Velocità di espansione
Come si procede al calcolo della velocità di espansione dell'universo, e cosa accade quando tocca il punto di massimo?
Risposte
la velocità d'espansione dell'universo è oggetto di misura (costante di Hubble), e si fonda sullo spostamento verso il rosso delle righe spettrali della luce emessa dalle stelle. Intorno al '97 si è raggiunta la convinzione che l'universo stia accelerando (la velocità di espansione sta aumentando da alcuni miliardi di anni, per effetto dell'energia oscura), e dotato di geometria piatta (densità media uguale a quella critica). Le attuali teorie prevedono per tale modello un'espansione eterna.
Vorrei dare il mio contributo su come ho capito io la questione.
Prima di tutto un fatto fondamentale :
l'espansione dell'universo è una ipotesi che non è possibile, ovviamente, verificare con misure dirette.
Quindi l'espansione è solo un'ipotesi !!
Questo perchè non è possibile, al momento, misurare la distanza delle galassie "lontane" (quelle più interessanti perchè lontane anche nel tempo ...) e non è possibile vederle allontanarsi fra loro.
Come si è giunti allora ad ipotizzare che l'universo si espande ?
I dati sperimentali che hanno portato a questa ipotesi sono il red-shift delle galassie e la radiazione cosmica di fondo.
Osservando le galassie si vede che esse hanno uno spettro spostato verso il rosso (alcune, tipo Andromeda, del nostro gruppo locale, ce l'hanno invece verso il blu ...).
Questo fatto sperimentale (che risale a Hubble negli anni '20) può essere interpretato in vari modi.
1) polveri cosmiche che si intrapongono fra noi e le galassie e che farebbero da filtro alla luce da loro emesse
2) forte campo gravitazionale presente sulle galassie stesse che, secondo la teoria della relatività generale (RG), farebbe sì che la luce emessa dalle medesime giungerebbe a noi deviata verso il rosso (red-shift gravitazionale)
3) l'effetto Doppler (lo stesso del fischio del treno ...). Le galassie potrebbero allontanarsi da noi per cui la frequanza della luce da loro emessa ci perverrebbe diminuita (quindi più rossa)
4) eventuali altre ipotesi che non conosco ... la fantasia umana è grande ...
Orbene, analizzando tutti i pro e i contro si giunge alla conclusione che nessuna di queste ipotesi è sufficientemente valida (anche quella dell'effetto Doppler !!!).
Rimane allora una possibilità molto avvincente.
Che l'universo si espande sì, ma non dinamicamente !!!! Ad espandersi, invece, sarebbe la "geometria", la "metrica". E che questa espansione sarebbe in ogni punto dell'universo non essendo noi con ogni probabilità al centro dell'universo ...
Questa espansione della metrica farebbe sì che si verificasse un red-shift COME per l'effetto Doppler. Non si tratterebbe di un vero e proprio effetto Doppler, ma qualcosa che ad esso può assomigliare ...
Mi spiego megio. Dalla Terra vediamo le galassie più rosse in ogni direzione noi osserviamo. Qui ma anche in Nuova Zelanda ...
Allora, non potendo pensare di essere noi al centro dell'universo, dobbiamo pensare invece che se fossimo in qualunque altro pianeta dell'universo vedremmo lo stesso fenomeno : galassie rosse in tutte le direzioni.
Questo concetto, non facile da comprendere, equivale ad una nuova rivoluzione copernicana ...
Ecco allora che, grazie alla RG, si fanno ipotesi di come la metrica (rappresentata matematicamente dal tensore metrico g(i,k), soluzione dell'equazione gravitazionale di Einstein) possa verosimilmente espandersi e poi si va a vedere se i red-shift previsti dal modello matematico si riscontrano effettivamente nelle osservazioni.
E qui scatta il grosso problema di come verificare i modelli. Siccome un modello, in base al tipo di espansione, prevede che si abbia un certo red-shift per galassie ad una certa distanza da noi, mentre il red-shift lo possiamo misurare facilmente, la distanza delle galassie da noi è un enorme problema !!!!
