Espansione dell’universo

Misurazione dell’espansione e variazione della velocità di espansionemodifica

In linea di principio, l’espansione dell’universo potrebbe essere misurato prendendo un righello standard e misura la distanza tra due cosmologically punti lontani, in attesa di un certo periodo di tempo, e quindi misurare la distanza di nuovo, ma in pratica, standard governanti non sono facili da trovare su scale cosmologiche e i tempi di realizzazione oltre che di un notevole espansione sarà visibile sono troppo grandi per essere osservabile anche da più generazioni di esseri umani. L’espansione dello spazio è misurata indirettamente., La teoria della relatività predice i fenomeni associati all’espansione, in particolare la relazione redshift-versus-distance nota come Legge di Hubble; forme funzionali per misurazioni della distanza cosmologica che differiscono da ciò che ci si aspetterebbe se lo spazio non si espandesse; e un cambiamento osservabile nella materia e nella densità di energia dell’universo visto in diversi momenti di lookback.

La prima misura dell’espansione dello spazio arrivò con la realizzazione da parte di Hubble della relazione velocità / redshift., Più recentemente, confrontando la luminosità apparente delle candele standard distanti con il redshift delle loro galassie ospiti, il tasso di espansione dell’universo è stato misurato come H0 = 73,24 ± 1,74 (km/s)/Mpc. Ciò significa che per ogni milione di parsec di distanza dall’osservatore, la luce ricevuta da quella distanza è cosmologicamente redshifted di circa 73 chilometri al secondo (160.000 mph). D’altra parte, assumendo un modello cosmologico, ad esempio il modello Lambda-CDM, si può dedurre la costante di Hubble dalla dimensione delle fluttuazioni più grandi viste nello sfondo delle microonde cosmiche., Una costante di Hubble più alta implicherebbe una dimensione caratteristica più piccola delle fluttuazioni CMB e viceversa. La collaborazione Planck misura il tasso di espansione in questo modo e determina H0 = 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc. C’è un disaccordo tra le due misure, la scala di distanza è indipendente dal modello e la misura CMB a seconda del modello montato, che suggerisce una nuova fisica oltre i nostri modelli cosmologici standard.

Il parametro Hubble non è pensato per essere costante nel tempo. Ci sono forze dinamiche che agiscono sulle particelle nell’universo che influenzano la velocità di espansione., È stato precedentemente previsto che il parametro di Hubble sarebbe diminuendo con il passare del tempo a causa dell’influenza delle interazioni gravitazionali dell’universo, e quindi c’è un’ulteriore quantità osservabili nell’universo chiamato il parametro di decelerazione che i cosmologi dovrebbe essere direttamente correlata alla densità di materia dell’universo. Sorprendentemente, il parametro di decelerazione è stato misurato da due gruppi diversi per essere inferiore a zero (in realtà, coerente con -1) che implicava che oggi il parametro di Hubble sta convergendo a un valore costante col passare del tempo., Alcuni cosmologi hanno chiamato capricciosamente l’effetto associato all ‘” universo in accelerazione “il”jerk cosmico”. Il Premio Nobel per la fisica 2011 è stato assegnato per la scoperta di questo fenomeno.

Nell’ottobre 2018, gli scienziati hanno presentato una nuova terza via (due metodi precedenti, uno basato sui redshift e un altro sulla scala della distanza cosmica, hanno dato risultati che non sono d’accordo), utilizzando informazioni provenienti da eventi di onde gravitazionali (in particolare quelli che coinvolgono la fusione di stelle di neutroni, come GW170817), per determinare la Costante di Hubble, ,

Misurare le distanze in expanding spaceEdit

A scale cosmologiche l’universo attuale è geometricamente piatto, il che significa che le regole della geometria euclidea associate al quinto postulato di Euclide valgono, anche se in passato lo spaziotempo avrebbe potuto essere altamente curvo. In parte per adattarsi a geometrie così diverse, l’espansione dell’universo è intrinsecamente relativistica generale; non può essere modellata con la sola relatività speciale, sebbene tali modelli esistano, sono in contrasto fondamentale con l’interazione osservata tra materia e spaziotempo vista nel nostro universo.,

