L’idea che l’universo si stia espandendo a velocità superiori a quelle della luce sembra infrangere il limite massimo di velocità. Non è così. Ma ciò rende la definizione della distanza nello spazio molto più complicata rispetto alla semplice misurazione del tempo impiegato dalla luce per arrivare.
Lo spazio continua a crescere mentre i fotoni sono in transito. Una galassia emette un raggio di luce. Quel fotone corre verso il nostro telescopio. Nel frattempo, il tessuto dello spazio tra loro si allunga. Nel momento in cui la luce colpisce l’obiettivo, la galassia sorgente è molto più lontana rispetto a quando la luce ha iniziato il suo viaggio. Questo non è solo teorico. È per questo che gli astronomi devono fare affidamento sui modelli per capire dove sono le cose adesso.
La luce ci mostra il passato. Non il presente.
Per mappare la posizione attuale di questi oggetti distanti, utilizziamo un quadro cosmologico. Nello specifico, il modello Lambda-CDM (LCDM). Rappresenta la materia oscura e l’energia oscura. Sappiamo che la materia oscura gioca un ruolo (vedi episodio separato). Sappiamo che l’energia oscura guida l’accelerazione (un altro episodio). Esistono teorie alternative, ma raramente spostano i meccanismi fondamentali dell’espansione cosmica abbastanza da avere importanza per questa domanda specifica.
Definire i confini dell’universo osservabile
Diamo un’occhiata ai numeri. L’universo ha circa 13,77 miliardi di anni. La luce ha avuto così tanto tempo per viaggiare. Quindi, ingenuamente, penseresti che il limite di ciò che possiamo vedere sia distante 13,77 miliardi di anni luce.
Ti sbaglieresti.
Poiché lo spazio si è espanso per tutto il tempo in cui la luce ha viaggiato, l’oggetto che emetteva la luce più antica si trova ora a circa 45 miliardi di anni luce di distanza. Questo confine è chiamato orizzonte delle particelle. A volte i cosmologi lo chiamano orizzonte comovente. A volte usano semplicemente “orizzonte cosmologico”. Il nome cambia con l’umore dell’astrofisico, non del fisico.
45 miliardi. Molto più grande di 13,77.
Questo significa che le informazioni viaggiano più veloci della luce? No. Significa che lo spazio stesso si sta espandendo. E lo spazio non è vincolato dalle stesse regole della materia.
La velocità della luce è un limite di velocità locale. Governa la velocità con cui gli oggetti si muovono attraverso lo spazio. Non limita la velocità con cui lo spazio stesso può espandersi. Non vedrai mai un razzo volare oltre la tua finestra più velocemente di c. Ma se osservi due galassie distanti, possono allontanarsi l’una dall’altra a qualsiasi velocità. Non si muovono nello spazio nel senso tradizionale. Lo spazio tra loro sta semplicemente crescendo.
Perché Redshift conta più della velocità
Come facciamo a sapere che ciò sta accadendo? Misuriamo il redshift.
Quando una galassia si allontana da noi, la sua luce si estende nelle lunghezze d’onda più rosse e più lunghe dello spettro elettromagnetico. Edwin Hubble ha utilizzato proprio questo fenomeno per scoprire che l’universo si sta espandendo. Vide che le galassie più distanti avevano spostamenti verso il rosso più elevati.
Un redshift più elevato significa una recessione più rapida.
In un universo in espansione, distanza e velocità sono collegate. Più un oggetto è lontano, più spazio c’è tra te e esso. Più spazio significa più espansione. E una maggiore espansione significa maggiore velocità.
C’è un punto critico specifico. Si chiama distanza di Hubble. Si trova a circa 13,77 miliardi di anni luce dalla Terra. Gli oggetti a questa distanza si allontanano da noi alla velocità della luce.
Oltre quel punto? Si stanno muovendo più velocemente della luce.
Questo è un imbroglio? No. È così che funziona la relatività speciale su scala cosmica. A livello locale, niente batte la luce. A livello globale? Lo spazio può fare quello che vuole.
Il confine nascosto: l’orizzonte degli eventi
Quindi possiamo vedere le galassie che si allontanano più velocemente della luce. Sembra paradossale. Ma c’è un problema.
Vediamo solo quelle galassie distanti, che si allontanano in modo superluminale, perché la luce che stiamo catturando ora è stata emessa miliardi di anni fa. Allora erano molto più vicini. Erano alla portata dei nostri telescopi.
C’è un limite rigido a quanto possiamo vedere. Non è l’orizzonte delle particelle (la soglia dei 45 miliardi di anni luce). È qualcosa di più vicino e definitivo.
L’orizzonte degli eventi cosmologici.
Situato a circa 17 miliardi di anni luce di distanza, questo confine separa le galassie che possiamo vedere oggi da quelle che non vedremo mai, non importa quanto tempo aspettiamo che arrivi la nuova luce. La luce emessa da oltre questa linea in questo momento non ci raggiungerà mai. L’espansione è troppo veloce.
L’energia oscura sta rendendo questo limite più aggressivo.
L’espansione accelerata guidata dall’energia oscura assicura che l’orizzonte degli eventi si stabilizzerà. Crescerà leggermente, stabilizzandosi infine a circa 60 miliardi di anni luce. Ma oltre a questo? Oscurità.
Le galassie più distanti scompariranno dal rosso. La loro luce si estenderà in lunghezze d’onda così lunghe e fioche da diventare impercettibili.
Questa non è una speculazione. È una previsione basata sui dati attuali. Tra circa 100 miliardi di anni, se gli esseri umani (o chiunque verrà dopo di noi) guarderanno ancora in alto, ogni galassia al di fuori del nostro Gruppo Locale sarà scomparsa. L’universo sembrerà vuoto. Solo il nostro quartiere in un mare di nulla.
È un futuro solitario per gli astronomi. Ma è coerente con la fisica che abbiamo. L’universo si espande. Lo spazio si allunga. E alcune cose si perdono nell’oscurità, non perché siano morte, ma perché sono andate troppo lontano, troppo in fretta.
Ed è proprio così.
