Mag 10

Ciò che vediamo nell’Universo */**

Per una trattazione completa di questo argomento, si consiglia di leggere il relativo approfondimento, in cui è stato inserito anche il presente articolo.

 

Siamo fortunati o sfortunati nel vedere il Cosmo? Per i più grandi **

Poniamoci una domanda: “Siamo particolarmente fortunati ad essere stati raggiunti dalla RCF (Radiazione Cosmica di Fondo) in un momento della nostra evoluzione in cui abbiamo le capacità tecniche di rilevarla? Rispondiamo ai più “grandi” tenendo conto dell’espansione dell’Universo e parlando in modo abbastanza serioso (anche se semplice).

In realtà, la domanda appare più che giustificata quando si pensa che la radiazione cosmica di fondo ha agito 380000 anni dopo il Big Bang e non è certo durata per miliardi di anni, ma solo per un intervallo abbastanza modesto di tempo. Si potrebbe allora dire: “Se è avvenuta in un certo momento della storia dell’Universo, e ciò che vediamo oggi è la luce che ha emesso in quel momento, allora vuol proprio dire che ci siamo trovati nel posto giusto, al momento giusto e con la tecnologia giusta. Qualche milioni di anni fa la luce non sarebbe ancora arrivata e tra qualche milioni di anni la luce ci avrebbe già superato”.

Il discorso sembrerebbe non fare una grinza e - oltretutto- è avvalorato da molti casi ben conosciuti.

Prendiamo, ad esempio, l’esplosione della stella che ha dato luogo alla  nebulosa del Granchio. Fu osservata a occhio nudo dai cinesi nel 1054 d.C., proprio nel momento in cui esplose come supernova. Accidenti, potremmo dire, se fosse avvenuta qualche secolo dopo l’avremmo potuta osservare con lo Space Telescope e chissà quante cose avremmo imparato. Invece, purtroppo, OGGI ci dobbiamo accontentare della nebulosa che ha creato e della stella di neutroni al suo centro. Abbiamo perso l’attimo fuggente. Che sfortuna!

Siamo stati, invece, fortunati con altre supernove e, soprattutto, con la RCF?

Non facciamo confusione: la fortuna o sfortuna nel vedere un’esplosione di brevissima durata non ha niente a che vedere con la RCF e  -se fosse possibile osservarlo- con la visione stessa del Big Bang. Perché questa differenza? Presto detto: “La supernova è avvenuta in un punto e in un momento ben preciso della storia dell’Universo, l’emissione della RCF in un momento abbastanza preciso, ma in TUTTO l’Universo di 380000 anni d’età (così come il Big Bang era TUTTO l’Universo in quel momento)

Potrebbe bastare questa frase per far comprendere l’enorme differenza. Tuttavia, diamone una spiegazione molto semplificata, ma abbastanza esauriente.

Cominciamo con una supernova qualsiasi o, se volete, con un qualsiasi fenomeno di breve durata perfettamente localizzato nello Spazio. Usiamo la solita rappresentazione di cerchi concentrici che simulano l’espansione dell’Universo nel piano del foglio. Attenzione però: in questo modo semplificato, il tempo scorre in modo radiale a partire dal centro (il Big Bang), mentre lo Spazio è rappresentato in una sola dimensione lungo la circonferenza di centro il Big Bang e di raggio uguale al tempo trascorso dal momento iniziale.

Consideriamo la Fig. 1 e sull’asse delle ascisse (tempo) mettiamo la nostra Terra.

Figura 1
Figura 1

BB è il Big Bang (tempo = 0). La stella S nasce e l’Universo in quel momento è il cerchio che passa per essa. Noi (T), che scorriamo lungo l’asse del tempo, non esistiamo ancora. La stella S è costretta a muoversi in senso radiale dato che l’Universo si espande. Ad un certo momento la stella esplode come supernova (SN). Noi esistiamo già (intesi come Terra) e siamo abbastanza vicini a lei. A quale distanza? Le distanze si misurano nello spazio e lungo il cerchio che contiene la stella e T. Quindi sarà proprio l’arco di cerchio SN-T.

