Quanto è grande l’universo?

L’universo. E già! Si fa presto a dire universo. Ma cosa si intende per universo.
La casa di tutte le galassie? Degli ammassi stellari, dei super ammassi? La casa di tutta la materia visibile e invisibile?
Cosa si intende per visibile? Eppoi come si misura l’universo?
L’universo è finito o infinito? Quali sono i suoi confini?

Uhm, brutta gatta da pelare. – mi dice il mio cane.

Giusto. Ma non ci scoraggiamo.
Allora cominciamo da quello che conosciamo.

Sappiamo che l’universo è nato da una singolarità. Da un punto con pressione e temperature a dir poco inimmaginabili. Poi uno scoppio. E dopo un brevissimo tempo, nell’arco di miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di secondo fece passare l’universo dalle dimensioni di un atomo a quelle di un’arancia. L’universo ha avuto così una super accelerata, una espansione che si è lasciata la luce alle spalle. I fisici la chiamano “inflazione”.
Cosa significa?

Universo01

Poiché l’inflazione avvenne a una velocità superiore a quella della luce, la radiazione luminosa non riuscì a tenere il passo con essa. Si creò quindi uno scarto fra la porzione di universo raggiunta dalla luce e il cosmo nella sua totalità. E con l’espansione successiva, tuttora in corso, lo scarto si è mantenuto. Nessuno strumento è in grado di vedere che cosa c’è al di là della porzione raggiunta dalla luce, ma si stima che oltre quel confine ci siano ancora miliardi di anni luce di universo ‘non osservabile’.
Significa che c’è una parte dell’universo oltre il visibile che continua ad espandersi ad una velocità superiore a quella della luce.
In altre parole c’è una parte dell’universo che non vedremo mai né mai sapremo quando è grande perché noi vediamo soltanto quella parte dell’universo raggiunto dalle luce.

Questo ci porta ad escludere dai nostri calcoli questa parte dell’universo che non conosceremo mai.

Da queste considerazioni emerge, quindi, che noi possiamo guardare soltanto fino a una certa distanza. L’universo, cioè, ha un orizzonte. E l’orizzonte c’è per una ragione molto semplice: la luce, che viaggia con una velocità finita, ha avuto solo un intervallo di tempo finito per propagarsi, ovvero quello trascorso dal big bang a oggi.
Per questo motivo possiamo ritenere che intorno a noi esista una sfera di spazio che ha un limite molto particolare che la circonda.
In altre parole noi possiamo vedere solo quello che si trova dentro questa sfera. L’universo osservabile.

A questo punto basta domandarsi qual’è il raggio di questa sfera e il nostro problemino sulla misura dell’universo osservabile è risolto con le normali regolette di geometria piana e solida del cerchio e della sfera.

Caro amico fedele, come vedi abbiamo fatto un gran passo avanti. Non ci resta che da tirare fuori da qualche parte questo raggio cosmico.
In soccorso ci viene la considerazione che l’universo osservabile consiste di tutta la materia che può essere visibile dalla Terra in questo momento.

Ebbene gli scienziati ci dicono che il big bang ha avuto origine 13,7 miliardi di anni luce fa. Quindi la luce che è partita 13,7 miliardi di anni fa, dovrebbe essere la prima foto dell’Universo.
Allora possiamo concludere che il “bordo” dell’orizzonte, la regione più distante che possiamo osservare, si trova a 13,7 miliardi di anni-luce? È questo il raggio dell’universo osservabile?

Universo02

Calma.
Perché?
Il ragionamento sarebbe stato giusto se l’Universo fosse rimasto fermo, ma lo spazio si è allargato dall’inizio.
Quello che vediamo risale a 13,7 miliardi di anni luce, ma nel frattempo l’universo ha continuato ad espandersi ed anche ad una velocità sempre più in fretta. L’universo si è “dilatato” portando con se tutte le galassie e le loro stelle.
In questo preciso momento qualunque cosa si trovi su questo “bordo” dell’orizzonte che ci manda la sua luce, noi dobbiamo aspettare 13,7 miliardi di anni più altri miliardi di anni dovuti all’espansione dell’universo per vederla arrivare.
Ecco che le cose si complicano nel momento in cui pensavamo di aver trovato il nostro raggio cosmico.