Le immagini a destra mostrano due viste di diagrammi spaziotempo che mostrano la geometria su larga scala dell’universo secondo il modello cosmologico ΛCDM. Due delle dimensioni dello spazio sono omesse, lasciando una dimensione dello spazio (la dimensione che cresce man mano che il cono diventa più grande) e una del tempo (la dimensione che procede “su” la superficie del cono)., La stretta estremità circolare del diagramma corrisponde ad un tempo cosmologico di 700 milioni di anni dopo il big bang, mentre la fine larga è un tempo cosmologico di 18 miliardi di anni, dove si può vedere l’inizio dell’espansione accelerata come uno splaying verso l’esterno dello spaziotempo, una caratteristica che alla fine domina in questo modello. Le linee della griglia viola segnano il tempo cosmologico ad intervalli di un miliardo di anni dal big bang. Le linee della griglia ciano segnano la distanza comoving ad intervalli di un miliardo di anni luce nell’era presente (meno in passato e più in futuro)., Si noti che l’arricciatura circolare della superficie è un artefatto dell’incorporamento senza alcun significato fisico ed è fatto puramente per rendere visibile l’illustrazione; lo spazio in realtà non si arriccia su se stesso. (Un effetto simile può essere visto nella forma tubolare della pseudosfera.)

La linea marrone sul diagramma è la linea del mondo della Terra (o, in tempi precedenti, della materia che si è condensata per formare la Terra). La linea gialla è la linea del mondo del quasar più lontano conosciuto., La linea rossa è il percorso di un fascio di luce emesso dal quasar circa 13 miliardi di anni fa e che raggiunge la Terra ai giorni nostri. La linea arancione mostra la distanza attuale tra il quasar e la Terra, circa 28 miliardi di anni luce, che è, in particolare, una distanza maggiore dell’età dell’universo moltiplicata per la velocità della luce: ct.

Secondo il principio di equivalenza della relatività generale, le regole della relatività speciale sono localmente valide in piccole regioni dello spaziotempo che sono approssimativamente piatte., In particolare, la luce viaggia sempre localmente alla velocità c; nel nostro diagramma, questo significa, secondo la convenzione di costruire diagrammi spaziotempo, che i fasci di luce fanno sempre un angolo di 45° con le linee della griglia locale. Non segue, tuttavia, che la luce percorra una distanza ct in un tempo t, come illustra la linea del mondo rossa. Mentre si muove sempre localmente a c, il suo tempo in transito (circa 13 miliardi di anni) non è correlato alla distanza percorsa in alcun modo semplice poiché l’universo si espande mentre il fascio di luce attraversa lo spazio e il tempo., In effetti la distanza percorsa è intrinsecamente ambigua a causa della scala mutevole dell’universo. Tuttavia, possiamo individuare due distanze che sembrano essere fisicamente significative: la distanza tra la Terra e il quasar quando la luce è stata emessa, e la distanza tra loro nell’era presente (prendendo una fetta del cono lungo la dimensione che abbiamo dichiarato essere la dimensione spaziale)., La prima distanza è di circa 4 miliardi di anni luce, molto più piccola della ct perché l’universo si è espanso man mano che la luce percorreva la distanza, la luce doveva “correre contro il tapis roulant” e quindi è andata più lontano della separazione iniziale tra la Terra e il quasar. Quest’ultima distanza (mostrata dalla linea arancione) è di circa 28 miliardi di anni luce, molto più grande di ct., Se l’espansione potesse essere immediatamente interrotta oggi, ci vorrebbero 28 miliardi di anni perché la luce viaggi tra la Terra e il quasar, mentre se l’espansione si fosse fermata in precedenza, ci sarebbero voluti solo 4 miliardi di anni.,

La luce che ha preso molto di più di 4 miliardi di anni per raggiungerci se è stata emessa da solo 4 miliardi di anni luce di distanza, e, infatti, la luce emessa verso la Terra era in realtà allontanando dalla Terra quando è stata emessa, nel senso che la metrica di distanza dalla Terra è aumentato con cosmologica del tempo per i primi miliardi di anni di tempo di viaggio, e, inoltre, che indica che l’espansione dello spazio tra la Terra e il quasar all’inizio del tempo era più veloce della velocità della luce., Niente di questo comportamento sorprendente proviene da una proprietà speciale di espansione metrica, ma semplicemente da principi locali di relatività speciale integrati su una superficie curva.

