Guardando il nostro universo oggi, è molto facile essere deliziati da ciò che vedi. Le stelle nel nostro cielo notturno sono solo una piccola frazione, poche migliaia su centinaia di miliardi di ciò che è presente nella nostra Via Lattea. La stessa Via Lattea è solo uno dei trilioni di galassie presenti nell'universo osservabile, che si estende in tutte le direzioni per circa 46 miliardi di anni luce. E tutto è iniziato circa 13,8 miliardi di anni fa da uno stato caldo, denso, in rapida espansione, noto come Big Bang.
È dal Big Bang che abbiamo l'opportunità di descrivere il nostro Universo come pieno di materia e radiazioni e di collegare le ben note leggi della fisica che spiegano la forma moderna del cosmo. Ma l'universo continua ad espandersi. Compaiono nuove stelle, lo spazio si evolve. Come andrà a finire? Chiediamo alla scienza.
Qual è la fine dell'universo
Per molto tempo, gli scienziati che hanno studiato la struttura e l'evoluzione dell'universo hanno considerato tre possibilità basate sulla semplice fisica della relatività generale e sul contesto dell'espansione dell'universo. Da un lato, la gravità sta attivamente riunendo tutto; è una forza attrattiva controllata dalla materia e dall'energia in tutte le loro forme presenti nell'universo. D'altra parte, c'è un tasso di espansione iniziale che separa tutto.
Il Big Bang è stato uno scatto, dopo di che è iniziata la più grande corsa di tutti i tempi: tra la gravità e l'espansione dell'universo. Chi vincerà alla fine? La risposta a questa domanda determinerà il destino del nostro mondo.
Pensavamo che l'Universo avesse queste opzioni:
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- L'universo collasserà durante la grande compressione. L'espansione inizierà rapidamente e grandi quantità di materia e radiazioni verranno lacerate. Se la materia e l'energia sono più che sufficienti, l'universo si espanderà fino a una certa dimensione massima, l'espansione invertirà la contrazione e l'universo collasserà di nuovo.
- L'universo si espanderà per sempre e porterà al Grande Gelo. Tutto inizierà come sopra, ma questa volta la quantità di materia ed energia non sarà sufficiente per resistere all'espansione. L'universo si espanderà per sempre mentre il tasso di espansione continua a diminuire, ma non raggiunge mai lo zero.
- L'espansione dell'Universo tende asintoticamente a zero. Immagina una situazione limite tra i due esempi sopra. Un altro protone - e crolliamo; uno in meno - ci espandiamo all'infinito. In questo caso critico, l'Universo si sta espandendo per sempre, ma alla velocità più bassa possibile.
Per scoprire quale opzione è corretta, abbiamo dovuto solo misurare la velocità con cui l'universo si sta espandendo e come il tasso di espansione è cambiato nel tempo. Il resto è una questione di fisica.
Questa è stata una delle più grandi sfide dell'astrofisica odierna. Misura la velocità con cui l'universo si stava espandendo e scopri come sta cambiando il tessuto dello spazio oggi. Misura come è cambiato il tasso di espansione nel tempo e scopri come è cambiato il tessuto dello spazio in passato.
Combina queste due informazioni e come è cambiato il tasso di espansione e cosa era ti permetterà di determinare di cosa è fatto l'universo e in quali proporzioni.
Per quanto ne sappiamo, sulla base di queste misurazioni, abbiamo determinato che l'Universo è costituito da 0,01% di radiazioni, 0,1% di neutrini, 4,9% di materia ordinaria, 27% di materia oscura, 68% di energia oscura. Questa ricerca, che per alcuni è iniziata negli anni '20, ha ricevuto una risposta inaspettata alla fine degli anni '90.
Quindi se l'energia oscura domina l'espansione dell'universo, cosa significa questo per il nostro destino? Tutto dipende da come - o se - l'energia oscura si evolve nel tempo. Ecco cinque opzioni.
L'energia oscura è una costante cosmologica dominante in espansione. Questa è l'impostazione predefinita e tiene conto dei nostri dati migliori. Mentre la materia diventa meno densa man mano che l'universo si espande, si diluisce man mano che il volume si espande, l'energia oscura rappresenta una quantità diversa da zero di energia inerente al tessuto dello spazio stesso. Man mano che l'universo si espande, la densità dell'energia oscura rimane costante, il che fa sì che l'espansione rimanga sempre positiva.