E allora?
Il problema sembrerebbe insuperabile. Ma, da quanto si è dilatato l’Universo, alcuni scienziati hanno calcolato (vi risparmio le considerazioni) che le cose più lontane che vediamo dovrebbero essere state trascinate a una distanza quasi tre volte più grande dei 13,7 mld di anni luce, cioè a 46,5 miliardi di anni luce.

Questa affermazione, per i più attenti di voi, sembrerebbe in contraddizione con l’età dell’universo (circa 14 mld di anni luce) come se ci fossero oggetti più vecchi.
Non è che esistano oggetti più vecchi del Big Bang (questo è impossibile), ma oggetti che a causa della loro distanza e dell’espansione dello spazio non sono ancora riusciti (e molto probabilmente mai ci riusciranno) a far arrivare la loro luce (che viaggia a velocità finita) fino a noi

Problema risolto?
Neanche per idea.
Perché involontariamente abbiamo posto la Terra al centro dell’universo.
Dal momento che abbiamo assunto l’Universo ‘isotropo’ (ossia che sia simile in tutte le sue parti) l’universo osservabile avrebbe la forma di una sfera centrata nella Terra (punto di osservazione) il cui raggio è pari alla distanza del più lontano oggetto la cui luce sia riuscita a raggiungere la Terra.
L’Universo vero e proprio potrebbe, invece, avere una forma qualsiasi che non possiamo conoscere.
A questo dovremmo aggiungere la presenza della forza gravitazionale della materia oscura che deforma lo spazio e la presenza della energia oscura che potrebbe ulteriormente “deformare” l’universo.
Ne consegue che ogni punto dell’Universo ha un suo proprio universo osservabile. A volte questi universi possono avere parti in comune, ma potrebbero anche essere completamente separati.

Quindi a questo punto dobbiamo concludere che le dimensioni dell’Universo, secondo le conoscenze attuali, non sono note, e buonanotte a tutti.
Ma … si pensa che le dimensioni dell’universo siano centinaia o migliaia di volte più grandi delle dimensioni dell’universo osservabile (anzi di ogni universo osservabile, perché essi variano da luogo a luogo)
Fine.

Il mio “allievo” cane è rimasto zitto nel frattempo.
Ma so che avrebbe qualcosa da dire.

Ed io so cosa, me lo ha già detto altre volte.
Dalla Relatività Generale di Einstein risulta che lo spazio s’incurva in presenza di una massa. La curvatura è tanto maggiore quanto più grande è la massa del corpo che provoca l’incurvamento rispetto al suo volume, cioè quanto maggiore è la densità.
In altre parole la “curvatura” dell’universo dipende dalla sua velocità di espansione media e dalla densità media della materia in esso contenuta.

Se la densità media della materia (distribuita omogeneamente in tutto l’universo, secondo il principio cosmologico) è più grande di un certo valore critico, determinato dalla velocità di espansione, lo spazio s’incurva a un punto tale da chiudersi su se stesso. Le traiettorie percorse dai corpi (dalle particelle alle galassie) e persino il cammino dei raggi di luce s’incurvano e si parla in questo caso di universo chiuso, con un’estensione finita (universo finito).
Se la densità è minore del valore critico l’universo è incurvato al contrario, verso l’esterno, e si dice aperto. In questo caso, lo spazio è infinito (universo infinito).
Infine, se la densità coincide (uguale) con il valore critico, si ha il caso limite di un universo piatto (anche in questo caso infinito).

Ecco, ora l’incertezza della dimensione dell’universo è totale.
E voi?


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Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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12 risposte a Quanto è grande l’universo?