Topologia di espansione spaceEdit

Nel tempo, lo spazio che costituisce l’universo si sta espandendo. Le parole “spazio” e “universo”, a volte usate in modo intercambiabile, hanno significati distinti in questo contesto., Qui ‘ spazio ‘è un concetto matematico che sta per la molteplicità tridimensionale in cui sono incorporate le nostre rispettive posizioni mentre’ universo ‘ si riferisce a tutto ciò che esiste, compresa la materia e l’energia nello spazio, le extra-dimensioni che possono essere avvolte in varie stringhe e il tempo attraverso il quale si svolgono vari eventi. L’espansione dello spazio è in riferimento a questo collettore 3-D solo; cioè, la descrizione non coinvolge strutture come dimensioni extra o un universo esterno.,

La topologia ultima dello spazio è a posteriori – qualcosa che in linea di principio deve essere osservato – in quanto non ci sono vincoli che possono essere semplicemente ragionati (in altre parole non ci possono essere vincoli a priori) su come lo spazio in cui viviamo è connesso o se si avvolge su se stesso come uno spazio compatto., Anche se alcuni modelli cosmologici come Gödel dell’universo, anche di un permesso di bizzarro worldlines che si intersecano con se stessi, in ultima analisi, la questione se siamo in qualcosa di simile a un “Pac-Man universe”, dove se si viaggia abbastanza lontano, in una direzione permetterebbe semplicemente tornare nello stesso posto come andare tutto il senso intorno alla superficie di un palloncino (o di un pianeta come la Terra) è un programma di osservazione questione, che è vincolata come misurabili e non misurabili dall’universo globale di geometria., Allo stato attuale, le osservazioni sono coerenti con l’universo che è infinito in estensione e semplicemente connesso, anche se siamo limitati nel distinguere tra proposte semplici e più complicate da orizzonti cosmologici., L’universo potrebbe essere infinito in estensione o potrebbe essere finito; ma le prove che porta a modello inflazionario dell’universo implica anche che il “totale dell’universo” è molto più grande l’universo osservabile, e quindi gli eventuali bordi o esotici geometrie o topologie non sono direttamente osservabili, come la luce, non ha raggiunto le scale sulle quali aspetti dell’universo, se esistono, sono ancora consentiti. A tutti gli effetti, è lecito supporre che l’universo sia infinito in estensione spaziale, senza spigoli o strane connessioni.,

Indipendentemente dalla forma complessiva dell’universo, la questione di ciò che l’universo è in espansione, è uno che non richiede una risposta in base alle teorie che descrivono l’espansione; il modo in cui definiamo spazio nel nostro universo, in nessun modo, richiede ulteriore spazio esterno in cui è possibile espandere, trattandosi di un’espansione di una distesa infinita può accadere senza cambiare l’infinita misura della distesa. Tutto ciò che è certo è che la molteplicità dello spazio in cui viviamo ha semplicemente la proprietà che le distanze tra gli oggetti aumentano col passare del tempo., Ciò implica solo le semplici conseguenze osservazionali associate all’espansione metrica esplorata di seguito. Nessun “esterno” o incorporamento nell’iperspazio è richiesto per un’espansione. Le visualizzazioni spesso viste dell’universo che cresce come una bolla nel nulla sono fuorvianti in questo senso. Non c’è motivo di credere che ci sia qualcosa “al di fuori” dell’universo in espansione in cui l’universo si espande.,

Anche se l’estensione spaziale complessiva è infinita e quindi l’universo non può ottenere alcun “più grande”, diciamo ancora che lo spazio si sta espandendo perché, localmente, la distanza caratteristica tra gli oggetti sta aumentando. Come uno spazio infinito cresce, rimane infinito.

Densità dell’universo durante l’espansionemodifica

Nonostante sia estremamente denso quando è molto giovane e durante parte della sua espansione iniziale – molto più denso di quanto sia solitamente necessario per formare un buco nero – l’universo non è ri-collassato in un buco nero., Questo perché i calcoli comunemente usati per il collasso gravitazionale si basano solitamente su oggetti di dimensioni relativamente costanti, come le stelle, e non si applicano allo spazio in rapida espansione come il Big Bang.

Effetti di espansione su piccola scalamodifica

L’espansione dello spazio è talvolta descritta come una forza che agisce per spingere gli oggetti a parte. Sebbene questa sia una descrizione accurata dell’effetto della costante cosmologica, non è un’immagine accurata del fenomeno dell’espansione in generale.,

Oltre a rallentare l’espansione complessiva, la gravità provoca l’aggregazione locale della materia in stelle e galassie. Una volta che gli oggetti sono formati e legati dalla gravità, “abbandonano” l’espansione e non si espandono successivamente sotto l’influenza della metrica cosmologica, non essendoci alcuna forza che li costringa a farlo.,

Non c’è differenza tra l’espansione inerziale dell’universo e la separazione inerziale degli oggetti vicini nel vuoto; il primo è semplicemente un’estrapolazione su larga scala di quest’ultimo.

