equivalente all’annichilazione di 3 volte la massa del Sole si è propagata nello spazio, fino a raggiungerci dalla distanza di 1,337 miliardi di anni luce (410 Mpc) e creare un debolissimo segnale di quasi 1 micro-wattora. L’evento di fusione tra buchi neri è avvenuto quindi più di 1000 miliardi di anni fa ma è stato registrato solo nel 2015, un altro esempio di come osserviamo il passato dell’Universo. Il calcolo non è preciso ma qui ci serve solo capire le grandezze in gioco, enormi energie per un’onda gravitazionale debolissima captata a grande distanza.

Un altro esempio delle conseguenze del fatto che la velocità della luce non è infinita è il seguente: il Sole ruota intorno al centro della Via Lattea alla velocità di 220 km/s, sotto l’effetto della forza di gravità di tutta la materia che c’è tra noi e il centro galattico (stelle, nubi di gas, ecc.). La Terra, orbitando intorno al Sole, subisce la forza di gravità di un punto (il centro di gravità del Sole) che rispetto al centro della Via Lattea si sposta di 7 miliardi di km ogni anno. La variazione della forza di gravità del Sole che si sposta rispetto alla Via Lattea si muove anch’essa alla velocità della luce e negli 8 minuti impiegati dalla forza di gravità per raggiungere la Terra il centro del Sole si è spostato di 110 mila km, circa il 15% del suo raggio. Il Sole si sarà spostato invece di 1 milione di km, circa una volta e mezza il suo raggio, negli 80 minuti necessari per raggiungere Saturno. In questo esempio Saturno si muove attratto dalla forza di gravità di un punto nello spazio dove non c’è più materia!

Non solo i pianeti vedono la luce del passato del Sole, ma “sentono” anche il passato della sua forza di gravità. Strano essere attratti da un punto vuoto!

In verità ogni punto dello spazio ha una realtà fisica che dipende dai segnali elettromagnetici e gravitazionali del resto del Cosmo. Anche se dal Centro della Galassia il Sole si è spostato, dalla Terra o da Saturno il Sole è fisicamente lì dove appare. Ognuno esiste in un “suo” universo locale.

Proiettiamoci infine sempre più lontano, tra galassie distantissime che sono sempre più indietro nel tempo: la loro forza di gravità, sommata insieme, determina il movimento delle singole galassie nei gruppi di galassie e nei raggruppamenti più grandi come gli ammassi, con migliaia di membri, o gli immensi superammassi con milioni di galassie. Ogni galassia sente la forza di gravità “del suo passato” provenire da posizioni dove le altre galassie non ci sono più.  

Concetto finale: La variazione della forza di gravità si propaga alla velocità della luce e quella che misuriamo oggi per oggetti lontani proviene dal nostro passato. Siamo attratti dal passato!

La nostra interazione con il mondo passa attraverso onde elettromagnetiche, onde meccaniche e variazioni della forza di gravità, percepite dai nostri sensori biologici che sono la vista, l’udito e il tatto, i canali semicircolari per l’alto, il basso e l’accelerazione. Nello spazio, a densità di materia bassissima, le onde meccaniche come il suono non si propagano. Getti di materia come le eruzioni solari o le esplosioni di supernova possono muoversi a velocità massime di migliaia di km/s. Invece le onde elettromagnetiche (onde radio, microonde, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X e raggi gamma) create dalle variazioni di un campo elettro-magnetico viaggiano nello spazio a una velocità altissima: 299792458 m/s, circa 300 mila km/s. Come vedremo in un’altra pagina, in base agli studi più recenti anche le onde gravitazionali, create dalle variazioni della forza gravitazionale, viaggiano alla velocità della luce. Riflettiamo innanzitutto come questa velocità, sebbene altissima, non sia infinita, e sulle conseguenze di questo fatto.

