Uno dei risultati più importanti del 20 ° secolo è stata la definizione precisa di quanto sia grande, vasto e massiccio il nostro universo. Con circa due trilioni di galassie racchiuse in un volume di 46 miliardi di anni luce di raggio, il nostro universo osservabile ci consente di ricostruire l'intera storia del nostro cosmo, fino al Big Bang e forse anche un po 'prima. Ma per quanto riguarda il futuro? Come sarà l'universo? Sara?
Qualcuno dice che l'espansione dell'universo sta rallentando. Il Premio Nobel è stato assegnato per la "scoperta" che l'espansione dell'universo è in aumento. Ma chi ha ragione? L'universo potrebbe collassare un giorno durante il processo della cosiddetta Big Compression (inversa al Big Bang)?
Il comportamento futuro è meglio previsto in base al comportamento passato. Ma proprio come gli umani a volte possono sorprenderci, anche l'Universo può farlo.
Il tasso di espansione dell'Universo in un dato momento dipende solo da due fattori: la densità di energia totale che esiste nello spazio-tempo e la quantità di curvatura dello spazio presente. Se comprendiamo le leggi di gravità e come i diversi tipi di energia si evolvono nel tempo, possiamo ricostruire tutto ciò che è accaduto a un certo punto nel passato. Possiamo anche guardare diversi oggetti distanti a distanze diverse e misurare come la luce viene allungata a causa dell'espansione dello spazio. Ogni galassia, supernova, nuvola di gas molecolare e così via - qualsiasi cosa che assorba o emetta luce - racconterà la storia cosmica di come l'espansione dello spazio l'ha estesa dal momento in cui è nata la luce al momento in cui l'abbiamo osservata.
Da molte osservazioni indipendenti, siamo stati in grado di concludere in cosa consiste l'universo stesso. Abbiamo creato tre grandi catene di osservazione indipendenti:
- Sullo sfondo delle microonde cosmiche, ci sono fluttuazioni di temperatura che codificano informazioni sulla curvatura dell'universo, materia normale, materia oscura, neutrini e densità totale.
- Le correlazioni tra galassie alle scale più grandi - note come vibrazioni acustiche barioniche - forniscono misurazioni molto rigorose della densità totale della materia, il rapporto tra materia normale e materia oscura e come il tasso di espansione è cambiato nel tempo.
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“E le candele standard più distanti e luminose dell'Universo, le supernove di tipo Ia, ci raccontano il tasso di espansione e l'energia oscura, come sono cambiate nel tempo.
Queste catene di prove, prese insieme, ci dipingono un'immagine coerente dell'universo. Ci dicono cosa c'è nell'Universo moderno e ci danno una cosmologia in cui:
- il 4,9% dell'energia dell'Universo è rappresentata dalla materia normale (protoni, neutroni ed elettroni);
- lo 0,1% dell'energia dell'Universo esiste sotto forma di neutrini massicci (che negli ultimi tempi agiscono come materia e nei primi tempi hanno agito come radiazione);
- lo 0,01% dell'energia dell'Universo esiste sotto forma di radiazione (come i fotoni);
- Il 27% dell'energia dell'Universo esiste sotto forma di materia oscura;
- Il 68% dell'energia è inerente allo spazio stesso: energia oscura.
Tutto ciò ci dà un Universo piatto (con una curvatura dello 0%), un Universo senza difetti topologici (monopoli magnetici, stringhe cosmiche, muri di dominio o strutture cosmiche), un Universo con una storia di espansione nota.
Le equazioni della relatività generale sono molto deterministiche in questo senso: se sappiamo di cosa è fatto l'Universo oggi e le leggi di gravità, sappiamo esattamente quanto fosse importante ogni componente in ogni intervallo individuale nel passato. All'inizio dominavano radiazioni e neutrini. Per miliardi di anni, i componenti più importanti sono stati la materia oscura e la materia normale. Negli ultimi miliardi di anni - e questo peggiorerà nel tempo - l'energia oscura è diventata il fattore dominante nell'espansione dell'universo. Questo fa accelerare l'universo e da quel momento in poi molte persone smettono di capire cosa sta succedendo.