  1. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Scriverti che e’ interessantissimo e’ una ripetizione, che faccio volentieri. Io feci un ragionamento, prima pero’ di sapere dell’inflazione, della espansione accelerata eccetera. Sapevo dell’universo in espansione, sapevo- meglio, credevo- che l’universo fosse isotropico, dunque a forma sferica. Non sapevo ancora dell’esistenza di maetria ed energia oscure, ed ecco che il mio ragionamento era semplicemente questo: sel’universo si espande, e gli oggetti via via piu’ distanti sono piu’ veloci con un redshift sempre piu’ grande, e se gli oggetti piu’ lontani sono veloci quasi quanto la luce, forse ci sono oggetti piu’ distanti ancora che viaggiano a velocita’ C…forse l’universo si espande allla velocita’ della luce, ed il suo diametro- o raggio?- e’ di 20 miliardi di anni luce… / Considera che allora la grandezza dell’unvierso stimata era di 18-20 miliardi di anni luce (questo ragionamento mi fece dire ^allora che “superare la velocita’ della luce sarebbe..uscire dall’universo, e forse anche per questo non la si puo’ superare….. “.

    Invece le cose sono piu’ complicate, a quanto gia’ avevo capito e da cio’ che leggo qui.
    Qualche anno fa lessi il libro di Tullio Regge “Infinito”, dove lui chiama il limite dell’universo osservabile “orizzonte delle particelle” (praticamente perche’, come ci hai spiegato, oltre quell’orizzonte, non vediamo le particelle (i fotoni della luce in primis) e percio’ non vediamo il resto dell’universo, molto piu’ grande di quello osservabile, perche’ non ci arriva l’informazione.

    Complimenti a Blef, ottimo allievo 🙂 Ciao Bruce.

    Marghian

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  2. bruce ha detto:

    Ciao marghian e grazie.
    Niente di speciale. Mi diverto.
    Anch’io nel passato avevo scritto su questo argomento ed anch’io ho mutato il mio pensiero nel tempo.
    Credo che sia una cosa naturale specialmente in questo campo dove non esitono dogmi da difendere a tutti i costi (e sai a cosa mi riferisco 😆 ). La scienza fa progressi giorno dopo giorno e va progresivamente avanti. Forse un giorno anche Eintein verrà messo in discussione e superato.

    Questo articolo è frutto delle mie ultime letture su questo argomento dopo aver notato una disparità di opinioni. Allora mi sono fatto una mia idea che poi ho riportato in maniera comprensibile (spero) al il mio “allievo”.
    Sostenere ostinatamente una idea o una posizione non porta da nessuna parte, piuttosto è un ostacolo alla stessa ricerca. Ovviamente ci stanno anche le teorie più estreme, che però sono destinate a cadere da sole se non confortate da solide basi teoriche e poi dalle osservazioni (leggi il bosone di Higgs).
    E’ per questo che non ho tratto alcuna conclusione lasciando aperta ogni ipotesi, perchè allo stato attuale ogni conclusione potrebbe essere smentita. Nel frattempo aspettiamo serie testimonianze della materia oscura (densità dell’universo) e della forza oscura (limite o conferma della costante di Hubble) che allontana l’universo.
    Bruce

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  3. gabriarte ha detto:

    è fantastico come l’hai spiegato e belle le immagini. Penso che tutto abbia un inizio ma abbia anche una fine quindi immagino un universo chiuso per quanto gigantesco. Ciao a presto Buona domenica ciao Bleff!!

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    • bruce ha detto:

      Grazie gabri, come ho sempre detto le tue considerazioni non sono per niente banali.
      Prendendo spunto dalla tua idea ora rispolvero un mio vecchio articolo sulla “fine dell’universo”.
      Buona domenica cara.
      Bruce

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  4. MARGHIAN ha detto:

    “Piano sognante” e’ opera mia, si’, l’ho suonata quasi improvvisando, ho scritto delle note come “traccia” e su di questa ci ho fatto gli arpeggi e gli accordi.
    Quando mi e’ venuta “accettabile” dopo averla suonata due o tre volte, ho aperto il programma che fa anche da registratore e che salva le registrazioni in formati vari (io scelgo sempre Mp3).
    E non ti ho fatto addormentare, bene 😆

    Ti ho risposto, sull’intelligenza.