Una volta che gli oggetti sono legati dalla gravità, non si allontanano più l’uno dall’altro. Quindi, la galassia di Andromeda, che è legata alla Via Lattea, sta effettivamente cadendo verso di noi e non si sta espandendo. All’interno del Gruppo Locale, le interazioni gravitazionali hanno cambiato i modelli inerziali degli oggetti in modo tale che non vi è alcuna espansione cosmologica in atto., Una volta superato il Gruppo Locale, l’espansione inerziale è misurabile, anche se gli effetti gravitazionali sistematici implicano che parti sempre più grandi dello spazio alla fine cadranno dal “Flusso di Hubble” e finiranno come oggetti legati e non in espansione fino alle scale dei supercluster delle galassie. Possiamo prevedere tali eventi futuri conoscendo il modo preciso in cui il flusso di Hubble sta cambiando così come le masse degli oggetti a cui siamo attratti gravitazionalmente., Attualmente, il Gruppo locale viene spinto gravitazionalmente verso il Supercluster Shapley o il “Grande Attrattore” con il quale, se l’energia oscura non agisse, alla fine ci fonderemmo e non vedremmo più espanderci da noi dopo un tale tempo.

Una conseguenza dell’espansione metrica dovuta al moto inerziale è che una “esplosione” locale uniforme di materia nel vuoto può essere descritta localmente dalla geometria FLRW, la stessa geometria che descrive l’espansione dell’universo nel suo insieme ed è stata anche la base per il più semplice universo di Milne che ignora gli effetti della gravità., In particolare, la relatività generale prevede che la luce si muoverà alla velocità c rispetto al movimento locale della materia che esplode, un fenomeno analogo al trascinamento del fotogramma.

La situazione cambia un po ‘ con l’introduzione dell’energia oscura o di una costante cosmologica. Una costante cosmologica dovuta ad una densità di energia del vuoto ha l’effetto di aggiungere una forza repulsiva tra gli oggetti che è proporzionale (non inversamente proporzionale) alla distanza. A differenza di inerzia attivamente “tira” su oggetti che si sono raggruppati insieme sotto l’influenza della gravità, e anche su singoli atomi., Tuttavia, questo non fa sì che gli oggetti crescano costantemente o si disintegrino; a meno che non siano molto debolmente legati, si stabiliranno semplicemente in uno stato di equilibrio che è leggermente (non rilevabile) più grande di quanto sarebbe stato altrimenti. Mentre l’universo si espande e la materia in esso si assottiglia, l’attrazione gravitazionale diminuisce (poiché è proporzionale alla densità), mentre la repulsione cosmologica aumenta; quindi il destino ultimo dell’universo ΛCDM è un vicino vuoto che si espande ad un ritmo sempre crescente sotto l’influenza della costante cosmologica., Tuttavia, il solo localmente visibile effetto di accelerare l’espansione è la scomparsa (da runaway redshift) di galassie lontane; legati gravitazionalmente oggetti come la Via Lattea non si espande e la galassia di Andromeda si sta muovendo abbastanza velocemente verso di noi che ancora si fondono con la Via Lattea in 3 miliardi di anni di tempo, ed è anche probabile che la fusione supergalaxy che forme finirà per cadere in fusione con la vicina ammasso della Vergine. Tuttavia, le galassie che si trovano più lontane da questo si allontaneranno a velocità sempre crescente e saranno spostate verso il rosso dalla nostra gamma di visibilità.,

Metrica di espansione e la velocità di lightEdit

Alla fine dei primi dell’universo periodo inflazionistico, tutta la materia e l’energia dell’universo è stato impostato su un inerziale traiettoria coerente con il principio di equivalenza di Einstein e la teoria della relatività generale e questo è quando il preciso e regolare modulo di espansione dell’universo ha avuto la sua origine (che è, la materia nell’universo è la separazione, perché era la separazione in passato, a causa della inflaton campo).,