Al momento dell’esplosione di S (SN) la luce si dirige alla sua velocità FINITA verso di noi (freccia rossa). Tuttavia, mentre lei cerca di raggiungerci, l’Universo si espande e i fotoni sono obbligati a seguire anch’essi questa espansione. L’espansione costringe un oggetto fermo (come SN) ad andare lungo la retta radiale BB-SN. La luce deve invece seguire sia questa direzione (freccia verde) che quella che la porterebbe verso T.

Notate che se non ci fosse espansione la luce arriverebbe a T in breve tempo, dovendo percorrere solo la distanza SN-T. Ma così non è. Quando la stella si sarà trasformata in stella di neutroni N1 e la Terra sarà arrivata in T1 , la luce (ossia i fotoni emessi da SN) sarà giunta solo in L1 (questa posizione è stata costruita sommando “vettorialmente” le frecce rossa e verde). Se tutto si fermasse, la luce prenderebbe volentieri la direzione verso T1. La distanza è aumentata, ma non di molto. Niente da fare, però, perché l’espansione continua e quando la Terra sarà in T2 la luce sarà giunta in L2.

Finalmente, OGGI, la luce arriva alla Terra e noi riusciamo a vedere l’esplosione della supernova. Sono passati molti anni da quando la luce è partita, molti di più che se la luce di SN ci avesse raggiunti in T (Universo NON in espansione, ma statico). Ecco perché diciamo che la SN ha una certa distanza in anni luce -ancora meglio- che la luce ha impiegato un certo numero di anni per raggiungerci. E’ l’unico modo per tenere conto sia della distanza iniziale che del tempo impiegato per raggiungerci.

Comunque sia, in questo caso siamo stati FORTUNATI. Ci siamo trovati al punto giusto, nel momento giusto e con la tecnologia giusta. Pochi anni prima avremmo ancora visto la luce della stella prima dell’esplosione e tra qualche anno solo la stella di neutroni. Nel caso della Supernova del Granchio siamo invece stati SFORTUNATI, perché la luce è arrivata IERI e oggi vediamo ormai solo la stella di neutroni che è rimasta a seguito della catastrofe cosmica. Notiamo, ancora una volta, che la VERA distanza OGGI della stella di neutroni N è l’arco di cerchio Noggi – Toggi.

La Fig. 1 merita qualche altra considerazione. I segmenti colorati in blu, che descrivono rozzamente il percorso compiuto dalla luce al variare del tempo (tenendo conto dell’espansione dell’Universo), dovrebbero essere costruiti per piccoli intervalli di tempo. Ci accorgeremmo allora che la luce descrive una curva un po’ strana che già conosciamo. Essa altra non è che il bordo superiore del CONO DI LUCE odierno del nostro passato, ossia l’insieme di tutto ciò la cui luce ci ha raggiunto OGGI. In altre parole, di tutto ciò che vediamo oggi dell’Universo. Un cono con una forma un po’ strana… ben diverso da quello che siamo abituati a vedere nel diagramma di Minkowski. Beh, l’unica differenza è che stiamo facendo espandere l’universo, mentre la Relatività Ristretta non teneva conto di questo fenomeno.

A questo punto, siamo in grado di passare alla Fig. 2, dove useremo soltanto le curve relative ai coni di luce in tempi diversi, tenendo però conto che la loro costruzione ha seguito la regola di Fig. 1 per descrivere il percorso della luce.

Figura 2
Figura 2

La Fig. 2 mostra diversi coni di luce del nostro passato, in diverse età dell’Universo e quindi in diversi tempi della nostra esistenza. Essi arrivano fino al momento della emissione della RCF. Attenzione però. Il fenomeno è avvenuto in TUTTO l’Universo di allora (cerchio rosso) e non solo in un punto ben definito, come per la stella S di Fig. 1. Il che vuol dire che in qualsiasi momento del nostro passato (e anche del futuro) vi saranno stati o vi saranno sempre dei fotoni appartenenti alla RCF che ci hanno raggiunto o che ci raggiungeranno.

