Ecco come le galassie lontane si allontanano da noi a velocità superiori a quella della luce

lontano da noi e più la sua luce appare redshifted. Una galassia che si muove con l’Universo in espansione sarà anche un numero di anni luce più grande, oggi, del numero di anni (moltiplicato per la velocità della luce) che ha impiegato la luce emessa da essa per raggiungerci. Ma possiamo capire i redshift e i blueshift solo se li attribuiamo a una combinazione di effetti dovuti sia al movimento (relativistica speciale) sia al tessuto dello spazio in espansione (relatività generale). Larry McNish del RASC Calgary Center

Se guardi nell’Universo lontano, incontrerai galassie che sono lontane milioni, miliardi o anche decine di miliardi di anni luce. In media, più una galassia è lontana da te, più velocemente sembrerà allontanarsi da te. Questo si vede quando guardi i colori delle stelle presenti all’interno della galassia, così come le linee di emissione e di assorbimento inerenti alla galassia stessa: sembreranno sistematicamente spostate verso il rosso.

Finalmente, comincerai a vedere galassie che sono così lontane che la luce da loro sarà così gravemente spostata verso il rosso che sembreranno avvicinarsi, raggiungere e persino superare la velocità della luce oltre una certa distanza. Il fatto che questo sia ciò che vediamo realmente potrebbe farti mettere in discussione tutto ciò che pensavi di sapere sulla relatività, la fisica e l’universo. Eppure quello che vedi è reale; quei redshift non sono una bugia. Ecco cosa fa sì che quelle galassie lontane si spostino così pesantemente, e cosa significa veramente per la velocità della luce.

per passare in modo sensibilmente diverso per il viaggiatore rispetto alla persona che rimane in un quadro di riferimento costante. Tuttavia, è possibile confrontare orologi (tempo) e righelli (distanza) solo tra osservatori situati nello stesso evento (o insieme di coordinate spaziali e temporali) nell’Universo; gli osservatori separati da qualsiasi distanza devono fare i conti anche con le proprietà non piatte e non statiche dello spaziotempo. Twin Paradox, via http://www.twin-paradox.com/

L’idea della relatività è qualcosa che la maggior parte delle persone pensa di capire, ma è importante fare attenzione a quanto facilmente la teoria di Einstein può essere fraintesa. Sì, è vero che c’è una velocità ultima per gli oggetti nell’Universo: la velocità della luce nel vuoto, c, o 299.792.458 m/s. Solo le particelle con massa zero possono muoversi a quella velocità; tutto ciò che ha una massa reale e positiva può muoversi solo più lentamente della velocità della luce.

Ma quando parliamo di essere limitati dalla velocità della luce, stiamo implicitamente facendo un presupposto di cui la maggior parte di noi non si rende conto: stiamo parlando di un oggetto che si muove rispetto ad un altro nello stesso evento nello spaziotempo, cioè sono nella stessa posizione spaziale nello stesso momento nel tempo. Se si hanno due oggetti con coordinate spaziali diverse l’uno dall’altro, entra in gioco un altro fattore che non può assolutamente essere ignorato.

e al Sole nel nostro sistema solare, devono essere presi in considerazione per qualsiasi osservazione che un veicolo spaziale o un altro osservatorio potrebbe fare. Gli effetti della Relatività Generale, anche quelli sottili, non possono essere ignorati in applicazioni che vanno dall’esplorazione spaziale ai satelliti GPS a un segnale luminoso che passa vicino al Sole. NASA/JPL-Caltech, per la missione Cassini

Oltre al moto relativistico speciale, che si verifica relativamente alla coordinata dello spazio-tempo che si sta attualmente occupando, c’è anche un effetto che si manifesta solo quando si inizia a pensare in termini di relatività generale: la curvatura e l’evoluzione dello spazio-tempo stesso.

Mentre la relatività speciale ha luogo solo in uno spazio statico e non curvo, l’universo reale contiene materia ed energia. La presenza di materia/energia significa che gli oggetti nel nostro spaziotempo non possono essere statici e immutabili, ma vedranno le loro posizioni spaziali evolvere con il tempo man mano che il tessuto stesso dello spaziotempo si evolve. Se ti trovi nelle vicinanze di una grande massa, come una stella o un buco nero, lo spazio sarà curvo in modo da sperimentare un’accelerazione verso quella massa. Questo accade anche in assenza di movimento relativo al tessuto dello spazio stesso; lo spazio si comporta come un fiume che scorre o una passerella in movimento, trascinando tutti gli oggetti con sé mentre scorre.

