Galaxy cluster LCDCS-0829, come osservato dal telescopio spaziale Hubble. Questo ammasso di galassie si sta allontanando da noi e in pochi miliardi di anni diventerà irraggiungibile, anche alla velocità della luce. Credito d'immagine: ESA / Hubble e NASA.

Come abbiamo dato un senso all'abisso cosmico?

Guardare nel grande, oscuro sconosciuto è stato un mistero per migliaia di anni. Non più!

"La scienza non può dire alla teologia come costruire una dottrina della creazione, ma non è possibile costruire una dottrina della creazione senza tener conto dell'età dell'universo e del carattere evolutivo della storia cosmica." -John Polkinghorne

Uno sguardo nel cielo notturno solleva una serie di dubbi che qualsiasi persona intelligente e curiosa potrebbe chiedersi:

  • Quali sono quei punti di luce nel cielo?
  • Ci sono altri soli come i nostri e, in tal caso, hanno pianeti come noi?
  • Quanto sono lontane le stelle e per quanto tempo vivono?
  • Cosa c'è oltre la nostra galassia della Via Lattea?
  • Che aspetto ha l'intero universo?
  • E come è potuto essere così?

Per migliaia di anni, queste sono state domande per poeti, filosofi e teologi. Ma scientificamente, non solo abbiamo scoperto le risposte a tutte queste domande, ma le risposte ne hanno sollevate alcune ancora più grandi che non avremmo mai potuto prevedere.

Una linea temporale cosmica standard della storia del nostro Universo. Credito d'immagine: NASA / CXC / M.Weiss.

Con l'eccezione di alcuni corpi nel nostro Sistema Solare che riflettono la luce del nostro Sole su di noi, ogni punto di luce splendente che vediamo nel cielo notturno è una stella. Sono disponibili in diversi colori, dal rosso all'arancione, al giallo, al bianco e al blu, e sono disponibili in diverse luminosità, da solo circa lo 0,1% circa della luminosità del nostro Sole a letteralmente milioni di volte la luminosità del Sole. Sono così lontani che sembrano essere nella stessa posizione non solo notte dopo notte, ma anche anno dopo anno. Il primo tentativo di misurare le loro distanze si basava su una singola ipotesi: se le stelle fossero identiche al Sole, quanto sarebbero luminose? Sulla base della nostra comprensione di come la luminosità è influenzata dalla distanza, la stella più luminosa del cielo notturno, Sirius, è stata stimata a 0,4 anni luce di distanza, una distanza tremenda. Se avessero saputo nel 1600 quante volte Sirius era più luminoso del Sole, la stima della distanza sarebbe stata inferiore del 10%.

Il nostro sole è una stella di classe G. Sebbene quelli più grandi e luminosi siano più impressionanti, sono di gran lunga meno numerosi. Sirio, una stella di classe A, è 20-25 volte più luminosa del nostro Sole, eppure le stelle O, B e A rappresentano solo l'1% delle stelle * in totale * nella galassia. Credito immagine: utente LucasVB di Wikimedia Commons.

Che le altre stelle siano Soli come i nostri non è stato dimostrato fino all'invenzione della spettroscopia, dove potremmo spezzare la luce in singole lunghezze d'onda e vedere le firme di quali atomi e molecole erano presenti. Circa il 90% delle stelle sono più piccole e più deboli delle nostre, circa il 5% è più massiccio e più luminoso e circa il 5% è simile al Sole per massa, dimensioni e luminosità. Negli ultimi 25 anni, abbiamo scoperto che i pianeti sono la norma attorno alle stelle, avendo confermato oltre 3.000 pianeti oltre il nostro sistema solare. Il veicolo spaziale Kepler della NASA è di gran lunga il più grande strumento per la ricerca di pianeti che abbiamo mai impiegato, scoprendo circa il 90% degli esopianeti che conosciamo oggi.

