Il nostro orizzonte

L’universo comprende spazio, tempo, materia ed energia. Quando parliamo di universo osservabile, ci riferiamo alla parte da cui possiamo ricevere informazioni: non necessariamente all’intero universo.

Dal vicino al lontano

Terra e Luna appartengono al Sistema solare; il Sole è una stella della Via Lattea. La nostra galassia è soltanto una tra moltissime. È un cambio di scala che rende intuitivamente difficile immaginare le distanze.

Campo profondo di Webb, colori assegnati ai dati infrarossi. NASA, ESA, CSA, STScI · Fonte · CC BY 4.0

Le domande aperte

Gran parte del contenuto cosmico viene descritta come materia oscura ed energia oscura, ancora oggetto di ricerca. Non conoscere tutto non significa non sapere nulla: significa distinguere osservazioni, modelli e problemi ancora da risolvere.

Un anno luce non è una durata di viaggio

L’anno luce è una distanza: quella percorsa dalla luce in un anno. Il termine contiene una unità di tempo perché quella durata viene usata per definire la lunghezza. Dire che una stella è distante dieci anni luce significa che il segnale che riceviamo ha viaggiato per circa dieci anni, in un contesto locale. Non significa che una sonda possa arrivarci in dieci anni: i veicoli non viaggiano alla velocità della luce.

Una scala dopo l’altra

Nel Sistema solare è comoda l’unità astronomica, legata alla scala dell’orbita terrestre. Tra stelle diventano più pratici gli anni luce; in astronomia si usa anche il parsec. Cambiare unità aiuta a confrontare oggetti senza sommergerci di zeri. Prima di confrontare due numeri, controlla il punto di partenza: distanza dal Sole e distanza dalla Terra sono quantità differenti. I pianeti si muovono e la distanza reciproca cambia.

Osservabile non significa delimitato da un muro

L’universo osservabile è una regione definita dalla possibilità di ricevere informazioni. Non implica che oltre il suo limite ci sia una parete. La storia dell’espansione e il tempo disponibile alla luce determinano ciò che può raggiungerci. Il problema non è soltanto costruire un telescopio più potente: alcuni limiti dipendono dalla storia dello spazio-tempo. L’intero universo potrebbe essere più esteso della porzione osservabile; non ne conosciamo una misura totale accertata.

Vedere lontano è guardare il passato

La luce del Sole impiega circa otto minuti per arrivare alla Terra. Quella di una stella distante anni luce ci mostra un’informazione più antica. Per grandi distanze cosmologiche, il rapporto tra tempo di viaggio e distanza attuale richiede un modello dell’espansione: non basta moltiplicare meccanicamente una durata per la velocità della luce. Il confronto semplice del nostro strumento è quindi limitato al Sistema solare e a distanze locali dichiarate.

I numeri sono più utili quando hanno un significato

Un valore gigantesco può stupire senza aiutare a capire. Prova invece a chiedere quale unità renda leggibile il confronto e come sia stata ricavata la distanza. Per alcuni oggetti si usano misure geometriche; per altri metodi collegati alle proprietà della luce. La fiducia non nasce dal numero di cifre, ma dalla relazione tra osservazione, metodo e incertezza. Raccontare questa relazione trasforma una classifica di dimensioni in una spiegazione.

Il tempo di viaggio non è la distanza attuale

Su piccole distanze possiamo collegare tempo di viaggio della luce e lunghezza del percorso con una relazione semplice. Su scale cosmologiche bisogna includere l’espansione dello spazio durante il viaggio. La distanza che assegniamo oggi a una galassia non coincide necessariamente con il tempo impiegato dalla sua luce moltiplicato per la velocità della luce.

È per questo che età dell’universo e dimensione dell’universo osservabile non devono essere confrontate come se descrivessero un ambiente statico. Le grandi stime richiedono un modello cosmologico e una definizione di distanza. Quando trovi un numero, cerca che cosa rappresenti: distanza odierna, tempo di viaggio o altra misura. La precisione della domanda aiuta più di un numero impressionante isolato.