Non fatevi ingannare dal fatto che sembra che solo un punto della RCF ci raggiunga. Nelle figure abbiamo dovuto considerare lo spazio in una dimensione, ma esso è in realtà a tre dimensioni e ciò comporta che ogni curva di luce ci fornisce una visione dell’Universo visibile al momento dell’emissione.

Ciò che cambia nel tempo è solo lo spostamento verso il rosso della luce . Ciò potrebbe comportare che nel futuro diventi invisibile con la tecnologia odierna, ma non per questo la radiazione di fondo smetterà di raggiungerci. Insomma, in questo caso NON SIAMO STATI FORTUNATI, dato che la RCF ci ha raggiunto nel passato, ci raggiunge oggi e ci raggiungerà anche nel futuro.

Per riassumere quanto detto finora e ripetere nel contempo alcuni concetti già trattati, ma mai inutili (penso), abbiamo costruito anche la Fig. 3.

Figura 3
Figura 3

In essa si vede l’intero Universo com’era ieri (una data qualsiasi nel passato), com’è oggi e come sarà domani (un tempo qualsiasi del futuro). Per i tre Universi ho disegnato i coni di luce relativi al nostro passato (curve blu). Come potete facilmente vedere ne esiste uno e uno solo che passa per la supernova SN. Se questo è quello relativa a OGGI, vuol dire che vediamo OGGI la supernova e siamo FORTUNATI.

Invece, si vede benissimo che qualsiasi sia la nostra posizione nel tempo, il cono di luce passa SEMPRE attraverso il cerchio che rappresenta l’Universo al momento della RCF. Di conseguenza essa si vedrà sempre, ossia NON SIAMO FORTUNATI. Stesso discorso varrebbe anche per il Big Bang se solo la sua luce, ossia i suoi fotoni, riuscissero ad attraversare le prime fasi evolutive, quando la densità della materia bloccava inesorabilmente le particelle trasportatrici della luce.

La figura ci mostra anche la differenza tra l’Universo che vediamo oggi (cono di luce blu più spesso) e quello che è invece è l’Universo Osservabile, ossia l’insieme degli oggetti, nella distribuzione spaziale odierna, di tutto ciò che siamo in grado di vedere (cono di luce). Esso deve stare sul cerchio che ci contiene OGGI ed è rappresentato dall’arco di cerchio blu. Come vedete, l’Universo a nostra disposizione è ben poca cosa rispetto all’intero Universo. Oltretutto è un miscuglio di spazio e di tempo e non una sua immagine istantanea.

Questa apparente limitazione è invece una grande FORTUNA (valida sempre), in quanto ci permette di vedere le varie fasi evolutive di un gran numero di oggetti celesti (non tutti, ma sufficienti a capire molto).

 

Noterete anche che l’Universo Osservabile cresce di anno in anno, seguendo il ritmo dell’espansione. Molti altri oggetti si renderanno visibili nel futuro, ma una parte di Universo non potrà mai essere osservato. Tutto ciò, indipendentemente dallo spostamento verso il rosso che potrebbe nasconderci per sempre cose già viste.

Scusate, se ho ripetuto molte cose già dette, ma penso che non sia mai troppo, quando si parla di questi concetti essenziali. Semplificazioni ne ho fatte, ma non vi sono errori “gravi”.