Non possiamo fare triangolazioni sull'orbita terrestre perchè la base è troppo piccola. Sulle galassie vicine ci vengono in aiuto le Cefeidi (sorta di stelle variabili di cui conosciamo il rapporto luminosità/periodo alla sorgente per cui siamo in grado di fare misure di distanza) che fungono così da "candele" cosmiche.
Ma per le galassie lontane (le più interessanti) ? Sono così lontane ed i nostri strumenti sono così poco efficienti che non possiamo vedere al loro interno le Cefeidi. Brutto affare ...
Recentemente abbiamo scoperto altri tipi di candele più potenti : certe supernove. Esse sono così potenti che possono essere viste in galassie molto più lontane rispetto al discorso con le Cefeidi.
Ecco allora, grazie alle nuove candele cosmiche, la grande (e stupefacente) sorpresa dell'espansione accelerata (positivamente) dell'universo.
Nessuno se la sarebbe aspettata perchè la gravità (almeno quella che conosciamo) è attrattiva per cui, prima o poi, l'espansione dovrebbe fermarsi ...
Come spiegare questa espansione accelerata ?
Matematicamente con l'aggiunta della costante cosmologica lamda nell'equazione di Einstein e fisicamente con l'esistenza di una energia ancora misteriosa (l'energia oscura, appunto) che avrebbe qualità repulsive ...
C'è poi il discorso della radiazione cosmica di fondo. Se l'universo si espande, allora la radiazione elettromagnetica che in esso viaggia (e che sarebbe stata prodotta quando l'universo era, sempre secondo le ipotesi, molto più compresso, quindi caldo e luminoso) dovrebbe risultare sempre più rossa ...
La temperatura della radiazione cosmica di fondo (detta anche fossile) dovrebbe allora "combinare" con il modello teorico ...
In conclusione, la fisica (come diceva Einstein) è come il lavoro di un detective : molti sono gli indizi e bisogna trovare una teoria che li spieghi possibilmente tutti ... e che, magari, ne preveda altri ...
Ciao. Arrigo.
ps. scusate la lunghezza del post, ma ci sarebbe da scrivere per ore e saremmo solo al punto di partenza, perchè, con la questione della massa e dell'energia oscura (assieme il 95% o giù di lì di tutto l'universo ...) la fisica sarà tutta di riscrivere ...
Prima di tutto un fatto fondamentale :
l'espansione dell'universo è una ipotesi che non è possibile, ovviamente, verificare con misure dirette.
Quindi l'espansione è solo un'ipotesi !!
Questo perchè non è possibile, al momento, misurare la distanza delle galassie "lontane" (quelle più interessanti perchè lontane anche nel tempo ...) e non è possibile vederle allontanarsi fra loro.
Come si è giunti allora ad ipotizzare che l'universo si espande ?
I dati sperimentali che hanno portato a questa ipotesi sono il red-shift delle galassie e la radiazione cosmica di fondo.
Osservando le galassie si vede che esse hanno uno spettro spostato verso il rosso (alcune, tipo Andromeda, del nostro gruppo locale, ce l'hanno invece verso il blu ...).
Questo fatto sperimentale (che risale a Hubble negli anni '20) può essere interpretato in vari modi.
1) polveri cosmiche che si intrapongono fra noi e le galassie e che farebbero da filtro alla luce da loro emesse
2) forte campo gravitazionale presente sulle galassie stesse che, secondo la teoria della relatività generale (RG), farebbe sì che la luce emessa dalle medesime giungerebbe a noi deviata verso il rosso (red-shift gravitazionale)
3) l'effetto Doppler (lo stesso del fischio del treno ...). Le galassie potrebbero allontanarsi da noi per cui la frequanza della luce da loro emessa ci perverrebbe diminuita (quindi più rossa)
4) eventuali altre ipotesi che non conosco ... la fantasia umana è grande ...
Orbene, analizzando tutti i pro e i contro si giunge alla conclusione che nessuna di queste ipotesi è sufficientemente valida (anche quella dell'effetto Doppler !!!).
Rimane allora una possibilità molto avvincente.
Che l'universo si espande sì, ma non dinamicamente !!!! Ad espandersi, invece, sarebbe la "geometria", la "metrica". E che questa espansione sarebbe in ogni punto dell'universo non essendo noi con ogni probabilità al centro dell'universo ...