Il cielo contiene una cronologia sovrapposta

La luce di oggetti a distanze diverse arriva da epoche diverse. Una fotografia astronomica profonda non è quindi una fotografia di tutto l’universo nello stesso istante. Sovrappone lungo la nostra linea di vista sorgenti vicine e lontane, ciascuna osservata attraverso il proprio tempo di viaggio.

Un campo pieno di galassie può essere letto come una raccolta di testimonianze provenienti da periodi differenti. Ma la distanza non si determina semplicemente dalla dimensione apparente della macchia: oggetti piccoli vicini e grandi lontani possono confondersi. Gli astronomi devono aggiungere misure, come gli spettri, e usare modelli. Guardare una foto profonda è già straordinario; capire come si assegna una cronologia ai suoi oggetti lo rende ancora più interessante.

L’espansione non allarga ogni oggetto

L’immagine di un universo che si espande può far pensare che tavoli, pianeti e persone crescano continuamente con lo spazio. I sistemi tenuti insieme da forze locali non seguono semplicemente quell’immagine. La descrizione cosmologica dell’espansione riguarda soprattutto la geometria su grandi scale, non un ingrandimento uniforme di ogni struttura.

Anche il disegno di puntini su un palloncino ha limiti: aiuta a visualizzare distanze che aumentano senza scegliere un punto privilegiato sulla superficie, ma introduce un centro esterno e una dimensione in più che non vanno trasferiti automaticamente all’universo. Le analogie servono per una relazione precisa. Se le usiamo come copie complete della realtà, possono creare nuove difficoltà invece di risolverle.

Come costruiamo una scala delle distanze

Non esiste un unico metro capace di misurare allo stesso modo Luna, stelle vicine e galassie lontane. L’astronomia combina metodi con campi di applicazione differenti. La parallasse, per esempio, usa il cambiamento apparente di posizione dovuto alla variazione del punto di osservazione. Altri passaggi collegano luminosità, caratteristiche delle sorgenti e modelli.

Il collegamento tra metodi permette di estendere la scala, ma porta anche incertezze da controllare. Due misure indipendenti che non coincidono perfettamente possono indicare limiti da approfondire; non autorizzano da sole qualsiasi conclusione sul cosmo. Per interpretare un risultato bisogna distinguere lo scarto osservato dalle spiegazioni proposte. Una scala scientifica è una rete di confronti, non una serie di numeri accettati senza verifica.

Una passeggiata immaginaria tra le orbite

Nel laboratorio del sito puoi rappresentare la distanza media Sole–Terra con un metro. In quella scala Marte si trova a circa un metro e mezzo dal Sole, Giove a poco più di cinque e Nettuno a circa trenta. L’esercizio riguarda le distanze orbitali medie dal Sole, non le separazioni attuali tra i pianeti.

Le dimensioni dei corpi non sono rappresentate nello stesso disegno. Se volessimo conservarle tutte con una scala unica, dovremmo gestire oggetti molto piccoli e separazioni grandi. Questo è il motivo per cui molti schemi del Sistema solare ingrandiscono i pianeti. Non è un problema se il limite viene dichiarato: diventa fuorviante quando si leggono forme e spazi come se entrambe le scale fossero esatte.

Le parole per orientarsi

Parallasse
Lo spostamento apparente di una sorgente quando cambia il punto di osservazione.
Redshift cosmologico
L’allungamento delle lunghezze d’onda legato all’espansione dello spazio.
Orizzonte osservabile
Il limite della regione da cui possono giungerci informazioni nella storia cosmologica considerata.

Le domande da portare con te

Conosciamo la dimensione di tutto l’universo?

No. La parte osservabile non coincide necessariamente con l’intero universo, di cui non possediamo una misura totale accertata.

Un anno luce equivale a un anno su un’astronave?

No: è una unità di distanza. Il tempo impiegato da una nave dipende dalla sua velocità e dalla traiettoria.

La distanza dei pianeti dalla Terra è sempre uguale?

No. Le orbite cambiano la separazione tra i pianeti. Le distanze medie dal Sole non sono distanze istantanee dalla Terra.