Siamo fortunati o sfortunati nel vedere il Cosmo? Per i più piccoli*

Poniamoci la stessa domanda: “Siamo particolarmente fortunati ad essere stati raggiunti dalla RCF (radiazione cosmica di fondo) in un momento della nostra evoluzione in cui abbiamo le capacità tecniche di rilevarla? Rispondiamo ai più “piccoli” senza tener conto dell’espansione dell’Universo e pensando a un vero e proprio temporale di luce. Un minimo di preparazione e poi, proprio utilizzando il diagramma di Minkowski, parliamo di cosa vediamo, quando lo vediamo e perché. se la nuvola è molto grande, la pioggia è caduta ieri, cade oggi e cadrà domani. Un modo estremamente semplice per spiegare molte cose ai più piccoli…

Ripetiamo quanto detto, utilizzando il diagramma di Minkowski. In questo modo riusciamo ad arrivare più facilmente anche ai più piccoli (?!). Una rappresentazione che è rivolta anche agli insegnanti in modo che possano usarla come traccia per le loro spiegazioni. Ci accorgeremo che non solo si dà un’idea dell’evoluzione dei corpi celesti, di quali riusciamo a vedere e quando, ma anche la differenza tra la FORTUNA di vedere una supernova e la NORMALITA’ di continuare a vedere la Radiazione Cosmica di Fondo.

Ovviamente, non teniamo conto dell’espansione dell’Universo. “Gravissimo” errore che ci costringe a disegnare un Big Bang “lunghissimo” nello spazio, al pari della RCF? No, è solo un errore “apparente”. In fondo, al tempo del Big Bang e della RCF, lo spazio era decisamente più piccolo, ma era comunque TUTTO quello a disposizione. E’ come se usassimo una scala variabile nel disegno che mantenga lo spazio sempre uguale…

Non andiamo troppo nel particolare, dato che cadremmo nelle coordinate comoventi e cose del genere. A noi basta immaginare che l’Universo sia statico e che le linee di Universo delle stelle e delle galassie siano tutte parallele tra loro. Per spiegare cosa si è fatto, può servire la Fig. 4 che mostra come “stirare” il cerchi del famoso palloncino spazio-tempo in una serie di linee parallele e perpendicolari tra loro. Tutto si semplifica enormemente. Le stelle e le galassie (immaginate ferme di per sé) si muovono solo lungo l’asse del tempo.

Figura 4
Figura 4

Avete visto che abbiamo ribaltato la solita figura che ha il tempo verso l’alto. L’abbiamo messo verso il basso per fare il paragone con la pioggia che cade. Ovviamente, la faccenda rimane la stessa: basta pensare che il futuro è nella parte bassa del disegno.

La retta orizzontale nera più alta è il Big Bang. Quella di poco più bassa (rossa) è la Radiazione Cosmica di Fondo, che coinvolge tutto lo spazio e, quindi, è anch’essa una retta. A partire da lei nascono le galassie e le stelle che continuano a viaggiare nel tempo lungo rette perpendicolari alla RCF, ossia lungo rette parallele all’asse del tempo.

Una figura sicuramente banale, che però ci mostra come dal Big Bang e poi dal RCF siano “usciti” i corpi celesti come le galassie, le stelle e anche le particelle qualsiasi. Dopo la parte grigia tra Big Bang e RCF, in cui non si può vedere niente (ma non nasce nemmeno niente di veramente grande, solo le particelle e gli atomi), cominciano a cadere gocce di pioggia più o meno grandi, che si uniscono e formano i corpi celesti. Alcune si formano subito e altre più tardi. La linea azzurra è quella della Terra che si è formata a un certo punto, circa 4.5 miliardi di anni fa. La parte tratteggiata delle linee è quella relativa a quando non erano ancora nate, ma erano un gruppo di atomi in cerca di una casa comune.