Questa espansione della metrica farebbe sì che si verificasse un red-shift COME per l'effetto Doppler. Non si tratterebbe di un vero e proprio effetto Doppler, ma qualcosa che ad esso può assomigliare ...
Mi spiego megio. Dalla Terra vediamo le galassie più rosse in ogni direzione noi osserviamo. Qui ma anche in Nuova Zelanda ...
Allora, non potendo pensare di essere noi al centro dell'universo, dobbiamo pensare invece che se fossimo in qualunque altro pianeta dell'universo vedremmo lo stesso fenomeno : galassie rosse in tutte le direzioni.
Questo concetto, non facile da comprendere, equivale ad una nuova rivoluzione copernicana ...
Ecco allora che, grazie alla RG, si fanno ipotesi di come la metrica (rappresentata matematicamente dal tensore metrico g(i,k), soluzione dell'equazione gravitazionale di Einstein) possa verosimilmente espandersi e poi si va a vedere se i red-shift previsti dal modello matematico si riscontrano effettivamente nelle osservazioni.
E qui scatta il grosso problema di come verificare i modelli. Siccome un modello, in base al tipo di espansione, prevede che si abbia un certo red-shift per galassie ad una certa distanza da noi, mentre il red-shift lo possiamo misurare facilmente, la distanza delle galassie da noi è un enorme problema !!!!
Non possiamo fare triangolazioni sull'orbita terrestre perchè la base è troppo piccola. Sulle galassie vicine ci vengono in aiuto le Cefeidi (sorta di stelle variabili di cui conosciamo il rapporto luminosità/periodo alla sorgente per cui siamo in grado di fare misure di distanza) che fungono così da "candele" cosmiche.
Ma per le galassie lontane (le più interessanti) ? Sono così lontane ed i nostri strumenti sono così poco efficienti che non possiamo vedere al loro interno le Cefeidi. Brutto affare ...
Recentemente abbiamo scoperto altri tipi di candele più potenti : certe supernove. Esse sono così potenti che possono essere viste in galassie molto più lontane rispetto al discorso con le Cefeidi.
Ecco allora, grazie alle nuove candele cosmiche, la grande (e stupefacente) sorpresa dell'espansione accelerata (positivamente) dell'universo.
Nessuno se la sarebbe aspettata perchè la gravità (almeno quella che conosciamo) è attrattiva per cui, prima o poi, l'espansione dovrebbe fermarsi ...
Come spiegare questa espansione accelerata ?
Matematicamente con l'aggiunta della costante cosmologica lamda nell'equazione di Einstein e fisicamente con l'esistenza di una energia ancora misteriosa (l'energia oscura, appunto) che avrebbe qualità repulsive ...
C'è poi il discorso della radiazione cosmica di fondo. Se l'universo si espande, allora la radiazione elettromagnetica che in esso viaggia (e che sarebbe stata prodotta quando l'universo era, sempre secondo le ipotesi, molto più compresso, quindi caldo e luminoso) dovrebbe risultare sempre più rossa ...
La temperatura della radiazione cosmica di fondo (detta anche fossile) dovrebbe allora "combinare" con il modello teorico ...
In conclusione, la fisica (come diceva Einstein) è come il lavoro di un detective : molti sono gli indizi e bisogna trovare una teoria che li spieghi possibilmente tutti ... e che, magari, ne preveda altri ...
Ciao. Arrigo.
ps. scusate la lunghezza del post, ma ci sarebbe da scrivere per ore e saremmo solo al punto di partenza, perchè, con la questione della massa e dell'energia oscura (assieme il 95% o giù di lì di tutto l'universo ...) la fisica sarà tutta di riscrivere ...
Finalmente anche un po' di cosmologia.
Lore, ti prego, ti scongiuro, mi metto in ginocchio: non dire nulla!
Ovviamente scherzo.
Lore, ti prego, ti scongiuro, mi metto in ginocchio: non dire nulla!
Ovviamente scherzo.
Accedi a tutti gli appunti
Tutor AI: studia meglio e in meno tempo