Cosa c’è ai confini dell’universo?

È anche possibile che l’universo non sia uniforme oltre quello che possiamo vedere, e che le condizioni siano selvaggiamente diverse da luogo a luogo. Questa possibilità è il multiverso cosmologico. Non sappiamo se c’è un multiverso in questo senso, ma dato che non possiamo effettivamente vedere in un modo o nell’altro, è saggio mantenere una mente aperta.

Jo Dunkley

Professore, Fisica e Scienze Astrofisiche, Università di Princeton, la cui ricerca è in cosmologia e studia le origini e l’evoluzione dell’Universo

Ancora lo stesso!

Ok, quindi non pensiamo che ci sia un bordo dell’universo. Pensiamo che o continua all’infinito in tutte le direzioni, o forse è avvolto su se stesso in modo che non sia infinitamente grande, ma comunque non ha bordi. La superficie di una ciambella è così: non ha bordi. È possibile che anche l’intero universo sia così (ma in tre dimensioni – la superficie di una ciambella è solo bidimensionale). Ciò significa che si potrebbe partire in qualsiasi direzione nello spazio su un’astronave, e se si viaggiasse abbastanza a lungo si tornerebbe al punto di partenza. Nessun bordo.

Ma c’è anche una cosa che chiamiamo universo osservabile, che è la parte di spazio che possiamo effettivamente vedere. Il bordo di questo è il luogo oltre il quale la luce non ha avuto il tempo di raggiungerci dall’inizio dell’universo. Quello è solo il bordo di ciò che possiamo vedere, e oltre a questo c’è probabilmente più dello stesso materiale che possiamo vedere intorno a noi: superammassi di galassie, ogni enorme galassia contenente miliardi di stelle e pianeti.

Jessie Shelton

Professore assistente, Fisica e Astronomia, Università dell’Illinois Urbana-Champaign, la cui ricerca si concentra sull’astrofisica e la cosmologia

Dipende da cosa si intende per confine dell’universo. Poiché la velocità della luce è finita, man mano che guardiamo sempre più lontano nello spazio, guardiamo sempre più indietro nel tempo – anche quando guardiamo la galassia accanto, Andromeda, non vediamo quello che sta succedendo ora, ma quello che stava succedendo due milioni e mezzo di anni fa, quando le stelle di Andromeda emettevano la luce che i nostri telescopi stanno rilevando solo ora. La luce più antica che possiamo vedere proviene dalle zone più lontane, quindi, in un certo senso, il bordo dell’universo è quello che possiamo vedere nella luce più antica che ci raggiunge. Nel nostro universo, questo è il fondo cosmico a microonde – un debole, persistente bagliore del Big Bang, che segna quando l’universo si è raffreddato abbastanza da permettere la formazione degli atomi. Questa è chiamata la superficie dell’ultima dispersione, poiché segna il punto in cui i fotoni hanno smesso di ping-pong tra gli elettroni in un plasma caldo e ionizzato e hanno iniziato a scorrere nello spazio trasparente, fino a noi sulla Terra, attraverso miliardi di anni luce. Quindi si potrebbe dire che il bordo dell’universo è la superficie dell’ultima dispersione.

Cosa c’è al bordo dell’universo in questo momento? Beh, non lo sappiamo – non possiamo, dovremmo aspettare che la luce che viene emessa lì ora arrivi qui molti, molti miliardi di anni nel futuro, e dato che l’universo si sta espandendo sempre più velocemente, probabilmente non riuscirà ad arrivare affatto – ma possiamo fare un’ipotesi. Nelle scale più grandi, il nostro universo sembra più o meno lo stesso in qualsiasi direzione si guardi. Quindi è probabile che se tu fossi ai confini del nostro universo osservabile oggi, vedresti un universo che ha più o meno lo stesso aspetto del nostro – galassie, grandi e piccole, in tutte le direzioni. Quindi un’ottima ipotesi su cosa c’è ai confini dell’universo ora è semplicemente, più universo: più galassie, più pianeti, forse anche più esseri viventi che si pongono la stessa domanda.

Michael Troxel

Professore assistente, Fisica, Duke University le cui ricerche si concentrano sulla cosmologia osservativa e teorica

Nonostante l’Universo sia probabilmente di dimensioni infinite, esiste in realtà più di un “bordo” pratico.

Pensiamo che l’Universo sia effettivamente infinito – non ha un bordo. Se l’Universo è ‘piatto’ (come un foglio di carta), come abbiamo verificato che sia con una precisione migliore dell’1%, o ‘aperto’ (come una sella), allora è davvero infinito. Se è ‘chiuso’, che è un po’ come un pallone da basket, allora non è infinito. Tuttavia, se si va abbastanza lontano in una direzione, alla fine si finisce di nuovo al punto di partenza – basta pensare di muoversi lungo la superficie della palla. Come disse una volta uno hobbit di nome Bilbo, “La strada va sempre avanti e avanti/ fuori dalla porta dove è cominciata” (più e più volte…).

L’universo ha ancora un ‘margine’ per noi, però-due, in realtà. Questo è dovuto a una parte della Relatività Generale che dice che tutte le cose (inclusa la luce) nell’Universo hanno un limite di velocità – circa 670 milioni di miglia all’ora – e quel limite di velocità è lo stesso ovunque. Le nostre misurazioni ci dicono anche che l’Universo si sta espandendo in ogni direzione, e non solo espandendosi, ma espandendosi sempre più velocemente nel tempo. Ciò significa che quando osserviamo un oggetto molto lontano da noi, la luce di quell’oggetto impiega del tempo per raggiungerci (la distanza divisa per la velocità della luce). La cosa complicata è che, poiché lo spazio si sta espandendo mentre la luce viaggia verso di noi, la distanza che la luce deve percorrere sta anche aumentando nel tempo durante il suo percorso verso di noi.