I 21 pianeti di Keplero scoperti nelle zone abitabili delle loro stelle, non più grandi del doppio del diametro terrestre. (Proxima b, non scoperto con Keplero, porterà il conteggio fino a 22.) La maggior parte di questi mondi orbita attorno a nani rossi, più vicini al

Misurando il modo in cui una stella si muove a causa del rimorchio gravitazionale dei suoi pianeti, possiamo inferire le loro masse e i loro periodi orbitali. Misurando l'oscuramento della luce di una stella a causa del passaggio di un pianeta di fronte a esso, possiamo misurare sia il suo periodo che la sua dimensione fisica. Finora, più di 20 mondi rocciosi, all'incirca delle dimensioni della Terra sono stati trovati nelle zone "potenzialmente abitabili" intorno alle loro stelle, il che significa che se questi mondi hanno atmosfere simili alla Terra, avranno le giuste temperature e pressioni per l'acqua liquida sulla loro superficie. Più di recente, Proxima Centauri, la stella più vicina al nostro Sole, è stata trovata per ospitare forse il pianeta più simile alla Terra, a soli 4,2 anni luce di distanza.

Rappresentazione di un artista di Proxima Centauri vista dalla parte

Per misurare con precisione le distanze dalle stelle, la tecnica migliore è misurare le loro posizioni nel modo più preciso possibile nel corso di un anno intero. Mentre la Terra si muove nella sua orbita attorno al Sole, viaggiando fino a 300 milioni di chilometri dalla sua posizione sei mesi prima, le stelle più vicine sembreranno spostarsi, allo stesso modo in cui il pollice sembra spostarsi se lo tieni a distanza di braccio e ne chiudi occhio all'inizio, poi aprilo e chiudi l'altro.

Il metodo di parallasse, impiegato da GAIA, prevede di notare l'apparente cambiamento di posizione di una stella vicina rispetto a quelle più distanti, di fondo. Credito di immagine: ESA / ATG medialab.

Questo fenomeno, noto come parallasse, non fu inizialmente misurato con precisione fino alla metà del XIX secolo, dandoci la distanza dalle stelle più vicine. Una volta che sai quanto è lontana una stella e misuri le sue altre proprietà, puoi usare quell'informazione per identificare altre stelle proprio come questa, e quindi determinare quanto lontano è qualsiasi cosa tu possa vedere nell'Universo. Possiamo passare dalle stelle più vicine a tutte le stelle della nostra galassia alle stelle nelle galassie oltre la nostra fino alle galassie più distanti osservabili.

Hubble eXtreme Deep Field (XDF), che ha rivelato circa il 50% in più di galassie per grado quadrato rispetto al precedente Ultra-Deep Field. Credito d'immagine: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Università della California, Santa Cruz; R. Bouwens, Università di Leida; e il team HUDF09.

Funziona proprio come una scala, dove passi sul primo gradino e usi quel gradino per passare al gradino successivo, e ogni volta che vai un po 'più avanti nel tuo viaggio. Il satellite GAIA dell'Agenzia spaziale europea, lanciato nel 2013, cerca di misurare le posizioni di parallasse di milioni di stelle, dandoci il "primo gradino" più sicuro sulla scala della distanza cosmica di tutti i tempi.

Una mappa della densità stellare nella Via Lattea e nel cielo circostante, che mostra chiaramente la Via Lattea, le nuvole magellaniche grandi e piccole e, se guardi più da vicino, NGC 104 a sinistra dell'SMC, NGC 6205 leggermente sopra e a sinistra di il nucleo galattico e NGC 7078 leggermente al di sotto. Credito d'immagine: ESA / GAIA.

Le stelle bruciano attraverso il loro combustibile proprio come fa il Sole: convertendo l'idrogeno in elio nei loro nuclei. Questo processo di fusione nucleare emette un'enorme quantità di energia da E = mc ^ 2 di Einstein, poiché ogni nucleo di elio che produci da quattro nuclei di idrogeno è più leggero dello 0,7% rispetto a quello con cui hai iniziato. Nel corso dei 4,5 miliardi di anni di storia del nostro Sole, ha perso circa la massa di Saturno nel processo di splendore. Ma ad un certo punto, il Sole e ogni stella nell'Universo rimarranno senza carburante nel suo nucleo.