    ^Capisco, capisco a cosa ti riferisci-sui dogmi da difendere. Anche io “mi diverto”. Come disse un mio zio quando scrisse una lettera in inglese agli uffici della azienda in Australia dove aveva lavorato: “ca no seus litteràus”-che’ non siamo letterati”.

    Piu’ che ogni altra certo, l’astrofisica e’ una materia in continua evoluzione, e come a Newton si e’ aggiunto Einstein, anche a lui si “aggiungera’” qualche altro, che piu’ che superarlo, lo “completera’” come Einstein ha “completato” Newton.
    Il tuo allievo ti capisce eccome, e le sue domante e considerazioni aiutano anche noi.
    Lui vale per “tre…ccani” 🙂

    Una idea la si deve sostenere, ma con la disponibilita’ a rivederla quando viene smentita o completata da idee nuove. Infatti il Signor Higgs aspettava buono buono che la sua teoria fosse confermata con il metdo scentifico. Sull’universo si adatta proprio bene la parola che appare al termine degli episodi: “continua”. Ciao Bruce. Buona domenica….

    Marghian

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  5. Davide ha detto:

    Ma cosa regge l’universo? Chiudendo gli occhi ed immaginare di andare avanti e ancora avanti … la nostra mente si ferma perché limitata, ma quanto è illimitato l’universo?

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    • bruce ha detto:

      Bella domanda Davide.
      L’universo si auto sostiene perchè attorno non c’è nulla, non c’è materia non c’è spazio.
      Le dimensioni? Ad oggi le sue dimensioni sono di 13,8 miliardi di anni, più 380.000 anni del periodo della inflazione.

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  6. daniele ha detto:

    io credo che l’universo sia infinito e che ci siano infinite galassie un po come i numeri .. la verità è che sappiamo pochissimo riusciamo appena ad ossrvare e capire i meccanismi piu logici ma in realtà non sappiamo nulla. tutte teorie piu’ o meno strampalate…. Einstain è l’ultimo vero scienziato ad aver captato una mezza verità. siamo troppo presuntuosi

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    • bruce ha detto:

      Molte teorie sono strampalate? Forse. Molte nascono proprio dalle teorie di Einstain, altre da considerazioni di origine fisica teorica. Non ci dicono la verità ma aiutano la scienza a fare piccoli passi verso la conoscenza.

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  7. Francesca Cavallo ha detto:

    chiedo scusa per la banalità dei miei interrogativi ( sono disperatamente ignorante nonostante le mie letture) ma ho una curiosità: posto che per fluttuazioni quantistiche ad un certo momento si sia sviluppato il Big bang e sia iniziato un universo immenso o un multiverso, e che intorno non ci sia nulla, anche se a noi non sarà mai dato di vedere il limite di questa forma misteriosa dell’uni-multi-verso, questo vuol dire che il “nulla” non è proprio un nulla? i concetti di “nulla, infinito, limite” sarebbero dunque concetti prettamente umani? la matematica dice qualche cosa su questo? non è che esiste un punto di contatto tra filosofia e fisica quantistica? e tra queste due discipline e il mondo psichico? capisco di essere stata un pò confusa nelle mie perplessità ma è da tanto che cerco di capire ! la ringrazio!

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    • bruce ha detto:

      Argomento molto delicato mi poni.
      Intanto ti ringrazio per la gradita presenza.