Nel buco nero di Schwarzschild, lo spazio scorre come una passerella in movimento o una cascata, a seconda di come lo si vuole visualizzare. All’orizzonte degli eventi, anche se tu corressi (o nuotassi) alla velocità della luce, non ci sarebbe modo di superare il flusso di spazio-tempo, che ti trascina nella singolarità al centro. Fuori dall’orizzonte degli eventi, però, altre forze (come l’elettromagnetismo) possono spesso superare l’attrazione della gravità, facendo scappare anche la materia in caduta libera. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

In un Universo riempito di materia in modo approssimativamente uniforme, in particolare sulle scale più grandi, i cambiamenti che lo spaziotempo subisce si applicano su scale dell’intero Universo osservabile. In particolare, un Universo riempito in modo omogeneo (lo stesso in tutti i luoghi) e isotropo (lo stesso in tutte le direzioni) non può rimanere statico, ma deve espandersi o contrarsi.

Quando Alexander Friedmann derivò per la prima volta nel 1922 le equazioni che richiedevano questa soluzione, fu prestata poca attenzione alla cosa. Cinque anni dopo, in modo del tutto indipendente, Georges Lemaître arrivò alla stessa soluzione, che inviò immediatamente a Einstein stesso. Dopo averla ricevuta, Einstein non poteva trovare alcun difetto nel lavoro, ma non poteva accettare la sua conclusione, dichiarando notoriamente: “i suoi calcoli sono corretti, ma la sua fisica è abominevole”. Ma la sua fisica non era abominevole; era la chiave per sbloccare l’Universo.

che brilla attraverso le nubi interstellari. Le stelle variabili esistono in molte varietà; una di queste, le variabili Cefeidi, può essere misurata sia all’interno della nostra galassia che in galassie distanti fino a 50-60 milioni di anni luce. Questo ci permette di estrapolare le distanze dalla nostra galassia a quelle molto più lontane nell’Universo. Altre classi di stelle individuali, come una stella sulla punta dell’AGB o una variabile RR Lyrae, possono essere usate al posto delle Cefeidi, ottenendo risultati simili e lo stesso enigma cosmico sul tasso di espansione. NASA, ESA, e l’Hubble Heritage Team

Proprio nello stesso periodo – negli anni ’10 e ’20 – gli astronomi avevano appena acquisito la capacità tecnica di effettuare due misurazioni chiave su oggetti deboli e distanti.

1. Utilizzando la tecnica della spettroscopia, in cui la luce di un oggetto può essere scomposta nelle sue singole lunghezze d’onda, gli astronomi potevano identificare la firma sicura di specifici atomi: linee di assorbimento ed emissione che si presentano a lunghezze d’onda specifiche. Basandosi sullo spostamento sistematico di queste linee spettrali, sia verso il rosso che verso il blu dello stesso fattore complessivo, gli astronomi potrebbero misurare il redshift totale (o blueshift) di un oggetto lontano, come una galassia.
2. Individuando proprietà specifiche di un oggetto lontano che ti dicono le sue proprietà intrinseche, come la luminosità intrinseca di una stella o la dimensione reale di una galassia, così come la luminosità apparente o il diametro angolare apparente, gli astronomi potrebbero poi dedurre la distanza di quell’oggetto.

gli oggetti che osserviamo mostrano le firme spettrali di assorbimento o emissione di particolari atomi, ioni o molecole, ma con uno spostamento sistematico verso il rosso o il blu dello spettro luminoso. In combinazione con le misure di distanza di Hubble, questi dati hanno dato origine all’idea iniziale dell’Universo in espansione: più una galassia è lontana, più la sua luce è spostata verso il rosso. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

Combinando entrambe le serie di osservazioni, cosa che gli scienziati iniziarono a fare verso la fine degli anni ’20, emerse un chiaro schema: più lontana era la distanza di una galassia, maggiore era il suo redshift. Questa era solo una tendenza generale, poiché le singole galassie sembravano avere ulteriori redshift e bluesift sovrapposti a questa tendenza generale, ma la tendenza generale rimaneva chiara.