L'anatomia del Sole, incluso il nucleo interno, che è l'unico posto in cui si verifica la fusione. Credito d'immagine: NASA / Jenny Mottar.

Quando lo fa, si espanderà e si trasformerà in un gigante rosso, fondendo l'elio in carbonio. Anche le stelle più massicce fonderanno il carbonio in ossigeno, l'ossigeno in silicio, zolfo e magnesio e le stelle più massicce fonderanno il silicio in ferro, cobalto e nichel. Le stelle come il nostro Sole moriranno dolcemente, soffiando via i loro strati esterni in una nebulosa planetaria, mentre le stelle più massicce moriranno in un'esplosione catastrofica di supernova, con entrambi i materiali riciclabili riciclabili nel mezzo interstellare.

Il nostro Sole avrà una durata complessiva di circa 12 miliardi di anni, mentre le stelle di massa più bassa (circa l'8% della massa del nostro Sole) bruceranno il loro combustibile più lentamente, vivendo per più di 10 trilioni di anni: molte volte il età attuale dell'Universo. Ma le stelle più massicce bruciano più rapidamente il loro combustibile, con alcune stelle che vivono solo pochi milioni di anni prima di morire ed espellere i loro elementi pesanti nell'Universo.

Il residuo della supernova N 49, trovato all'interno della nostra Via Lattea. Credito d'immagine: NASA / ESA e The Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

Questi elementi pesanti come carbonio, ossigeno, azoto, fosforo, silicio, rame e ferro non sono solo essenziali per la vita come la conosciamo, ma per creare in primo luogo pianeti rocciosi. Ci vogliono più generazioni di stelle che vivono, bruciano con il loro combustibile, muoiono e riciclano quegli ingredienti nello spazio, dove aiutano a formare le prossime generazioni di stelle, per dare vita a un mondo come la Terra. E qui, dal nostro punto di vista, siamo stati in grado di guardare nell'Universo, non solo attraverso le grandi distanze cosmiche, ma di nuovo nel passato dell'Universo.

La galassia NGC 7331, con galassie più distanti e più vicine, anche stelle in primo piano nella cornice. Credito d'immagine: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.

Il fatto che la velocità della luce sia limitata e costante, a 299.792.458 m / s, non significa solo che c'è un ritardo nell'invio di segnali su distanze molto grandi. Significa che mentre guardiamo oggetti lontani, non li vediamo come sono oggi, ma come se fossero tornati nel lontano passato dell'Universo. Guarda una stella a 20 anni luce di distanza e la vedi com'era 20 anni fa. Guarda una galassia distante 20 milioni di anni luce e la vedi 20 milioni di anni fa.

Galassie simili alla Via Lattea come lo erano in passato nell'Universo. Credito immagine: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University) e il team 3D-HST.

Siamo stati in grado di guardare così indietro, grazie a potenti telescopi come Hubble, che siamo stati in grado di vedere le galassie nell'Universo come lo erano miliardi di anni fa, quando l'Universo era solo un po 'del suo attuale età. Vediamo che in passato le galassie erano più piccole, meno massicce, più blu di colore intrinseco, formavano stelle più rapidamente ed erano meno ricche di questi elementi pesanti di cui abbiamo bisogno per formare pianeti. Vediamo anche che, nel tempo, queste galassie si fondono per formare strutture più grandi. Possiamo mettere insieme l'intera immagine e visualizzare come l'Universo si è evoluto per arrivare ad essere così com'è al momento.

L'intero universo è una vasta rete cosmica, dove galassie e ammassi di galassie si formano all'intersezione di questi filamenti cosmici. Nel mezzo, ci sono vasti vuoti cosmici privi di stelle e galassie, dove la gravitazione nelle regioni più dense ha portato via quella materia per usarla per altri scopi. Oggi vediamo che ciò accade sulla nostra scala locale, mentre le galassie del gruppo locale si stanno muovendo l'una verso l'altra. Ad un certo punto, dai quattro ai sette miliardi di anni in futuro, il nostro vicino più grande, Andromeda, si unirà alla nostra Via Lattea, creando una gigantesca galassia ellittica: Milkdromeda.

