Quanto è grande l'universo, quali potrebbero essere le sue dimensioni?
L'Universo visibile dalla Terra denominato come l'universo osservabile è una sfera con un raggio di circa 46 miliardi di anni luce. Per fare un esempio , il diametro di una Galassia è di 30.000 anni luce, di norma, la distanza tra due galassie vicine è invece di 3 milioni di anni-luce.
Cominciamo col dire che l'universo è grande. Si stima che se guardiamo in qualsiasi direzione le sue regioni visibili più lontane siano distanti circa 46 miliardi di anni luce.
Ma questa è davvero la migliore ipotesi: nessuno sa esattamente quanto è grande l'universo.
Questo perché possiamo vedere solo fino a dove la luce (o più precisamente la radiazione a microonde emessa dal Big Bang) ha viaggiato dalla sua nascita.
Dall' inizio della sua esistenza, circa 13,8 miliardi di anni fa, l'universo è in continua espansione.
Ma poiché non conosciamo nemmeno la sua età precisa, è difficile stabilire quanto si estenda oltre i limiti di ciò che possiamo vedere.
Tuttavia, una proprietà che gli astronomi hanno cercato di utilizzare per risolvere questo problema è un numero noto come la costante di Hubble.
" Si tratta di una misura di quanto l'universo si stia espandendo velocemente in questo momento", dice Wendy Freedman, un'astrofisica dell'Università di Chicago che ha passato la sua carriera a misurarlo.
"La costante di Hubble stabilisce la scala dell'universo, sia la sua dimensione che la sua età", aggiunge.
Bisogna pensare all'universo come a un pallone che si gonfia.
Come puntini sulla sua superficie, più velocemente le stelle e le galassie si allontanano l'una dall'altra, maggiore è la distanza tra loro.
Dal nostro punto di vista, ciò significa che più una galassia è lontana da noi, più velocemente si sta allontanando.
Purtroppo, più gli astronomi misurano tale numero, più sembra sfidare le previsioni basate sulla nostra comprensione dell'universo.
Un metodo di misurazione diretto ci dà un certo valore, mentre un'altra misurazione, che si basa sulla nostra comprensione di altri parametri dell'universo, dice qualcosa di diverso.
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| Quanto è grande l'universo? |
O le misurazioni sono sbagliate o c'è qualcosa di sbagliato nel modo in cui pensiamo che il nostro universo funzioni.
Ma gli scienziati ora credono di essere più vicini a trovare una risposta in gran parte grazie a nuovi esperimenti e osservazioni volti a scoprire esattamente quale sia la costante di Hubble.
"Quello che affrontiamo come cosmologi è una sfida ingegneristica: come possiamo misurare questa quantità nel modo più preciso e accurato possibile?" dice Rachael Beaton, un'astronoma che lavora alla Princeton University.
Affrontare questa sfida, dice, richiede non solo di ottenere i dati da misurare, ma anche di verificare le misure nel maggior numero possibile di modi.
La prima misurazione della costante di Hubble fatta nel 1929 dall'astronomo da cui prende il nome, Edwin Hubble, la mise a 500 km al secondo per megaparsec (km/s/Mpc).
Il parsec è un'unità di lunghezza usata in astronomia equivalente a 3,26 milioni di anni luce.
Questo valore calcolato dallo scienziato significa che per ogni megaparsec più lontano dalla Terra che si guarda, le galassie che si vedono si allontanano da noi 500 km/s più velocemente di quelle un megaparsec più vicine.
Più di un secolo dopo la prima valutazione di Hubble sul tasso di espansione cosmica, tale numero è stato ripetutamente rivisto al ribasso.
Le stime odierne lo collocano tra 67 e 74 km/s/Mpc.
Parte del problema è che la costante di Hubble può essere diversa a seconda di come viene misurata.
La maggior parte delle descrizioni della discrepanza della costante di Hubble dicono che ci sono due modi per misurarne il valore.
Uno guarda quanto le galassie vicine si stanno allontanando da noi, mentre il secondo usa il fondo cosmico a microonde (CMB), la prima luce sfuggita dopo il Big Bang.