Specificamente, gli “extra” redshift e bluesift che appaiono sono sempre indipendenti dalla distanza, e corrispondono a velocità che vanno da decine a centinaia a poche migliaia di chilometri al secondo, ma non più veloci. Tuttavia, quando si osservano galassie che sono al doppio della distanza di una galassia più vicina, il redshift medio è doppio rispetto a quello delle galassie più vicine. A 10 volte la distanza, il redshift è 10 volte più grande. E questa tendenza continua fin dove siamo disposti a guardare, da milioni a decine di milioni a centinaia di milioni a miliardi di anni luce di distanza.

espansione dell’Universo, seguita da osservazioni successivamente più dettagliate, ma anche incerte. Il grafico di Hubble mostra chiaramente la relazione redshift-distanza con dati superiori ai suoi predecessori e concorrenti; gli equivalenti moderni vanno molto più lontano. Si noti che le velocità peculiari rimangono sempre presenti, anche a grandi distanze. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

Come si può vedere, la tendenza è che questa relazione – tra il redshift misurato e la distanza – continua per distanze straordinarie. La relazione redshift-distanza, nota da generazioni come legge di Hubble (recentemente rivista in legge di Hubble-Lemaître) ma scoperta indipendentemente sia da Lemaître che da Howard Robertson prima che Hubble la pubblicasse, è stata una delle relazioni empiriche più solide mai scoperte in astronomia.

L’interpretazione standard di questa tendenza, compresi gli extra redshift e blueshift che sono inerenti ad ogni singolo oggetto, è che ci sono due parti nei redshift e/o blueshift di ogni oggetto.

1. La componente che è dovuta all’espansione generale dell’Universo, la relazione redshift-distanza, è responsabile della maggior parte del redshifting, in particolare alle grandi distanze.
2. La componente dovuta al moto di ogni singola galassia nello spazio, che rappresenta le perturbazioni “extra” in cima alla linea di tendenza principale, è dovuta al moto relativistico speciale rispetto al tessuto in espansione dello spazio.

regioni sottodense (blu/nere) dell’Universo vicino a noi. Le linee e le frecce illustrano la direzione dei flussi di velocità peculiari, che sono le spinte e gli attriti gravitazionali sulle galassie intorno a noi. Tuttavia, tutti questi movimenti sono incorporati nel tessuto dello spazio in espansione, quindi un redshift o blueshift misurato/osservato è la combinazione dell’espansione dello spazio e del movimento di un oggetto distante e osservato. Cosmografia dell’universo locale – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

I moti relativistici speciali sono facili da capire: causano uno spostamento della lunghezza d’onda della luce nello stesso modo in cui un camioncino dei gelati in movimento causa uno spostamento della lunghezza d’onda del suono che arriva al tuo orecchio. Il camioncino dei gelati che si muove verso di voi avrà le sue onde sonore che arrivano a voi in modo compresso, con un tono più alto, analogo allo spostamento verso il blu della luce. Quando si allontana da voi, c’è più spazio tra ogni cresta d’onda, e quindi il suono è più basso, analogo ad un redshift.

Ma l’espansione dello spazio gioca un ruolo più importante, in particolare su scale più grandi. Se si immagina il tessuto dello spazio come una palla di pasta, con l’uva passa in tutto il tessuto (che rappresenta strutture legate gravitazionalmente come le galassie), allora ogni uva passa vedrà l’uva passa vicina allontanarsi lentamente in modo omnidirezionale. Ma più l’uvetta è lontana, più velocemente sembra allontanarsi, anche se l’uvetta non si sta muovendo rispetto all’impasto. L’impasto si sta espandendo proprio come il tessuto dello spazio si sta espandendo, e tutto ciò che possiamo fare è visualizzare il redshift totale.

