Il paradosso delle distanze cosmiche

L’ispirazione per l’articolo di oggi mi è venuta da un post su un gruppo internazionale di astronomia su Facebook. Giustamente, una persona si era posta un problema non da poco.

Se l’universo ha 13,7 miliardi di anni, come mai noi possiamo vedere oggetti lontani 45 miliardi di anni luce?

La domanda è più che legittima, in quanto se assumiamo che la velocità della luce sia una costante dell’universo, come in effetti è, allora noi dovremmo vedere oggetti lontani al massimo 13,7 miliardi di anni luce.

Questo paradosso, che in realtà tale non è come vedremo tra poco, è dovuto al fatto che stiamo trascurando l’espansione dell’universo. Come aveva infatti scoperto Edwin Hubble, le galassie si allontanano l’una dall’altra tanto più velocemente tanto più sono distanti. All’epoca, fu una scoperta di carattere eccezionale che aveva rivoluzionato la comprensione del cosmo.

La posizione delle galassie non cambia, ma viene creato nuovo spazio tra di esse continuamente. L’esempio del palloncino che viene gonfiato aiuta a capire questo importante concetto.

Tale espansione, tuttavia, non è dovuta ad un qualche tipo di moto delle galassie, ma alla creazione di nuovo spazio tra di esse. Come analogia, pensate ad un palloncino con tanti punti disegnati sopra. Se voi lo gonfiate, vedrete aumentare la distanza tra i punti man mano che la superficie del palloncino si espande, ma in realtà i punti non si sono mossi dalla loro posizione originale, ma è stato creato nuovo spazio tra di loro.

Nuovo spazio viene generato ovunque, anche all’interno della nostra galassia. Il motivo per cui però essa non viene disgregata è che a livello locale, all’interno di strutture molto dense come possono essere le galassie appunto, prevale la reciproca forza di gravità delle stelle. Ma a livello cosmologico, esiste questa spinta repulsiva che allontana le galassie le une dalle altre. Tale spinta sarebbe dovuta in parte all’inerzia del Big Bang, l’esplosione primordiale, e in parte all’azione repulsiva dell’energia oscura, una nuova forma di energia ipotizzata che spiegherebbe l’accelerazione del tasso di espansione dell’universo.

Per comprendere il nostro apparente paradosso, osservate l’immagine qui sopra. Alla base di questo diagramma abbiamo l’universo cica 13 miliardi di anni fa, mentre al livello della linea arancione abbiamo l’universo oggi. Ogni parallelo corrisponde ad un miliardo di anni di tempo, mentre ogni meridiano corrisponde ad una distanza comovente di un miliardo di anni luce. Come vedete, lo spazio si è espanso nell’arco di 13 miliardi di anni. Un raggio di luce, identificato dalla linea rossa, ha iniziato il suo viaggio da una remota sorgente primordiale. La sorgente, la quale all’epoca si trovava a 700 milioni di anni luce dalla materia che un giorno avrebbe formato la Terra, ha seguito la traiettoria identificata dalla linea gialla, mentre noi siamo sulla linea verde. Alla nostra epoca, la sorgente si trova a circa 28 miliardi di anni luce e la vera distanza istantanea è indicata dalla linea arancione, mentre il cammino vero del raggio di luce è quello della linea rossa, che non viola mai la velocità della luce.

La Teoria della Relatività afferma che le regole della relatività generale sono localmente valide in piccole porzioni dello spazio-tempo sufficientemente piatte, e all’interno di queste piccole porzioni i raggi di luce formano un angolo di 45° con paralleli e meridiani, percorrendo quindi sempre un miliardo di anni luce in un miliardo di anni, mantenendo costante la velocità della luce.

Volendo semplificare ulteriormente, il nostro concetto di misura quotidiano presuppone l’utilizzo di uno strumento, come un metro, per misurare la lunghezza di un oggetto le cui dimensioni però non cambiano. Il tavolo che state misurando non si allunga nel tempo in cui voi stendete il metro tra i suoi estremi. Nell’universo, invece, ogni informazione viaggia alla velocità massima che è pari alla velocità della luce. Quindi, nell’arco di tempo che impiega la luce ad arrivare fino a noi, la sorgente si sposta: nell’istante in cui effettuiamo la misura, l’altra estremità si è già spostata. Per distanze galattiche, questo non rappresenta un grande problema ed è corretto calcolare la distanza usando i classici concetti di fisica che applichiamo anche sulla Terra, ma più ci allontaniamo e più la distanza calcolata in questo modo diverge da quella reale, a causa dell’espansione dell’universo. In questi casi bisogna usare nuove formule più complicate che tengono conto anche dell’espansione metrica dello spazio e che restituiscono il risultato corretto.

In aggiunta, giusto per rendere le cose ancora più interessanti, il tasso di espansione dell’universo non è rimasto costante nelle varie epoche, e ciò rende i calcoli ancora più complessi.

L’universo, che possiede una età pari a cica 13,7 miliardi di anni, non è affatto grande 13,7 miliardi di anni luce ma possiede un diametro di 92 miliardi di anni luce!