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A che velocità si sta espandendo l'Universo? La risposta dipende da come la misuri, e questo è un problema

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L'Universo si sta espandendo.

Wow, mi piace ancora poterlo scrivere. È un'affermazione così meravigliosa, compatta e semplice, ma ha implicazioni così profonde che potrebbero volerci decenni prima che le comprendiamo tutte. E sappiamo che è vero già da un secolo.

Ma è vero. Abbiamo molte prove indipendenti che dimostrano che è così. Ciò significa che l'Universo era più piccolo in passato, e se si esegue l'orologio indietro di circa 13,8 miliardi di anni, si scopre che tutto nel cosmo è stato schiacciato in un unico punto incredibilmente caldo e denso. Porta di nuovo avanti l'orologio e ottieni i momenti iniziali dell'Universo: il Big Bang.



Una domanda estremamente importante che sorge spontanea è: come? veloce l'Universo si sta espandendo? Si scopre che gli oggetti più distanti si stanno allontanando da noi più velocemente, quindi usiamo un'unità dispari per descrivere l'espansione: una velocità per distanza. Raddoppia la distanza e raddoppia anche la velocità di allontanamento di un oggetto.

Questo numero in astronomia ha un nome: la costante di Hubble. Edwin Hubble ha provato a calcolarlo all'inizio del XX secolo e da allora siamo stati in grado di perfezionarlo molto. Sono circa 70 chilometri al secondo per megaparsec (un megaparsec, o Mpc, è un milione di parsec, o 3,26 milioni di anni luce; per fare un confronto, la Galassia di Andromeda è a poco meno di 1 Mpc da noi). Quindi, in un Universo in libera espansione, un oggetto distante 1 Mpc si allontanerà da te a 70 km/sec. Un oggetto distante 10 Mpc scapperà a 700 km/sec, e così via.

tanto tempo fa galassia molto lontana

Strano, vero? Ma ecco dove le cose si fanno veramente strano. Esistono molti modi diversi per misurare la costante di Hubble. Uno è farlo localmente, osservando le galassie vicine, misurando sia le loro distanze che le loro velocità. Abbiamo molti modi per misurare entrambi (di cui parlerò un po' di più tra un momento). Quando lo fai, ottieni una costante Hubble di 73 km/sec/Mpc.

Un altro modo è guardare il presto Universo, a cose molto lontane. Circa 375.000 anni dopo la formazione dell'Universo, si era espanso abbastanza da diventare trasparente . Faceva ancora caldo e ora, oggi, vediamo quel calore residuo che permea l'intero cielo. Mentre l'Universo continuava ad espandersi, quel calore si raffreddava (puoi anche pensarlo come se la luce di quella palla di fuoco fosse stata spostato verso il rosso mentre l'Universo si espande lontano da noi). Ora lo vediamo come un bagliore continuo di microonde ovunque guardiamo.

Esaminando quel bagliore molto attentamente, possiamo imparare molto sulle condizioni dell'Universo di allora. Possiamo anche calcolare la costante di Hubble in questo modo e il numero che ottieni quando lo fai è di circa 67 km/sec/Mpc.

ehm. Attesa. Quei due numeri sono diversi. Questo e'imbarazzante.

È davvero. E peggiora. Tutti i metodi locali ottengono il numero più alto, e tutti quelli lontani, primitivi dell'Universo, ottengono il numero più piccolo. È come se l'Universo non fosse d'accordo con se stesso.

È come costruire un ponte attraverso un canyon, partendo da entrambe le estremità, solo per non far incontrare i due nel mezzo. Mi ricorda un po' il disegno 'Belvedere' di M. C. Escher. Non ha senso.

M. C. Escher

L'iconico 'Belvedere' di M. C. Escher, un edificio paradossale in cui la prospettiva è distorta in modo sconvolgente. Credito: M. C. Escher

In effetti, quando questi numeri sono stati determinati per la prima volta, non erano così lontani, perché l'incertezza nelle misurazioni era alta. Per un po' non abbiamo conosciuto la costante di Hubble entro un fattore due. Ma quando le misurazioni sono migliorate, abbiamo iniziato a vederle divise.

Ecco dove le cose si fanno divertenti: Un nuovo progetto ha cercato di inchiodare il numero locale. È stato guidato dal vecchio amico e collega studente universitario Adam Riess (che è stato determinante nello scoprire che l'espansione universale sta accelerando - più su Quello anche in un secondo — e ha guadagnato alcuni riconoscimenti decenti per questo). Hanno usato il telescopio spaziale Hubble per osservare un tipo di stella molto specifico, chiamato variabile Cefeide. Queste stelle si espandono e si contraggono nel tempo e diventano più luminose e più deboli mentre lo fanno. Un secolo fa si scoprì che il periodo, il tempo che impiegano per illuminarsi e attenuarsi, era legato alla quantità totale di energia che emanano.

È enorme: significa che se puoi misurare il loro periodo, puoi scoprire la loro luminosità. E poi se misuri quanto sono luminosi, puoi trovare la loro distanza ! Questo è cruciale, perché vediamo le Cefeidi in altre galassie, il che significa che ci danno un metodo per determinare le distanze di queste galassie. In effetti, è stata la squadra di Hubble a usarla per determinare le distanze di alcune galassie vicine negli anni '20.