Universo, dove le distanze relative aumentano con l’espandersi dello spazio (impasto). Più lontano sono due chicchi d’uva l’uno dall’altro, maggiore sarà il redshift osservato al momento della ricezione della luce. La relazione redshift-distanza prevista dall’Universo in espansione è confermata dalle osservazioni, ed è stata coerente con ciò che è stato conosciuto fin dagli anni ’20. NASA / WMAP Science Team

Se si misura il valore del tasso di espansione, si trova che può essere espresso in termini di velocità per unità di distanza. Per esempio, dalla scala delle distanze cosmiche, si ricava un valore di H0, il tasso di espansione, che è 73 km/s/Mpc. (Usando il fondo cosmico a microonde o le caratteristiche della struttura su larga scala si ottiene un valore simile ma leggermente inferiore: 67 km/s/Mpc.

In entrambi i casi, c’è una distanza critica in cui la velocità apparente di recessione di una galassia supera la velocità della luce: circa una distanza di 13-15 miliardi di anni luce. Oltre questa distanza, le galassie sembrano allontanarsi più velocemente della luce, ma questo non è dovuto a un effettivo movimento superluminale, ma piuttosto al fatto che lo spazio stesso si sta espandendo, il che causa il redshift della luce degli oggetti lontani. Quando esaminiamo i sofisticati dettagli di questa relazione, possiamo inequivocabilmente concludere che la spiegazione del “movimento” non corrisponde ai dati.

spiegazione del redshift/distanze (linea tratteggiata) e le previsioni della relatività generale (solido) per le distanze nell’Universo in espansione. Definitivamente, solo le previsioni della relatività generale corrispondono a ciò che osserviamo. Wikimedia Commons user Redshiftimprove

L’Universo è davvero in espansione, e la ragione per cui vediamo la luce di oggetti lontani con un così grave redshift è dovuta al tessuto in espansione dello spazio, non al movimento delle galassie nello spazio. In verità, le singole galassie si muovono nello spazio a velocità relativamente basse: tra lo 0,05% e l’1,0% della velocità della luce, non di più.

Ma non è necessario guardare a distanze molto grandi – 100 milioni di anni luce sono assolutamente sufficienti – prima che gli effetti dell’Universo in espansione diventino innegabili. Le galassie più lontane a noi visibili si trovano già a più di 30 miliardi di anni luce di distanza, poiché l’Universo continua ad espandersi e ad allungare quella luce ultra-distante prima che arrivi ai nostri occhi. Passando dall’era di Hubble a quella di James Webb, speriamo di spingere questa frontiera ancora più indietro. Tuttavia, non importa quanto lontano saremo in grado di vedere, la maggior parte delle galassie dell’Universo sarà per sempre fuori dalla nostra portata.

porzioni dell’Universo, che sono quello che sono grazie all’espansione dello spazio e alle componenti energetiche dell’Universo. Il 97% delle galassie all’interno del nostro Universo osservabile sono contenute al di fuori del cerchio magenta; sono irraggiungibili da noi oggi, anche in linea di principio, anche se possiamo sempre vederle nel loro passato grazie alle proprietà della luce e dello spaziotempo. E. Siegel, basato sul lavoro degli utenti di Wikimedia Commons Azcolvin 429 e Frédéric MICHEL

Tutte le galassie dell’Universo oltre una certa distanza sembrano allontanarsi da noi a velocità superiori a quelle della luce. Anche se emettessimo un fotone oggi, alla velocità della luce, non raggiungerebbe mai nessuna galassia oltre quella specifica distanza. Ciò significa che qualsiasi evento che accade oggi in quelle galassie non sarà mai osservabile da noi. Tuttavia, non è perché le galassie stesse si muovono più velocemente della luce, ma piuttosto perché il tessuto dello spazio stesso si sta espandendo.

Nei 7 minuti che hai impiegato per leggere questo articolo, l’Universo si è espanso a sufficienza in modo che altre 15.000.000 di stelle hanno superato la soglia della distanza critica, diventando per sempre irraggiungibili. Sembrano muoversi più velocemente della luce solo se insistiamo su una spiegazione puramente relativistica del redshift, una strada sciocca da percorrere in un’epoca in cui la relatività generale è ben confermata. Ma porta a una conclusione ancora più scomoda: dei 2 trilioni di galassie contenute nel nostro Universo osservabile, solo il 3% di esse è attualmente raggiungibile, anche alla velocità della luce.

Se ci interessa esplorare la massima quantità di Universo possibile, non possiamo permetterci di ritardare. Con ogni momento che passa, un’altra possibilità di incontrare la vita intelligente sfugge per sempre alla nostra portata.

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