Una serie di immagini fisse che mostrano la fusione della Via Lattea-Andromeda e di come il cielo apparirà diverso dalla Terra mentre accade. Credito d'immagine: NASA; Z. Levay e R. van der Marel, STScI; T. Hallas; e A. Mellinger.

E intanto l'Universo continua ad espandersi, verso un destino più freddo, più vuoto, più distante. Le galassie oltre il nostro gruppo locale si allontanano dalle nostre e dalle altre. Le cose che sono legate gravitazionalmente insieme - pianeti, stelle, sistemi solari, galassie e ammassi di galassie - rimarranno legate insieme finché le stelle bruceranno nel nostro Universo. Ma ogni singolo gruppo o ammasso di galassie si allontanerà da tutti gli altri, mentre l'Universo diventa più freddo e più solitario col passare del tempo.

I quattro possibili destini dell'Universo con la sola materia, radiazione, curvatura e una costante cosmologica consentiti. Il

Il che significa che se torniamo all'inizio e chiediamo come sia potuto accadere, abbiamo:

  • un universo osservabile che iniziò con uno stato caldo, denso, per lo più uniforme, noto come Big Bang;
  • quello si raffreddò, permettendo alla materia e all'antimateria di annichilarsi, lasciando solo una piccola quantità di materia rimasta;
  • quello si raffreddò ulteriormente, permettendo a protoni e neutroni di fondersi insieme in elio senza essere distrutti;
  • quello si è ulteriormente raffreddato, consentendo la creazione di atomi stabili e neutri;
  • dove le imperfezioni gravitazionali sono cresciute e cresciute, portando a raggruppare gas in alcune regioni, che è diventato abbastanza denso da formare le prime stelle;
  • dove le stelle più massicce bruciavano attraverso il loro combustibile, morivano e riciclavano i loro elementi più pesanti nel mezzo interstellare;
  • piccoli ammassi stellari e galassie si fondevano e crescevano, innescando nuove ondate di formazione stellare;
  • dove dopo miliardi di anni si formano nuove stelle con pianeti rocciosi su di loro e gli ingredienti per la vita;
  • dove le galassie che le ospitano sono diventate i giganti a spirale ed ellittici che abbiamo oggi;
  • e dove, 9,2 miliardi di anni dopo il Big Bang, si forma un ammasso stellare run-of-the-mill in una galassia a spirale isolata, dove il 2% degli elementi è ora più pesante dell'idrogeno e dell'elio;
  • uno dei quali sembra essere il nostro Sole;
  • e dove, dopo ulteriori 4,54 (circa) miliardi di anni, sorge una specie intelligente che può iniziare a mettere insieme i pezzi della nostra storia cosmica, capendo da dove veniamo per la prima volta.
L'affresco Bertini di Galileo Galilei che mostra al Doge di Venezia come usare il telescopio, 1858.

Ci sono altre cose che abbiamo imparato e c'è più profondità da esplorare su tutti questi problemi. (Il mio primo libro, Beyond The Galaxy, fa esattamente questo.) Sì, ci sono ancora domande su cui stiamo ancora lavorando, come come è nata l'asimmetria materia / antimateria, come è stato istituito e avviato il Big Bang e come , esattamente, l'Universo incontrerà il suo destino finale. Ma le domande su come appare l'Universo, su come è arrivato in questo modo e su cosa sta facendo fisicamente hanno avuto una risposta: non da filosofi, poeti o teologi, ma dallo sforzo scientifico. E se le nuove grandi domande devono avere una risposta - quelle che hanno sollevato le risposte alle precedenti grandi domande - sarà, ancora una volta, la scienza a mostrarci la strada.

Questo post è apparso per la prima volta a Forbes ed è offerto gratuitamente dai nostri sostenitori di Patreon. Commenta sul nostro forum e acquista il nostro primo libro: Beyond The Galaxy!