La squadra di Riess ha guardato a 7 Cefeidi nella nostra galassia della Via Lattea e ha misurato non solo quanto fossero luminose, ma anche la loro parallasse, il loro apparente cambiamento di posizione mentre la Terra si muove intorno al Sole (per i dettagli, posso suggerire di guardare 'Corso accelerato di astronomia: distanze' ?). Misurando questo spostamento su diversi anni, possono ottenere molto distanze precise per queste stelle.

Un altro vantaggio è che usiamo Hubble per osservare queste Cefeidi in altre galassie, quindi questo mette tutte le osservazioni su un piano di parità; è più difficile ottenere tutto coerente quando si utilizzano osservatori diversi.

Una delle variabili Cefeidi, S Vulpeculae, osservata utilizzando Hubble. La sua distanza è risultata essere di 10.124 anni luce dalla Terra. Credito: Riess et al.Ingrandire

Una delle variabili Cefeidi, S Vulpeculae, osservata utilizzando Hubble. La sua distanza è risultata essere di 10.124 anni luce dalla Terra. Altre stelle contrassegnate sono state utilizzate per calibrare le misurazioni della distanza. Credito: Ries et al.

Quindi questo nuovo lavoro è stato in grado di rafforzare le misurazioni della distanza per queste Cefeidi della Via Lattea, che vanno da circa 5.500 a 12.000 anni luce di distanza. Usando queste misurazioni migliori per poi avviare la distanza dalle Cefeidi extragalattiche, il team di Riess ha scoperto che il valore locale della costante di Hubble è 73,48 ± 1,66 km/sec/Mpc, una variazione di circa il 4% rispetto al vecchio valore.

Ma la cosa più importante, davvero, è che hanno abbassato il incertezza in quel valore, il che significa che pensiamo che questo valore sia più accurato. Ciò a sua volta significa che il valore più basso trovato usando le misurazioni dell'Universo primordiale davvero è diverso. Non è solo che le nostre misurazioni sono traballanti; l'Universo ci sta davvero dicendo che le cose erano diverse allora. Le probabilità che ciò sia dovuto a una coincidenza oa qualcosa di non reale sono circa 1 su 4.600. Accetterò quella scommessa. Questo è vero.

Cosa significa tutto questo? Bene, in poche parole, significa che l'Universo sembra espandersi più rapidamente ora di quanto non abbia fatto in passato. Per essere chiari, lo sapevamo già : Gli astronomi hanno scoperto che l'espansione universale stava accelerando nel 1998 (Riess faceva parte di uno dei due team indipendenti che l'hanno trovata). Ma questi nuovi risultati sembrano indicare che l'accelerazione è persino maggiore di quanto pensassimo.

Questo è l'Hubble Ultra Deep Field, e quasi tutto ciò che vedi in esso è una galassia lontana, lontana miliardi di anni luce. Crediti NASA, ESA, H. Teplitz e M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) e Z.Ingrandire

Questo è l'Hubble Ultra Deep Field, e quasi tutto ciò che vedi in esso è una galassia lontana, lontana miliardi di anni luce. Credito: NASA, ESA, H. Teplitz e M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) e Z. Levay (STScI)

il cavaliere oscuro ritorna jolly

Quindi cosa fa? Quello significare? Questa è una buona domanda, per la quale ci sono troppe risposte possibili. È possibile che l'energia oscura, la strana entità dietro l'accelerazione, sia più forte del previsto. Forse cresce con il tempo; è un'idea che è stata lanciata in giro per un po'. Il fatto è che non sappiamo che diavolo di energia oscura è , di cosa è fatto o come si comporta. Queste nuove osservazioni potrebbero aiutare.

Ma potrebbe essere ancora qualcos'altro. Materia oscura gioca anche in questo: una qualche forma di materia che pensiamo non giochi bene con la materia e la luce normali, quindi è impossibile vedere direttamente. Supera la materia normale di un fattore 5 nell'Universo e sappiamo che è là fuori. Ma, se si comporta in qualche modo insolito, come magari interagendo un po' con la materia normale, potrebbe cambiare il modo in cui l'Universo stesso si evolve nel tempo.

Ecco la cosa: Non lo sappiamo . Tutto questo è piuttosto nuovo e spinge le nostre apparecchiature e le nostre teorie ai loro limiti. Ecco perché questo è ancora inchiodato. Ricorda, sappiamo che c'erano altre galassie solo da un centinaio di anni e che l'espansione sta accelerando negli ultimi 20 anni. Abbiamo appena iniziato a capirlo.

Ma la mia parte preferita di tutto questo è che noi volere capirlo. Questo è ciò che fanno gli umani; questo è ciò che fa la scienza. L'Universo è un posto piuttosto sconcertante, e il nostro cervello non è realmente evoluto per essere a suo agio a meditarlo. Ma è proprio per questo che abbiamo la scienza, per aiutarci a capire. Abbinalo alla matematica, all'ingegneria e alla nostra inarrestabile e insaziabile curiosità, e persino il cosmo stesso ci svelerà i suoi segreti.

L'Universo si sta espandendo più velocemente ogni giorno, ma lo è anche la nostra capacità di coltivarlo. Ci aggiorniamo.



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