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Quant'è grande l'Universo?

articolo di Belli Sirio

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L'Universo è finito o infinito? Qual è il suo volume? Ha un bordo, oltre il quale non si può andare? Gli uomini si sono posti queste domande sin dai tempi più remoti, e ancora oggi non esistono risposte certe. Però grazie alla cosmologia, che è quella branca dell'astrofisica che si occupa di studiare la struttura e l'evoluzione dell'intero universo, possiamo finalmente fare qualche ipotesi ragionevole.

Secondo la teoria della relatività generale, che è stata confermata da numerosi esperimenti, lo spazio e il tempo sono legati in un'unica entità fisica, chiamata spaziotempo. Ogni corpo ha la capacità di curvare lo spaziotempo circostante in misura proporzionale alla propria massa, e questa curvatura si manifesta come una forza di attrazione che noi abbiamo battezzato forza di gravità. Ad esempio, un sasso del peso di 1 kg curva lo spaziotempo in una maniera totalmente trascurabile; al contrario la Terra crea una curvatura tale da tenere gli uomini saldamente ancorati ad essa. Il caso più estremo è quello dei buchi neri, i quali hanno una massa così grande che nelle loro vicinanze lo scorrere del tempo rallenta fino a fermarsi, a causa di una curvatura dello spaziotempo molto intensa.

Ma questo ragionamento lo si può applicare anche all'universo intero, anziché a questo o quell'oggetto. Infatti, se noi potessimo pesare tutta la materia che esiste nell'universo saremmo in grado di calcolare la curvatura di tutto lo spaziotempo. Se la densità totale risultasse molto alta, fosse cioè al di sopra di un certo limite chiamato densità critica, allora la curvatura dell'universo sarebbe così forte da rendere lo spazio "chiuso". In uno scenario del genere l'universo ha un volume totale finito, che si potrebbe misurare, ad esempio, in litri (naturalmente sarebbe un numero spaventosamente alto!), e che aumenta al passare del tempo a causa dell'espansione. Questo fatto però non implica necessariamente che l'universo sia limitato, che esista cioè un bordo o un confine oltre il quale non si possa andare; al contrario l'universo in questo caso risulta illimitato: muovendosi verso ogni direzione dopo un po' ci si ritroverebbe al punto di partenza. Un'analogia è quella con la superficie della Terra: nonostante sia finita, non esistono bordi. Non solo, ma possiamo anche immaginare una Terra in espansione, che nasce in un punto (l'analogo del Big Bang) e continua ad aumentare le sue dimensioni, sempre mantenendo la forma sferica. Per essere completa, l'analogia deve però essere estesa ad una dimensione in più: la superficie terrestre ha due dimensioni spaziali, mentre l'Universo che noi conosciamo ne ha tre. Anche se risulta praticamente impossibile visualizzare una "sfera in 4 dimensioni" (chiamata ipersfera), matematicamente è molto semplice estendere la descrizione della sfera ad un numero di dimensioni a piacere.

Se invece la densità dell'universo risulta minore della densità critica, la curvatura è tale da generare un universo, detto "aperto", che risulta spazialmente infinito. In questo tipo di universo il numero di stelle e galassie è infinito, così come infinito risulta il volume totale dello spazio. Negli ultimi anni sono stati fatti numerosi tentativi di misura della densità dell'universo, i quali però sono complicati dal fatto che gran parte della massa totale è sotto forma di materia oscura, un tipo di materia sconosciuta che non si riesce a vedere al telescopio e che è stata scoperta solo tramite metodi indiretti. Nonostante ciò, sono stati fatti incredibili progressi nella misura della densità dell'universo, e lo scenario oggi più probabile è quello di un universo "piatto", ovvero con una densità esattamente uguale alla densità critica. Questo implicherebbe un universo infinito, contenente un'infinità di galassie, stelle e pianeti.

Può forse far sorridere parlare di probabilità per questioni così fondamentali, ma la caratteristica della scienza, e in particolare di una scienza giovane e ad uno stato pionieristico come la cosmologia, è proprio quella di non poter fornire risultati certi o assoluti, ma solamente "ragionevoli".


 
 
 

 
osservatorio
Questo articolo è stato pubblicato sul giornalino Pulsar (numero 30, anno 2010)

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