Forse la più grande scoperta sull'Universo che abbiamo fatto alla fine del secolo scorso, quando abbiamo scoperto una delle più strane verità cosmiche: le galassie lontane non solo volano via da noi mentre il tempo avanza, ma volano via sempre più velocemente. La scoperta dell'accelerazione dell'espansione dell'Universo come parte del Supernova Cosmology Project con l'aiuto del High-z Supernova Search Team ha valso agli scienziati il Premio Nobel per la fisica. Anche se questo è uno dei fenomeni più strani e insoliti nell'universo.
Il fatto è che l'Universo non ha sempre accelerato, volando via da noi. Per miliardi di anni l'espansione è rallentata e, a chi è vissuto dieci miliardi di anni fa, potrebbe sembrare che si stia contraendo. Quello che è successo?
Negli anni '20 furono presentate quattro prove - tre osservabili e una teorica - che l'universo si stava espandendo. Eccoli:
1. Ha scoperto che le nebulose a spirale nel cielo notturno erano vere galassie, o "universi insulari", contenenti miliardi di stelle e situate ben oltre la Via Lattea.
2. La misurazione degli spostamenti del rosso e del blu di queste galassie da parte di Vesto Slifer ha mostrato quanto velocemente queste galassie si allontanano da noi (spostamento verso il rosso) o ci si avvicinano (spostamento verso il blu), e la stragrande maggioranza ha seguito il primo scenario.
3. Le misurazioni della distanza da ciascuna di queste galassie sono state effettuate da Edwin Hubble e dal suo assistente Milton Humason. Combinate con le osservazioni di Slipher, hanno rivelato una chiara relazione: più la galassia era lontana, più velocemente sembrava allontanarsi da noi.
4. Infine, un potente salto teorico compiuto grazie alla teoria della relatività generale di Einstein: la consapevolezza che l'Universo, che è pieno di galassie approssimativamente della stessa densità in tutte le direzioni, deve essere instabile, a meno che non si espanda o si contrae.
Ciò ha portato a un'immagine dell'universo del 1929: era più caldo, più denso e si è espanso più rapidamente in passato, quindi è diventato più freddo, meno denso e si è espanso più lentamente nel tempo.
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Questo è abbastanza logico dal punto di vista del Big Bang. Immagina il Big Bang come la pistola iniziale della grande corsa allo spazio, una corsa tra l'espansione iniziale da un lato, che era molto veloce all'inizio, e la gravità dall'altro, che riunisce tutto. È facile immaginare tre diverse opzioni, ognuna delle quali si traduce in un diverso ritmo dell'universo:
1. Grande compressione. Forse il tasso di espansione iniziale era piuttosto alto, ma la forza di gravità era più forte. L'espansione dovrebbe rallentare e fermarsi. L'universo deve raggiungere la sua dimensione massima e iniziare a ridursi. E infine, deve crollare di nuovo, tornando allo stato precedente al Big Bang.
2. Ottimo congelamento. Questo è lo scenario opposto al precedente: in cui l'espansione inizia rapidamente e la gravità la rallenta, ma non abbastanza. L'espansione dura per sempre, la gravità la rallenta continuamente, ma non può fermarla. Questo scenario è noto come Heat Death of the Universe: The Great Freeze.
3. Universo critico. C'è anche la possibilità che ti troverai nel mezzo, quando la velocità di espansione e la gravità si equalizzano e la velocità di espansione rallenterà nel tempo. Una particella in meno, un'altra particella nell'Universo - e ottieni il primo o il secondo scenario. Ma questa particella non esiste. Lo scenario dell '"universo critico" porterebbe alla morte per calore più lenta possibile.
Per miliardi di anni è sembrato che l'opzione critica avrebbe vinto. Vedi, quando vivi nell'universo e guardi diverse galassie, non solo puoi misurare l'attuale tasso di espansione, ma guardando le galassie più lontane, puoi anche misurare il tasso di espansione all'inizio della storia dell'universo.
Questa immagine mostra galassie già irraggiungibili per noi.
Per miliardi di anni - circa sette miliardi per l'esattezza - ci è sembrato di vivere in un universo critico. L'espansione è iniziata nell'era della radiazione (fotoni e neutrini), e poi tutto si è raffreddato abbastanza per l'inizio dell'era della materia (sia ordinaria che oscura). Man mano che l'universo continuava ad espandersi, la densità della materia diminuiva e diminuiva all'aumentare del volume della materia e la massa rimaneva la stessa.
Ma a un certo punto, la densità della materia è scesa a un valore così basso che è emerso un altro contributo più sottile alla densità di energia dell'Universo: l'energia oscura. In circa sette miliardi di anni, l'entità della materia oscura ha raggiunto una piccola percentuale della densità di energia totale e quando l'universo aveva 7,8 miliardi di anni, la densità di energia oscura aveva raggiunto un valore importante: il 33% della densità di energia totale nell'universo. Questo è importante perché quella quantità di energia oscura è necessaria affinché il tasso di espansione inizi a salire.
Da allora, circa 6 miliardi di anni fa, la densità della materia ha cominciato a diminuire, mentre l'energia oscura è rimasta costante. Attualmente, la materia oscura costituisce circa il 68% dell'energia totale dell'universo e la materia è scesa al 32% in totale (27% materia oscura e 5% materia ordinaria) Nel tempo, in futuro, la densità della materia continuerà a diminuire, mentre la densità dell'energia oscura rimarrà costante, l'energia oscura sarà sempre più prevalente.
Densità di energia nell'Universo in tempi diversi nel suo passato
Per le singole galassie, ciò significherà che la galassia, che ha iniziato ad allontanarsi da noi al momento del Big Bang più velocemente di altre, dimostrerà un evidente calo di velocità (dal nostro punto di vista) nei primi 7,8 miliardi di anni. Quindi il tasso di decelerazione smetterà di diminuire e rimarrà invariato per un po 'di tempo. Quindi inizierà a crescere e la galassia inizierà ad allontanarsi da noi ancora più velocemente di prima, poiché lo spazio tra noi e le galassie lontane si sta espandendo a una velocità enorme. Ad un certo punto - e questo è spaventoso perché si applica al 97% delle galassie nel nostro universo visibile - ogni galassia al di fuori del nostro gruppo locale si allontanerà a una velocità superiore alla velocità della luce, diventando così fuori dalla nostra portata a causa di limitazioni fisiche.
Delineata in giallo è la dimensione attuale dell'universo visibile: 46 miliardi di anni luce; La dimensione che possiamo ottenere è in rosa: 14,5 miliardi di anni luce
Per quanto ne sappiamo, l'universo ha sempre avuto la quantità di energia oscura che ora ha inerente al cosmo stesso. Ma ci vollero 7,8 miliardi di anni, o l'intera storia dell'universo un miliardo e mezzo di anni prima che il nostro sistema solare si formasse, perché la densità della materia scendesse a un livello tale che l'energia oscura prese il sopravvento sull'espansione dell'universo. Da allora, tutte le galassie al di fuori del nostro gruppo locale si sono ritirate da noi e continueranno a ritirarsi fino a quando l'ultima non scomparirà. L'universo si è espanso negli ultimi sei miliardi di anni e, se fossimo apparsi prima, forse non saremmo andati oltre queste tre opzioni offerte dalla nostra intuizione. Nella migliore delle ipotesi, potremmo solo indovinare cos'è esattamente l'universo. E questa sarebbe la nostra più grande ricompensa.