Ci sono due cose che possiamo misurare quando si tratta di espansione dell'universo: la velocità di espansione e la velocità con cui le singole galassie, dal nostro punto di vista, entrano in prospettiva. Sono correlati, ma rimangono diversi. Il tasso di espansione, da un lato, parla di come il tessuto dello spazio stesso si allunga nel tempo. È sempre definita come velocità per unità di distanza, solitamente espressa in chilometri al secondo (velocità) per megaparsec (distanza), dove un megaparsec è di circa 3,26 milioni di anni luce.
Se non ci fosse l'energia oscura, il tasso di espansione diminuirebbe con il tempo, avvicinandosi allo zero, poiché la densità della materia e della radiazione scenderebbe a zero con l'espansione del volume. Ma con l'energia oscura, questo tasso di espansione rimane dipendente dalla densità di energia oscura. Se l'energia oscura, ad esempio, fosse una costante cosmologica, il tasso di espansione si appiattirebbe a un valore costante. Ma in questo caso, le singole galassie che si allontanano da noi accelererebbero.
Immagina una velocità di espansione di una certa grandezza: 50 km / s / Mpc. Se la galassia si trova a una distanza di 20 Mpc da noi, sembra allontanarsi da noi a una velocità di 1000 km / s. Ma dagli tempo, e mentre il tessuto dello spazio si espande, questa galassia alla fine sarà più lontana da noi. Nel tempo, sarà il doppio: 40 Mpc e la velocità di rimozione sarà di 2000 km / s. Ci vorrà più tempo e sarà 10 volte più lontano: 200 Mpc e la velocità di rimozione di 10.000 km / s. Nel tempo, si allontanerà da noi a una distanza di 6000 Mpc e si allontanerà a una velocità di 300.000 km / s, che è maggiore della velocità della luce. Più tempo passa, più velocemente la galassia si allontanerà da noi. Ecco perché l'Universo sta "accelerando": il tasso di espansione sta diminuendo, ma la velocità di separazione delle singole galassie da noi cresce solo.
Tutto ciò è coerente con le nostre migliori misurazioni: l'energia oscura è una densità di energia costante inerente allo spazio stesso. Man mano che lo spazio si estende, la densità dell'energia oscura rimane costante e l'Universo finirà in un "Grande Congelamento", quando tutto ciò che non è legato insieme dalla gravità (come il nostro gruppo locale, la galassia, il sistema solare) divergerà e divergerà. Se l'energia oscura è veramente una costante cosmologica, questa espansione continuerà indefinitamente finché l'universo non diventerà freddo e vuoto.
Ma se l'energia oscura è dinamica - il che è teoricamente possibile, ma senza prove osservabili - potrebbe finire con un Big Squeeze o Big Rip. Nella grande compressione, l'energia oscura indebolirà e invertirà gradualmente l'espansione dell'universo in modo che inizi a contrarsi. Potrebbe anche esserci un universo ciclico, in cui la "compressione" dà origine a un nuovo Big Bang. Se l'energia oscura diventa più forte, ci attende un destino diverso, quando le strutture connesse saranno lacerate dal tasso di espansione gradualmente crescente. Tuttavia, oggi tutto indica che il Grande Gelo ci attende, quando l'Universo si espanderà per sempre.
I principali obiettivi scientifici per futuri osservatori come Euclid dell'ESA o WFIRST della NASA includono misurare se l'energia oscura è una costante cosmologica. E mentre la teoria principale parla a favore della costante energia oscura, è importante capire che potrebbero esserci possibilità non escluse da misurazioni e osservazioni. In parole povere, l'universo può ancora collassare, e questo è possibile. Sono necessari più dati.
ILYA KHEL