E’ come se il RCF fosse il bordo di una nuvola spessa che copre tutto il cielo e le linee di Universo degli oggetti celesti i percorsi delle gocce di pioggia. Gli insegnanti possono ampliare a piacere il discorso e spiegare molto bene la nascita e l’evoluzione degli oggetti celesti di tipo diverso a partire dalla nuvola del RCF. Ad esempio, come in Fig. 5, possono rappresentare una galassia Ga che rimane più o meno la stessa. ma cambia di colore a causa dell’invecchiamento delle stelle che si raffreddano. Ma anche una stella S come il Sole che a un certo punto diventa gigante rossa e poi nana bianca. O ancora una nana rossa come NR che rimane sempre uguale. E, infine, una gigante A che dopo poco esplode come supernova SN e poi diventa un buco nero. Basta una nuvola e la pioggia che cade e l’Universo diventa alla portata immediata dei bambini…

Figura 5
Figura 5

Fin qui tutto bene. Ma a noi interessa ricevere la luce di queste “gocce”. Se ogni goccia cade verticalmente, la nostra Terra non si … bagnerà mai! Nel nostro cielo tempestoso vi è, però, un certo tipo di vento che soffia sempre lateralmente. Esso fa schizzare una parte delle gocce verso destra e verso sinistra, ma sempre e soltanto con una direzione a 45° rispetto all’asse del tempo.

Detto in altre parole: questi “schizzi” sono la luce che viaggia con una velocità limitata, formando un angolo di 45° rispetto all’asse del tempo lungo cui si muovono gli oggetti celesti. E’ come se un vento impetuoso piegasse la pioggia-luce di 45°, permettendo all’acqua-informazione di ogni goccia di raggiungerci e mostraci la sua presenza.

Dedichiamoci alla Fig. 6, in cui vengono rappresentati questi schizzi di luce per i nostri vari oggetti.

Figura 6
Figura 6

Consideriamo, una per una, le varie gocce, che possiamo anche chiamare di “materia”, se ci rivolgiamo ai più grandicelli. Analogamente,  gli schizzi possono essere chiamati “luce” che si forma quando gli elettroni delle gocce si “eccitano” un po’ troppo e creano i fotoni.

La nana rossa NR manda la sua luce al tempo t2 ed essa ci raggiunge al tempo OGGI. Essa tuttavia rimane quasi sempre identica a se stessa e anche OGGI non è cambiata di molto.

Più interessante risulta la stella A, la gigante, che, quando arriva in t2, esplode come supernova. La sua luce ci raggiunge abbastanza in fretta, ma troppo presto per l’uomo che non era ancora nato. Accidenti siamo stati SFORTUNATI e non riusciremo mai a vedere il momento dello scoppio. Ci dobbiamo accontentare della luce (della materia espulsa) di un buco nero che ci raggiunge oggi.

La stella S manda la sua luce di stella normale in tempi antichi, ma quando è diventata gigante rossa, e la sua luce ci ha raggiunto, avevamo già qualche strumento e siamo riusciti a vederla. Oggi e nel futuro la vedremo, però, come nana bianca con il suo bell’anello detto nebulosa planetaria (ma solo per poco tempo). Anche qui bisogna essere fortunati.

Vediamo oggi anche la luce della galassia Ga, ma relativa a quando era molto giovane.

In questo modo è facile far notare varie cose importanti, tra cui quella di osservare contemporaneamente cose antiche accadute in tempi diversi, a seconda della distanza da noi e, come conseguenza, del percorso che ha dovuto fare la luce per raggiungerci. Fortuna e sfortuna nel vedere un fenomeno oggi risulta perfettamente chiaro.

Adesso, cancelliamo tutte le stelle e le galassie e consideriamo, in Fig. 7, solo la nube temporalesca del RCF. L’unico oggetto che esiste siamo noi (T) che ci muoviamo lungo la linea del tempo.

Figura 7
Figura 7

La nube RCF vuole farsi notare e ogni suo punto invia i suoi schizzi di luce (sono i fotoni che sono riusciti a trovare spazio per uscire allo scoperto…). E’ un vero e proprio temporale che ha inviato i suoi schizzi tutti nello stesso istante, quello brevissimo del RCF. Se guardiamo la figura, però, ci rendiamo subito conto che alcuni schizzi ci hanno raggiunto, che ci raggiungono e che ci raggiungeranno nel futuro. Ovviamente, più gli schizzi di luce sono partiti da lontano più tempo ci mettono a giungere a noi. Purtroppo (o per fortuna) pioverà sempre.

