L’inflazione cosmica
Sappiamo che l’universo è nato da una singolarità. Da un punto con pressione e temperature a dir poco inimmaginabili. Poi uno scoppio. E dopo un brevissimo tempo, nell’arco di miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di secondo raddoppiando le sue dimensioni almeno 80-90 volte e fece passare l’universo dalle dimensioni di un atomo a quelle di un’arancia. L’universo ha avuto così una super accelerata, una espansione che si è lasciata la luce alle spalle. I fisici la chiamano “inflazione”.
Secondo i modelli cosmologici standard, questo periodo di espansione esponenziale dell’universo chiamato “inflazione” è durato circa 10-36 10-32 seconti dopo il Big Bang.
Poiché l’inflazione avvenne a una velocità superiore a quella della luce, la radiazione luminosa non riuscì a tenere il passo con essa. Si creò quindi uno scarto fra la porzione di universo raggiunta dalla luce e il cosmo nella sua totalità. E con l’espansione successiva, tuttora in corso, lo scarto si è mantenuto. Nessuno strumento è in grado di vedere che cosa c’è al di là della porzione raggiunta dalla luce, ma si stima che oltre quel confine ci siano ancora miliardi di anni luce di universo ‘non osservabile’.
Significa che c’è una parte dell’universo oltre il visibile che continua ad espandersi ad una velocità superiore a quella della luce.
In altre parole c’è una parte dell’universo che non vedremo mai né mai sapremo quando è grande perché noi vediamo soltanto quella parte dell’universo raggiunto dalle luce.
Questo ci porta ad escludere dai nostri calcoli questa parte dell’universo che non conosceremo mai.
Da queste considerazioni emerge, quindi, che noi possiamo guardare soltanto fino a una certa distanza. L’universo, cioè, ha un orizzonte. E l’orizzonte c’è per una ragione molto semplice: la luce, che viaggia con una velocità finita, ha avuto solo un intervallo di tempo finito per propagarsi, ovvero quello trascorso dal big bang a oggi.
Per questo motivo possiamo ritenere che intorno a noi esista una sfera di spazio che ha un limite molto particolare che la circonda.
In altre parole noi possiamo vedere solo quello che si trova dentro questa sfera. L’universo osservabile.
Il raggio dell’universo
A questo punto basta domandarsi qual’è il raggio di questa sfera e il nostro problemino sulla misura dell’universo osservabile è risolto con le normali regolette di geometria piana e solida del cerchio e della sfera.
In soccorso ci viene la considerazione che l’universo osservabile consiste di tutta la materia che può essere visibile dalla Terra in questo momento.
Gli scienziati ci dicono che il big bang ha avuto origine 13,7 miliardi di anni luce fa. Quindi la luce che è partita 13,7 miliardi di anni fa, dovrebbe essere la prima foto dell’Universo.
Allora possiamo concludere che il “bordo” dell’orizzonte, la regione più distante che possiamo osservare, si trova a 13,7 miliardi di anni-luce. R=13.7 mld anni luce.
È questo il raggio dell’universo osservabile?
Il ragionamento sarebbe stato giusto se l’Universo fosse rimasto fermo, ma lo spazio si è allargato dall’inizio.
E allora?
Il problema sembrerebbe insuperabile. Ma, da quanto si è dilatato l’Universo, alcuni scienziati hanno calcolato (vi risparmio le considerazioni) che le cose più lontane che vediamo dovrebbero essere state trascinate a una distanza quasi tre volte più grande dei 13,7 mld di anni luce, cioè a 46,5 miliardi di anni luce.
Tutte queste considerazioni le abbiamo fatte ponendo la Terra al centro dell’universo. Le cose potrebbere essere diversamente da punti di vista differente (es: altre galassie)
Dal momento che abbiamo assunto l’Universo ‘isotropo’ (ossia che sia simile in tutte le sue parti) l’universo osservabile avrebbe la forma di una sfera centrata nella Terra (punto di osservazione) il cui raggio è pari alla distanza del più lontano oggetto la cui luce sia riuscita a raggiungere la Terra.
L’Universo vero e proprio potrebbe, invece, avere una forma qualsiasi che non possiamo conoscere.
Materia oscura
A questo dovremmo aggiungere la presenza della forza gravitazionale della materia oscura che deforma lo spazio e la presenza della energia oscura che potrebbe ulteriormente “deformare” l’universo.
Ne consegue che ogni punto dell’Universo ha un suo proprio universo osservabile. A volte questi universi possono avere parti in comune, ma potrebbero anche essere completamente separati.
Quindi a questo punto dobbiamo concludere che le dimensioni dell’Universo, secondo le conoscenze attuali, non sono note.
Densità della materia
Dalla Relatività Generale di Einstein risulta che lo spazio s’incurva in presenza di una massa. La curvatura è tanto maggiore quanto più grande è la massa del corpo che provoca l’incurvamento rispetto al suo volume, cioè quanto maggiore è la densità.
In altre parole la “curvatura” dell’universo dipende dalla sua velocità di espansione media e dalla densità media della materia in esso contenuta.
- Se la densità media della materia (distribuita omogeneamente in tutto l’universo, secondo il principio cosmologico) è più grande di un certo valore critico, determinato dalla velocità di espansione, lo spazio s’incurva a un punto tale da chiudersi su se stesso. Le traiettorie percorse dai corpi (dalle particelle alle galassie) e persino il cammino dei raggi di luce s’incurvano e si parla in questo caso di universo chiuso, con un’estensione finita (universo finito).
- Se la densità è minore del valore critico l’universo è incurvato al contrario, verso l’esterno, e si dice aperto. In questo caso, lo spazio è infinito (universo infinito).
Infine, se la densità coincide (uguale) con il valore critico, si ha il caso limite di un universo piatto (anche in questo caso infinito).
Conclusione
Si pensa che le dimensioni dell’universo siano centinaia o migliaia di volte più grandi delle dimensioni dell’universo osservabile (anzi di ogni universo osservabile, perché essi variano da luogo a luogo)