      Non so da dove cominciare, ma ti avverto subito che sono di parte.
      Per spiegarti il motivo ti racconto un aneddoto. Si racconta che Einstein ad un filosofo che voleva argomentare di fisica, e in particolare sulle sue teorie sulla relatività, disse di imparare la fisica prima di avventurarsi in argomenti che non si conoscono. Quindi una netta separazione tra scienza e filosofia.
      Un fisico, o uno scienziato in generale, può avventurarsi in argomenti “filosofici”, per esempio disquisire sull’inizio dell’universo perché conosce i presupporti che portano al ragionamento, cosa non valida per i filosofi che argomentano su basi non scientifiche, spesso religiose o mistiche o politiche o etiche.

      In fisica, e in questo caso in astrofisica, il “nulla” non ha alcun significato tecnico. Praticamente non esiste.
      L’esistenza di un qualcosa è legato a due altri concetti: la materia e lo spazio-tempo (legati indissolubilmente secondo la relatività generale).
      Il “vuoto” è l’assenza di materia. Una regione dello spazio viene chiamata un “vuoto” se non contiene alcuna materia.
      In realtà questa definizione non è completa, perché uno spazio vuoto può contenere compi di forza, per esempio le forze gravitazionali o elettromagnetiche, comunemente detti campi (regioni soggette a forze). Forse il vuoto quantico è proprio quella regione dello spazio dove è un ribollire di energia? Gli scienziati ci si stanno arrovellando il cervello. E’ la nuova frontiera di ricerca.
      Quindi è praticamente impossibile avere uno spazio vuoto, tranne che allo zero assoluto. Allora il ‘nulla’ è forse questa regione senza materia, senza spazio, senza tempo, senza forze a -273 C°? Non so.

      Da questo puoi capire che mentre i filosofi posso argomentate sul ‘nulla’ o sul ‘vuoto’ come meglio credono secondo la propria cultura, per la scienza c’è “qualcosa” solo nel momento in cui si crea materia e uno spazio-tempo (cosa che non esisteva prima del big bang). Quindi prima del big bang non poteva esserci né il nulla né il vuoto.

      Con l’avanzare della scienza e delle sue conoscenze che avanzano rapidamente la distanza tra scienza e filosofia è diventata sempre maggiore. Attualmente un filosofo non è più in grado di avventurarsi in argomenti di proprietà esclusiva della scienza.

      Per ultimo l’infinito.
      Qui hai pienamente ragione. L’infinito è una astrazione.
      Il concetto filosofico dell’infinito nasce da una idea di qualcosa che non ha limiti. Nel pensiero greco trova la sua coincidenza con Dio stesso quale essere infinito.
      In matematica l’infinito è legato al termine di “limite” positivo o negativo, ovvero una quantità che tende ad un valore senza mai raggiungerlo.
      In fisica è un numero elevato ad una potenza di dieci con un tanti zeri quanti ne vogliamo. In realtà si conosce la dimensione dell’universo visibile. Più complicato la misura dell’universo invisibile.

      Un caro saluto.

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  8. Francesca ha detto:

    ti sono davvero grata per la risposta, non perché mi abbia dissolto i dubbi, ma perché me li ha alimentati. Quando feci filosofia (un capriccio che non ho potuto concludere perché il mio doppio lavoro non me lo permetteva-medico e psicoterapeuta-) studiai filosofia della scienza, una materia presente nel corso di studi. All’epoca ci capii poco niente, ma è incredibile come da allora mi si sia aperta una nuova breccia. E siccome credo che anche noi, la nostra mente e la nostra psiche sia il risultato su larga scala di “fluttuazioni quantistiche” o “campi di forza”, e la scienza stessa sia frutto dell’osservazione di un mondo oggettivo fatta dall’uomo, ecco..mi domando se sia davvero possibile separare i due campi, poiché l’osservatore è sempre lo stesso, l’uomo, sia che osservi un oggetto, fosse anche il suo cervello, sia che osservi il suo interno, fantasie, sogni ecc. Del resto lo stesso Einstein se non erro disse che senza la fantasia non avrebbe combinato nulla (più o meno). Certo sono di parte anche io, un pò, ma credo che un confronto aperto tra due persone di parte non possa che essere costruttivo ed affascinante!. Grazie infinite!

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