Se la velocità con cui viaggia una lettera fosse infinita, l’avremmo già sul tavolo nel momento stesso in cui il mittente ce l’ha spedita. Ma sappiamo che non è così. Se ho davanti a me una persona a 10 metri di distanza che accende una luce, io non vedrò la luce accendersi all’istante, ma dopo 33 miliardesimi di secondo. Un tempo irrilevante, vero? Questo ci spiega perché nella vita di tutti i giorni non ci importi della velocità della luce.
Ma pensiamo agli specchi lasciati apposta sulla Luna, a circa 384 mila km da noi, dagli astronauti del programma Apollo negli anni ’70. Se lanciamo verso di loro un singolo impulso laser con un telescopio, vedremo il bagliore riflesso dopo circa 2,56 secondi e potremo dire che il nostro satellite naturale si trova a 1,28 secondi-luce (2,56 diviso 2) intendendo così la distanza percorsa dalla luce in 1,28 secondi di tempo. Quindi possiamo parlare di spazio-tempo e assegnare agli oggetti una distanza di tempo-luce: una stella a 3 anni luce sarà a una distanza che la luce percorre in 3 anni, e una galassia a 1 milione di anni luce sarà a una distanza che la luce percorre in un milione di anni.

È importantissimo capire che lo spazio e il tempo sono legati indissolubilmente tra loro, poiché la nostra conoscenza del mondo si basa su radiazioni che si trasmettono alla velocità della luce. Lo spazio non può essere disgiunto dal tempo e immaginato come una cosa a sé stante, perché possiamo dire che ogni contatto che abbiamo con esso dipende dal tempo attraverso la velocità della luce.

Inoltre se vedo un oggetto distante, non lo vedo com’è ora, ma come era quando è partita la luce che mi raggiunge adesso. Quando vediamo tramontare il Sole, a 8 minuti luce, in realtà era già tramontato da 8 minuti. Se avviene un’eruzione sulla sua fotosfera, la vedrò 8 minuti dopo. E la stella più brillante del cielo, Sirio a 8,6 anni luce, la vedo come era 8,6 anni fa. La stella potrebbe avere già espulso i suoi strati superficiali creando una “nebulosa planetaria” e il suo nucleo essere già diventato una stella “nana bianca” ma noi continuiamo a vedere la sua luce emessa quando era ancora una gigante bianco-azzurra. E che dire della grande galassia di Andromeda, a 2,5 milioni di anni luce di distanza? Le foto che facciamo oggi ce la mostrano com’era 2,5 milioni di anni fa. Molte delle sue stelle possono non esistere più ed essersi evolute, ma noi le vediamo ancora com’erano quando la loro luce è partita. Quindi lo studio dell’Astronomia è come l’Archeologia o la Paleontologia, uno studio del passato del nostro Universo.

Concetto finale: lo spazio e il tempo sono legati tra loro e la nostra visione del mondo è una visione del passato, anche di millesimi di secondo. Qui e ora sono solo nel mio cervello. Più mi allontano, più vedo indietro nel tempo. E il futuro? non è raggiungibile con l’esplorazione.

Ci si interroga sempre sulla fine dell’esistenza, e su cosa ci sia “dopo”, mentre non ci si chiede spesso cosa c’era “prima”.

In questo caso parliamo del “prima” della nascita dell’Universo. Se vedo le luci dei fuochi d’artificio che si espandono, misurando la loro velocità posso calcolare quanto tempo prima essi erano raggruppati insieme, cioè quando c’è stato lo scoppio. Allo stesso modo, se utilizzo la velocità di allontanamento delle galassie posso calcolare quanto tempo fa tutte erano l’una attaccata all’altra, quindi quanto tempo fa è iniziata l’espansione col Big Bang, quindi quanto è vecchio l’Universo. Vi dico subito che non è facile. Le galassie non sono distribuite nello spazio come i nodi di un reticolo, tutte a uguale distanza. Essendo dominate dalla forza di gravità, hanno il dannato vizio di raggrupparsi in gruppi, ammassi di galassie e superammassi di ammassi di galassie, per rendere la vita più difficile a chi vuole studiare la cosmologia. Infatti le misure si fanno sulla luce delle stelle delle singole galassie, e ognuna di esse orbita intorno al centro del suo gruppo o del suo ammasso.  Bisogna fare la media delle velocità per dedurre la velocità di espansione di quel gruppo, se si vuole studiare l’espansione dell’Universo.  Le stime attuali ci dicono che il Big bang è avvenuto 14 miliardi di anni fa (o forse 12 o 15, come capite metodi diversi portano una grande indecisione). In ogni caso un tempo molto grande, se si pensa che la nascita del Sole risale a 4,6 miliardi di anni fa, che le rocce terrestri hanno 4,3 miliardi di anni e che le prime tracce di vita appaiono 3,95 miliardi di anni fa. A questo punto ci si potrebbe chiedere: e prima del Big Bang cosa c’era?

