Il senso delle distanze nel cosmo, ovvero: quant’è grande l’universo?

La misurazione delle distanze a scala cosmica può portare a semplici ragionamenti intuitivi da cui però si ottiene un risultato sbagliato, perché non si considerano alcuni fenomeni fondamentali nell'evoluzione dell'universo: che secondo i più recenti calcoli ha 13,8 miliardi di anni e un raggio di 45,7 miliardi di anni luce
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[Le Scienze] Domanda: se osserviamo una galassia lontana nata appena 700 milioni di anni dopo il big bang, a che distanza si trova ora la galassia in questione rispetto alla Terra, usando come unità di misura l’anno luce, ovvero la distanza percorsa in un anno dalla radiazione elettromagnetica nel vuoto?

Risposta: beh, sappiamo che l’universo è vecchio di 13,8 miliardi di anni, sappiamo che la galassia è nata appena 700 milioni di anni dopo la nascita dell’universo, quindi basta fare una sottrazione, cioè 13,8 meno 0,7, cioè 13,1. La nostra galassia è lontana 13,1 miliardi di anni luce.

Risposta sbagliata. La nostra galassia ora è molto, ma molto più lontana. Quanto? Circa 30 miliardi di anni luce. Come è possibile? Come può la galassia trovarsi a una distanza maggiore da quella percorsa dalla sua luce nell’arco di tempo impiegato per arrivare fino a noi?

Facciamo un passo indietro. Anzi laterale. Immaginiamo di essere in una stanza, poggiati a una parete. Sulla parete di fronte c’è una lampada. Possiamo misurare la distanza tra noi e la lampada con un metro, e quindi esprimerla in centimetri o multipli, per esempio. Basta srotolare il nostro metro tra i due punti (lampada e parete opposta) e il gioco è fatto.

Oppure possiamo misurarla basandoci sul tempo che impiega un fotone emesso dalla lampada ad arrivare fino a noi. In questo secondo caso, che per inciso è alla base dei distanziometri laser che si trovano comunemente in commercio, facciamo un ragionamento uguale a quello appena usato per la galassia: misuriamo una distanza in base alla radiazione elettromagnetica.

Ma allora perché nel caso della galassia il risultato del ragionamento, assai intuitivo, è sbagliato?

Nel caso della stanza misuriamo lo spazio tra noi e la lampada qui ed ora, o meglio: il tempo che impiega il fascio laser a coprire la distanza è irrisorio, vista la velocità della luce nell’aria, poco più piccola di quella nel vuoto che è quasi 300.000 chilometri al secondo.

Ma quando consideriamo scale temporali come quella dell’età del cosmo la faccenda cambia radicalmente, a causa di una caratteristica del cosmo stesso che diventa fondamentale nel calcolo delle distanze degli oggetti lontani dalla Terra, insieme ad altri parametri grazie a cui abbiamo un’idea di come è nato e come si evolve l’universo.

Alla fine degli anni venti, l’astronomo statunitense Edwin Hubble scoprì che l’universo si espande, osservando che le altre galassie si stanno allontanando dalla nostra. Questa espansione avviene a un tasso di 67,3 chilometri al secondo per megaparsec, la cosiddetta costante di Hubble, in base ai risultati più recenti ottenuti dal satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea.

Come hanno scritto in un articolo su Le Scienze  Adam G. Riess e Michael S. Turner, pionieri delle ricerche sulla storia dell’espansione dell’universo: “Hubble notò, inoltre, che le galassie più distanti si allontanano più velocemente di quelle vicine, in accordo con quella che ora è nota come legge di Hubble (la velocità relativa è uguale alla distanza moltiplicata per la costante di Hubble).

Considerata nel contesto della teoria della relatività generale di Einstein, la legge di Hubble è un’espressione dell’espansione uniforme dello spazio, che è poi un semplice ingrandirsi delle dimensioni dell’universo.”

Ricapitolando, l’espansione del cosmo è un espansione dello spazio. Tutto questo ha un’implicazione enorme per i fotoni che emette la nostra galassia lontana. Mentre viaggiano verso di noi, lo spazio si espande, stirando la distanza che devono coprire per arrivare fino ai rivelatori che ci permettono di rilevarli qui sulla Terra o con gli strumenti in orbita.

Per quanto possa sembrare un rompicapo difficile, o al limite privo di soluzione, in realtà è possibile operare il calcolo di questo stiramento, e quindi anche della distanza effettiva qui e ora della galassia lontana. In questo calcolo vanno considerati anche altri importanti parametri cosmologici e i passaggi non sono affatto facili.

Chi volesse approfondire la questione può leggere questo studio pubblicato su The Astrophysical Journal, in cui è possibile seguire nel dettaglio il calcolo del raggio attuale dell’universo osservabile.

Il risultato è di 45,7 miliardi di anni luce. Ecco quindi che la nostra galassia lontana 30 miliardi di anni luce non contraddice alcuna legge della fisica. Solo l’intuizione.