Ciò si traduce in un universo in espansione esponenziale e alla fine spingerà tutto ciò che non fa parte del nostro gruppo locale. Già il 97% dell'Universo visibile diventa inaccessibile in tali condizioni.
L'energia oscura è dinamica e diventa più potente nel tempo. L'energia oscura sembra essere una nuova forma di energia inerente allo spazio stesso, il che implica che abbia una densità di energia costante. Ma può anche cambiare nel tempo. Uno dei modi possibili per cambiare è che aumenta gradualmente, il che porterà a un'accelerazione del tasso di espansione dell'universo.
Gli oggetti remoti non solo si allontaneranno da noi, ma lo faranno sempre più velocemente. Peggio ancora, gli oggetti che sono ora legati gravitazionalmente - come ammassi di galassie, galassie individuali, sistemi solari e persino atomi - un giorno si scioglieranno mentre l'energia oscura si indurisce. Negli ultimi istanti dell'esistenza dell'universo, le particelle subatomiche e il tessuto dello spazio-tempo stesso verranno lacerati. Questo destino - il grande strappo - è la nostra seconda opzione.
L'energia oscura è dinamica e si indebolisce nel tempo. In quale altro modo può cambiare l'energia oscura? Invece di rafforzarsi, potrebbe indebolirsi. Naturalmente, il tasso di espansione è coerente con una quantità costante di energia che appartiene allo spazio stesso, ma anche questa densità di energia può diminuire.
Se si indebolisce a zero, tutto arriverà a una delle possibilità sopra descritte: The Great Freeze. L'universo si espanderà, ma senza abbastanza materia e altre forme di energia per aiutarlo a collassare di nuovo.
Se il decadimento diventa negativo, potrebbe portare a un'altra possibilità: il Big Shrink. L'universo sarà pieno di energia inerente allo spazio, che cambierà improvvisamente i segni e farà contrarre lo spazio. Anche questa opzione è possibile.
L'energia oscura si trasformerà in un'altra forma di energia che ringiovanisce l'universo. Se l'energia oscura non si disintegra, ma rimane costante o addirittura si intensifica, sorge un'altra possibilità. Questa energia insita nel tessuto dello spazio potrebbe non rimanere sempre in questa forma. Invece, può trasformarsi in materia e radiazione, simile a quello che era quando finì l'inflazione cosmica e iniziò il Big Bang.
Se l'energia oscura rimane costante fino a questo punto, creerà una versione molto, molto fredda e diffusa del Big Bang incandescente, in cui solo neutrini e fotoni possono crearsi. Ma se l'intensità dell'energia oscura aumenta, potrebbe portare a uno stato simile all'inflazione, seguito da un nuovo Big Bang davvero rovente. Questo è il modo più semplice per ringiovanire l'Universo con i parametri dati.
L'energia oscura è associata all'energia zero del vuoto quantistico e decadrà, distruggendo il nostro universo. Questa è l'opportunità più distruttiva di tutte. E se l'energia oscura non fosse la vera quantità di spazio vuoto nelle configurazioni di energia più bassa, ma fosse il risultato di simmetrie nell'Universo primordiale, quando erano in una configurazione con un falso minimo?
Se è così, ci deve essere un modo per creare un tunnel quantistico in uno stato di energia inferiore cambiando le leggi della fisica ed eliminando tutti gli stati legati (cioè le particelle) dei campi quantistici oggi. Se il vuoto quantistico è instabile in questo senso, allora ovunque si verifichi questo decadimento, il risultato sarà la distruzione di tutto nell'universo attraverso una bolla che si propaga alla velocità della luce. Se un tale segnale ci raggiunge, finiremo anche noi.
Anche se non sappiamo quale di queste possibilità sarà valida per il nostro Universo, i dati stanno semplicemente votando freneticamente a favore della prima opzione: l'energia oscura è davvero una costante. In questo momento, le nostre osservazioni su come si è evoluto l'universo, specialmente grazie alla radiazione cosmica di fondo a microonde e alla struttura su larga scala dell'universo, impongono limiti severi a quanto spazio di manovra per l'energia oscura possa cambiare.
Ilya Khel