Si possono aggiungere due considerazioni un po’ più difficili:

(1) maggiore è il percorso che fa lo schizzo di luce e più arriva a noi stanco, arrossato, fino a che, in futuro, pur arrivando, non riusciremo a vederlo.

(2) Nella figura si vede che al massimo possono arrivare DUE schizzi nello stesso istante, provenienti da punti molto diversi del RCF. Questa è solo un’impressione dovuta al fatto che abbiamo disegnato lo spazio in una sola dimensione. Se, già, lo disegnassimo a due dimensioni, verrebbe fuori un cono con il centro nel punto in cui siamo noi (e non più solo due linee): avremmo descritto il CONO DI LUCE. Ma la “vera” rappresentazione sarebbe uno spazio a tre dimensioni, di cui non riusciremmo a fare nessuna figura dato che saremmo in uno spazio a tre dimensioni con una dimensione supplementare data dal tempo (verticale). Disegnare a quattro dimensioni non è ancora possibile o, almeno, molto, molto più complicato.

Fatemi finire con un disegno (Fig. 8 ) che andrebbe bene per le scuole elementari. Al posto della RCF mettiamo proprio una nuvola. Al posto degli oggetti celesti delle grosse gocce di “materia” e al posto della luce dei veri schizzi. Dal RCF continua però a cadere una pioggia sottile sottile.

Figura 8
Figura 8

Una figura ideale per spiegare tante belle cose ai bambini e avvicinarli allo spaziotempo e ai segreti meravigliosi dell’Universo. Ma non ditegli che avete usato nientemeno che il diagramma di Minkowski!

QUI continuiamo a parlare di universo osservato e universo osservabile e QUI, invece, potete leggere una trattazione un po’ più tecnica del cono di luce

6 commenti

  1. Mik

    "l’Universo Osservabile cresce di anno in anno, seguendo il ritmo dell’espansione. Molti altri oggetti si renderanno visibili nel futuro"

    SE però l'espansione accelera questo non sarebbe vero e anzi in futuro gli oggetti distanti dovrebbero sparire.

    Vivendo abbastanza a lungo dovremmo quindi essere in grado di sciogliere il dubbio...

  2. molto  chiaro

    mi piacciono l'idea della pioggia e degli schizzi

  3. Daniela

    Grande articolo, complimenti!

    Finalmente ho ben chiaro il concetto di Universo osservabile e la differenza che c'è tra la distanza attuale da un corpo celeste e il tempo che la luce ha impiegato per arrivare fino a noi. Peccato che di solito questi due concetti vengano confusi: si sente sempre dire (ma non in questo Circolo) che un oggetto "dista tot anni luce", intendendo che la luce ha impiegato tot anni per raggiungerci.

    Solo una domanda: una volta calcolato il tempo che la luce di un oggetto ha impiegato per essere visibile dalla Terra, e conoscendo la velocità di espansione dell'Universo (dando per scontato di conoscerla con esattezza, visto che, a causa delle ultime scoperte sulle Supenove Ia, qualche dubbio c'è), è possibile calcolare la posizione attuale dell'oggetto osservato? Mi accontento di un sì o un no... :wink:

  4. caro Mik,

    non è così semplice... bisogna vedere di quanto accelera e quando la luce è partita. Si dovrebbe fare entrare in ballo la sfera di Hubble e come possa variare nel futuro...

    grazie Gianni

    cara Dany,

    beh sì, con le dovute approssimazioni. Dovresti trovare la misura delle distanze anche nell'infinito del Cosmo (libro)...

    Comunque questo è un articolo decisamente elementare e semplificato al massimo...

  5. Mario Fiori

    Grazie Enzo , ottima e semplice spiegazione per farci capire meglio quello che abbiamo sempre detto ma noi (io) duri di ...menta necessitiamo sempre di approfondire e capire meglio.

  6. adriano

    Grazie, articolo chiarissimo e divertente (Bella la grafica :wink: )

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