Oggi possiamo ancora vedere questa luce, ma man mano che parti lontane dell'universo si allontanano da noi, la luce si è allungata in onde radio.
Questi segnali radio, scoperti per caso negli anni '60, ci danno la prima idea possibile di come fosse l'universo.
Due forze concorrenti, la forza di gravità e la spinta verso l'esterno della radiazione, hanno giocato un tiro alla fune cosmico con l'universo nella sua infanzia.
Questo ha creato delle perturbazioni che possono ancora essere viste nel fondo cosmico a microonde come piccole differenze di temperatura.
Usando queste perturbazioni, è possibile misurare la velocità di espansione dell'universo poco dopo il Big Bang e questo può essere applicato al Modello Standard della Cosmologia per dedurre il tasso di espansione attuale.
Questo Modello Standard è una delle migliori spiegazioni che abbiamo per come l'Universo è iniziato, di cosa è fatto e cosa vediamo intorno a noi oggi.
Ma c'è un problema, le Divergenze
Quando gli astronomi cercano di misurare la costante di Hubble guardando come le galassie vicine si allontanano da noi, ottengono una cifra diversa.
"Se il modello [standard] è corretto, allora i due valori, quello che si misura localmente oggi e quello che si deduce dalle prime osservazioni, si allineerebbero", dice Freedman. "E non lo fanno.
Quando il satellite Planck dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha misurato le discrepanze nella CMB, prima nel 2014 e poi di nuovo nel 2018, il valore che ha ottenuto per la costante di Hubble è 67,4 km/s/Mpc.
Ma questo è circa il 9% in meno del valore che astronomi come Freedman hanno misurato osservando galassie vicine.
Altre misurazioni CMB nel 2020 utilizzando il telescopio Atacama Cosmology Telescope sono state correlate ai dati del satellite Planck.
"Questo aiuta a escludere che ci fosse un problema sistematico con un paio di sorgenti Planck", dice Beaton.
Se le misure della CMB erano corrette, rimanevano solo due possibilità: o le tecniche che utilizzano la luce delle galassie vicine erano sbagliate, o il Modello Standard della cosmologia deve essere cambiato.
Stella Cefeide
La tecnica usata da Freedman e dai suoi colleghi sfrutta un tipo specifico di stella chiamata stella variabile Cefeide.
Scoperte circa 100 anni fa da un'astronoma di nome Henrietta Leavitt, queste stelle cambiano la loro luminosità, diventando sempre più deboli e poi più brillanti per giorni o settimane.
Leavitt ha scoperto che più la stella è luminosa, più tempo impiega per illuminarsi, poi si affievolisce e poi si illumina di nuovo.
Ora, gli astronomi possono dire esattamente quanto è luminosa una stella studiando questi impulsi di luminosità.
Misurando la luminosità che ci appare sulla Terra e sapendo che la luce si attenua in funzione della distanza, fornisce un modo accurato per misurare la distanza delle stelle.
Freedman e il suo team sono stati i primi a utilizzare le variabili Cefeidi nelle galassie vicine per misurare la costante di Hubble utilizzando i dati del telescopio spaziale Hubble.
Nel 2001, l'hanno misurata a 72 km/s/Mpc.
Da allora, il valore del sondaggio sulle galassie locali ha oscillato intorno allo stesso punto.
Usando lo stesso tipo di stelle, un altro team ha usato il telescopio spaziale Hubble nel 2019 per arrivare a una cifra di 74 km/s/Mpc.
Poi, solo pochi mesi dopo, un altro gruppo di astrofisici ha usato una tecnica diversa coinvolgendo la luce dei quasar per ottenere un valore di 73 km/s/Mpc.
Se queste misurazioni sono corrette, allora è concepibile che l'universo possa crescere più velocemente di quanto consentano le teorie del Modello Standard della Cosmologia.
Potrebbe significare che questo modello, e con esso il nostro miglior tentativo di descrivere la natura fondamentale dell'universo, deve essere aggiornato.
Al momento, la risposta non è certa, ma se si rivelasse tale, le implicazioni potrebbero essere profonde.