Quindi la prima cosa che si potrebbe chiedere è qual è la distanza più lontana che potremmo osservare della luce da un oggetto se fosse emessa all’inizio dell’Universo (che ha circa 13,7 miliardi di anni). Questo risulta essere circa 47 miliardi di anni luce di distanza (un anno luce è circa 63.241 volte la distanza tra la Terra e il Sole), ed è chiamato “orizzonte comovente”. Si può anche porre la domanda in modo leggermente diverso. Se inviassimo un messaggio alla velocità della luce, qual è la distanza più lontana che qualcuno di un altro pianeta potrebbe mai ricevere? Questo è ancora più interessante, perché il tasso di espansione dell’Universo diventa più veloce nel futuro (invece di rallentare nel passato).

Si scopre che anche se il messaggio viaggiasse in eterno, sarebbe in grado di raggiungere solo qualcuno che si trova a 16 miliardi di anni luce da noi. Questo si chiama “orizzonte degli eventi cosmici”. Il pianeta più lontano che siamo stati in grado di osservare è solo a circa 25 mila anni luce di distanza, quindi potremmo ancora salutare tutti quelli che sappiamo che potrebbero esistere nell’Universo finora. La distanza più lontana che i nostri attuali telescopi possono aver identificato una galassia da noi è solo circa 13,3 miliardi di anni luce, però, quindi non possiamo vedere cosa c’è in nessuno di questi “bordi” al momento. Quindi nessuno sa cosa c’è su entrambi i bordi!

Abigail Vieregg

Professore assistente al Kavil Institute for Cosmological Physics dell’Università di Chicago

Utilizzando i telescopi sulla Terra, guardiamo la luce proveniente da luoghi lontani dell’universo. Più lontana è la fonte della luce, più tempo impiega quella luce per arrivare qui. Quindi, quando guardi luoghi lontani, stai guardando come erano quei luoghi quando la luce che hai visto è stata creata, non come sono quei luoghi oggi. Puoi continuare a guardare sempre più lontano, corrispondente a luoghi sempre più lontani nel tempo, fino a raggiungere un luogo corrispondente a poche centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang. Prima di allora, l’universo era così caldo e denso (ben prima che ci fossero stelle e galassie!) che qualsiasi luce nell’universo si agitava, e oggi non possiamo vederla con i nostri telescopi. Questo luogo è il bordo dell'”universo osservabile” – a volte chiamato orizzonte – perché non possiamo vedere oltre. Con il passare del tempo, questo orizzonte cambia. Se si potesse guardare da un altro pianeta in un altro punto dell’universo, presumibilmente si vedrebbe qualcosa di molto simile a quello che vediamo qui dalla Terra: il proprio orizzonte, limitato dal tempo trascorso dal Big Bang, dalla velocità della luce e da come l’universo si è espanso.

Come appare oggi il luogo che corrisponde all’orizzonte della Terra? Non possiamo saperlo, poiché possiamo vedere quel luogo solo come era subito dopo il Big Bang, non come è oggi. Tuttavia, tutte le misurazioni indicano che tutto l’universo che possiamo vedere, compreso il bordo dell’universo osservabile, assomiglia approssimativamente al nostro universo locale di oggi: con stelle, galassie e ammassi di galassie e molto spazio vuoto.

Pensiamo anche che l’universo sia molto molto più grande della parte di universo che oggi siamo in grado di vedere qui dalla Terra, e non c’è un “bordo” dell’universo stesso. È solo spazio-tempo in espansione.

Arthur B. Kosowsky

Professore, Fisica, Università di Pittsburgh, la cui ricerca si concentra sulla cosmologia e sulle relative questioni di fisica teorica

Una delle proprietà più fondamentali dell’universo è la sua età, che da una varietà di misure ora determiniamo essere 13,7 miliardi di anni. Poiché sappiamo anche che la luce si propaga ad una velocità costante, questo significa che un raggio di luce che è partito in un’epoca molto precoce ha percorso una particolare distanza al giorno d’oggi (chiamata “distanza dell’orizzonte” o “distanza di Hubble”). Poiché nulla si propaga più velocemente della velocità della luce, la distanza di Hubble è la distanza più lontana che possiamo osservare in linea di principio (a meno che non scopriamo un modo per aggirare la teoria della relatività!)

Abbiamo una fonte di luce che ci arriva da quasi la distanza di Hubble: la radiazione cosmica di fondo a microonde. Sappiamo che non esiste un “bordo” dell’universo fino alla distanza dell’origine del fondo a microonde, che è quasi l’intera distanza di Hubble da noi. Quindi di solito assumiamo che l’universo sia molto più grande del nostro volume di Hubble osservabile, e che qualsiasi bordo effettivo che potrebbe esistere sia molto più lontano di quanto possiamo mai osservare. Questo potrebbe plausibilmente non essere corretto: forse l’universo ha un bordo appena oltre la distanza di Hubble da noi, e oltre a questo ci sono i mostri marini. Ma dato che tutto l’universo che possiamo osservare sembra relativamente simile e uniforme, questo sarebbe uno stato di cose estremamente strano.

Perciò temo che non avremo mai una buona risposta alla domanda: l’universo potrebbe non avere affatto un bordo, e se ha un bordo, quel bordo è abbastanza lontano che la luce dal bordo non ha ancora avuto abbastanza tempo per arrivare a noi nell’intera storia dell’universo. Dobbiamo accontentarci di capire la parte dell’universo che possiamo effettivamente osservare.

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