Ma questa domanda è sbagliata, e la facciamo perché ci hanno insegnato a scuola che esiste uno spazio a 3 coordinate (x,y,z) e un tempo che scorre (t). Un oggetto si può trovare in un qualsiasi punto dello spazio e in un qualsiasi istante di tempo. Posso immaginare pure una stanza (uno spazio) completamente vuota di materia, niente oggetti, niente aria, nulla di nulla. Nella mia immaginazione all’interno della stanza il tempo scorre lo stesso e ci sono tre dimensioni. Ma ecco la sorpresa: lo spazio e il tempo non sono entità a sé stanti, ma una proprietà della materia. NON ESISTONO se non c’è materia. Si capisce che io non posso dire quanto largo o lungo è il vuoto, o quanto tempo passa se non ho un fenomeno fisico legato alla materia o alla radiazione. Un insieme di gas che si espande, prima più piccolo e poi sempre più grande, mi indica che passa il tempo. Una radiazione emessa dalla stella che si diffonde nello spazio mi indica che il tempo passa. Ma il vuoto no. Quindi: La materia genera attorno a sé lo spazio e il tempo, e lo deforma rispetto allo spazio e il tempo a grandi distanze, dove la curvatura è minore, come nelle immagini.

Lo spazio e il tempo sono proprietà della materia, come il “biondo” o il “nero” sono una proprietà dei capelli, o il sud e nord sono una proprietà delle latitudini terrestri. Come posso dire che un calvo è biondo o bruno? E cosa c’è più a sud del polo sud? La domanda perde di significato e ci fa comprendere il limite del ragionamento comune. Come vedremo, nel Big Bang c’è una grande concentrazione di energia, ma non c’è materia, né spazio né tempo. Lo spazio e il tempo, ma anche la forza gravitazionale, elettromagnetica e altre forze nascono con la nascita della materia.

Concetto finale: Lo spazio e il tempo nascono dopo il Big Bang. Non ha senso chiedersi cosa c’era “prima”.

Nell’antichità si credeva che la Terra fosse al centro dell’Universo perché si vede il Sole, la Luna, i pianeti e le stelle fare un giro più o meno lungo sorgendo e tramontando sul nostro orizzonte. Poi si è capito che il Sole è al centro del Sistema Solare e che le altre stelle orbitano intorno al centro della Via Lattea. Ma se tutti i gruppi di galassie si allontanano da noi, siamo allora di nuovo al centro dell’Universo? Riprendendo l’esempio immaginario della stanza col pavimento in espansione, in una classe ogni studente e la maestra vedranno gli altri nella stanza allontanarsi in tutte le direzioni, lunghezza e larghezza. Ognuno di essi potrebbe credere di essere al centro dell’espansione.

Ma questo è proprio l’effetto dell’espansione dello spazio in cui gli oggetti sono fissi nel loro volume di spazio e nessuno tra quelli che osservano il fenomeno è al centro. Tornando all’esempio del palloncino (o della sfera) dove i singoli punti disegnati sulla superficie si allontanano tra loro mentre si gonfia, sulla sua superficie a 2 dimensioni non esiste un centro, come non esiste un limite. Centro e limite, in questo esempio si trovano nella quarta dimensione. Ma l’esempio è solo approssimato. Io posso immaginare una superficie infinita che si espande senza un centro preciso. Posso anche immaginare come per una sfera una superficie finita (non infinita) che si espande pur non avendo confini, e così il nostro Universo non ha un centro ma ogni punto nello spazio può essere visto come un centro apparente di espansione.

Concetto finale: Né la Terra né il Sole o la Via Lattea sono al centro dell’Universo. Non esiste un centro dell’Universo. Pensando che fossimo al centro del Cosmo gli antichi saggi avevano torto.