"Potrebbe dirci che al nostro modello standard manca qualcosa", dice Freedman.
"Non sappiamo ancora perché questo accade, ma è un'opportunità per andare verso la scoperta.
Se il Modello Standard è sbagliato, una delle prime cose che potrebbe significare è che i nostri modelli di cosa è composto l'universo - le quantità relative di materia barionica o "normale", materia oscura, energia oscura e radiazione - non sono del tutto giuste.
Inoltre, se l'universo si sta davvero espandendo più velocemente di quanto pensiamo, potrebbe essere molto più giovane dei 13,8 miliardi di anni che si pensa attualmente.
Una spiegazione alternativa per la discrepanza è che la parte dell'universo in cui viviamo è in qualche modo diversa o speciale rispetto al resto dell'universo, e questa differenza distorce le misure.
"È lontano da un'analogia perfetta, ma potete pensare a come la velocità o l'accelerazione della vostra auto cambia se state andando su o giù per una collina, anche se state applicando la stessa pressione sul pedale dell'acceleratore", dice Beaton.
"Penso che sia improbabile che sia la causa ultima della discrepanza nella costante di Hubble che vediamo, ma penso anche che sia importante non ignorare il lavoro fatto su quei risultati".
Ma gli astronomi credono di essere più vicini a determinare quale sia la costante di Hubble e quale delle misurazioni sia corretta.
"Ciò che è eccitante è che penso che riusciremo a capirlo in tempi abbastanza brevi, che sia in un anno, due o tre", dice Freedman.
"Ci sono così tante cose in arrivo in futuro che miglioreranno la precisione con cui possiamo fare queste misurazioni che penso che arriveremo in fondo a questo".
Uno di questi è l'osservatorio spaziale Gaia dell'ESA, che è stato lanciato nel 2013 e ha misurato le posizioni di circa 1 miliardo di stelle con un alto grado di precisione.
Gli scienziati lo usano per calcolare le distanze delle stelle con una tecnica chiamata parallasse.
Mentre questo osservatorio spaziale orbita intorno al Sole, il suo punto di vista nello spazio cambia, proprio come se si chiude un occhio e si guarda un oggetto, e poi si guarda con l'altro occhio, l'oggetto sembra essere in un posto leggermente diverso.
Quindi, studiando gli oggetti in diversi momenti dell'anno durante la loro orbita, Gaia permetterà agli scienziati di calcolare con precisione la velocità con cui le stelle si allontanano dal nostro sistema solare.
Un'altra struttura che aiuterà a rispondere alla domanda su quale sia il valore della costante di Hubble è il James Webb Space Telescope, che sarà lanciato alla fine del 2021.
Studiando le lunghezze d'onda dell'infrarosso, permetterà misurazioni migliori che non saranno oscurate dalla polvere tra noi e le stelle.
Tuttavia, se scoprono che la differenza nella costante di Hubble persiste, sarà il momento di sviluppare una nuova fisica.
E anche se sono state offerte molte teorie per spiegare la differenza, niente si adatta bene a ciò che vediamo intorno a noi.
Ogni teoria potenziale ha un lato negativo.
Per esempio, potrebbe essere che ci fosse un altro tipo di radiazione nel primo Universo, ma abbiamo misurato la CMB in modo così preciso che non sembra probabile.
Un'altra opzione è che l'energia oscura potrebbe cambiare nel tempo.
"Sembrava una linea di studio promettente da perseguire, ma ora ci sono altri vincoli su quanto l'energia oscura potrebbe cambiare in funzione del tempo", dice Freedman.
"Bisognerebbe farlo in un modo molto artificiale e questo non sembra molto promettente".
Un'alternativa è che ci fosse energia oscura presente nell'universo primordiale che è semplicemente scomparsa, ma non c'è una ragione ovvia per cui dovrebbe farlo.
Tutto questo ha costretto gli scienziati a trovare nuove idee che possano spiegare ciò che sta accadendo.
"La gente sta lavorando molto duramente ed è eccitante", aggiunge Freedman.