Mentre la relatività speciale proibisce agli oggetti di muoversi più velocemente della luce rispetto a un frame di riferimento locale in cui lo spaziotempo può essere trattato come piatto e immutabile, non si applica a situazioni in cui la curvatura dello spaziotempo o l’evoluzione nel tempo diventano importanti. Queste situazioni sono descritte dalla relatività generale, che consente alla separazione tra due oggetti distanti di aumentare più velocemente della velocità della luce, sebbene la definizione di “distanza” qui sia in qualche modo diversa da quella utilizzata in una cornice inerziale., La definizione di distanza utilizzata qui è la somma o l’integrazione delle distanze di comoving locali,tutte fatte a tempo locale costante. Ad esempio, le galassie che sono più del raggio di Hubble, circa 4,5 gigaparsec o 14,7 miliardi di anni luce, lontano da noi hanno una velocità di recessione che è più veloce della velocità della luce. La visibilità di questi oggetti dipende dall’esatta storia di espansione dell’universo., La luce che viene emessa oggi dalle galassie oltre l’orizzonte degli eventi cosmologici più distante, circa 5 gigaparsec o 16 miliardi di anni luce, non ci raggiungerà mai, anche se possiamo ancora vedere la luce che queste galassie hanno emesso in passato. A causa dell’alto tasso di espansione, è anche possibile che una distanza tra due oggetti sia maggiore del valore calcolato moltiplicando la velocità della luce per l’età dell’universo. Questi dettagli sono una frequente fonte di confusione tra i dilettanti e persino i fisici professionisti., A causa della natura non intuitiva del soggetto e di ciò che è stato descritto da alcuni come scelte di formulazione “incuranti”, alcune descrizioni dell’espansione metrica dello spazio e le idee sbagliate a cui tali descrizioni possono portare sono oggetto di discussione continua nei campi dell’educazione e della comunicazione di concetti scientifici.

Fattore di scalamodifica

A un livello fondamentale, l’espansione dell’universo è una proprietà della misura spaziale sulle più grandi scale misurabili del nostro universo., Le distanze tra i punti cosmologicamente rilevanti aumentano con il passare del tempo portando a effetti osservabili descritti di seguito. Questa caratteristica dell’universo può essere caratterizzata da un singolo parametro chiamato fattore di scala che è una funzione del tempo e un singolo valore per tutto lo spazio in qualsiasi istante (se il fattore di scala fosse una funzione dello spazio, ciò violerebbe il principio cosmologico). Per convenzione, il fattore di scala è impostato per essere l’unità al momento presente e, poiché l’universo si sta espandendo, è più piccolo nel passato e più grande nel futuro., Estrapolando indietro nel tempo con alcuni modelli cosmologici produrrà un momento in cui il fattore di scala era zero; la nostra attuale comprensione della cosmologia imposta questa volta a 13.799 ± 0.021 miliardi di anni fa. Se l’universo continua ad espandersi per sempre, il fattore di scala si avvicinerà all’infinito in futuro. In linea di principio, non vi è alcuna ragione per cui l’espansione dell’universo debba essere monotonica e ci sono modelli in cui in un certo momento in futuro il fattore di scala diminuisce con una contrazione dello spazio piuttosto che un’espansione.,

Altri modelli concettuali di espansioneedit

L’espansione dello spazio è spesso illustrata con modelli concettuali che mostrano solo la dimensione dello spazio in un determinato momento, lasciando implicita la dimensione del tempo.

Nel “modello ant on a rubber rope” si immagina una formica (idealizzata come puntiforme) che striscia a velocità costante su una corda perfettamente elastica che si allunga costantemente., Se allunghiamo la corda secondo il fattore di scala ΛCDM e pensiamo alla velocità della formica come alla velocità della luce, allora questa analogia è numericamente accurata – la posizione della formica nel tempo corrisponderà al percorso della linea rossa sul diagramma di incorporamento sopra.

Nel “modello di foglio di gomma” si sostituisce la corda con un foglio di gomma bidimensionale piatto che si espande uniformemente in tutte le direzioni. L’aggiunta di una seconda dimensione spaziale aumenta la possibilità di mostrare perturbazioni locali della geometria spaziale per curvatura locale nel foglio.,

Nel “modello a palloncino” il foglio piatto è sostituito da un palloncino sferico che viene gonfiato da una dimensione iniziale di zero (che rappresenta il big bang). Un pallone ha una curvatura gaussiana positiva mentre le osservazioni suggeriscono che l’universo reale è spazialmente piatto, ma questa incoerenza può essere eliminata rendendo il pallone molto grande in modo che sia localmente piatto entro i limiti dell’osservazione. Questa analogia è potenzialmente confusa poiché suggerisce erroneamente che il big bang abbia avuto luogo al centro del pallone., Infatti punti fuori la superficie del pallone non hanno alcun significato, anche se sono stati occupati dal pallone in un momento precedente.

Nel “modello di pane all’uva passa” si immagina una pagnotta di pane all’uva passa che si espande nel forno. La pagnotta (spazio) si espande nel suo complesso, ma gli uvetta (oggetti legati gravitazionalmente) non si espandono; semplicemente si allontanano l’uno dall’altro.