Il mese scorso, potresti aver visto il post del blog, Guarda in alto! Esplorare il cosmo vicino e lontano . Siamo stati lieti di presentare l'autore, il professore e l'astrofisico teorico best-seller, Dott.ssa Katie Mack , e astrofisico e professore osservativo, Il dottor JJ. Ermete , per il nostro primo episodio del 2022 di Statisticamente parlando. Abbiamo ricevuto così tante grandi domande dal nostro pubblico che non siamo riusciti a risponderle tutte. Il dottor Mack e il dottor Hermes hanno gentilmente accettato di rispondere ad alcune di queste domande in questo post sul blog.
Abbiamo una teoria su cosa abbia causato le fluttuazioni nel fondo cosmico a microonde?
Dott. Mack: Lo sfondo cosmico a microonde - la luce proveniente dai luoghi più remoti dell'universo osservabile che ci offre una visione del plasma primordiale che ha riempito il nostro cosmo nei suoi primi 380.000 anni - è quasi del tutto uniforme. Le fluttuazioni della temperatura (o densità) di quel plasma luminoso e luminoso sono solo al livello di circa 1 su 100.000. Quelle minuscole fluttuazioni sono cruciali, tuttavia: attraverso un lento collasso gravitazionale, piccoli picchi nella densità del plasma primordiale alla fine sono cresciuti fino a diventare oggi interi ammassi di galassie.
Abbiamo alcune teorie sull'origine di queste fluttuazioni. La teoria più importante è quella dell'inflazione cosmica: un processo attraverso il quale l'universo primordiale si espanse estremamente rapidamente per un breve periodo e, attraverso fluttuazioni quantistiche nel campo che guidano quell'espansione, stabilirono minuscole variazioni nella densità dell'energia nell'universo . Quando l'universo ha continuato a crescere a un ritmo più rilassato, anche quei piccoli picchi di densità sono cresciuti. Questo processo sembra corrispondere alle nostre osservazioni sulla distribuzione di quei blip in tutto l'universo, ma ci sono ancora dibattiti nella comunità dei fisici sul fatto che l'inflazione o qualche altro processo sia la migliore spiegazione.
Perché la morte termica è lo scenario più probabile di fine universo?
Dott. Mack: Non sappiamo con certezza come finirà l'universo. Il meglio che possiamo fare è estrapolare dalle osservazioni attuali, usando le nostre migliori teorie o modelli per collegare i dati che abbiamo ora con come ci aspettiamo che un universo che assomiglia al nostro oggi si evolverà in futuro. Sappiamo dalle nostre osservazioni di galassie lontane che l'universo si sta espandendo. Per molto tempo, gli astronomi hanno cercato di determinare se l'espansione continuerà per sempre, o se un giorno si invertirà e farà contrarre nuovamente l'universo. Non possiamo ancora dirlo con certezza, ma quello che possiamo dire è che l'espansione sta accelerando, ed è stata per diversi miliardi di anni, il che suggerisce che è improbabile che si verifichi un'inversione di tendenza. Qualunque cosa stia causando l'accelerazione dell'espansione (la chiamiamo "energia oscura") sembra essere la componente più importante dell'universo in questo momento, guidando la sua evoluzione futura. I nostri modelli cosmologici ci dicono che finché l'espansione accelererà, il cosmo alla fine diventerà molto freddo e vuoto, con la materia e la radiazione che diventeranno sempre più diffuse. Un universo del genere evolve inevitabilmente verso una Morte Calore in cui tutto ciò che è rimasto nel cosmo è il "calore disperso" di tutti i processi astrofisici avvenuti e, nel lento decadimento che avviene in qualsiasi sistema fisico, si sono bruciati e sono decaduti lontano.
Qualche idea su cosa succede dopo la fine dell'universo? Inizierà un altro universo o sarà la fine della storia?
Dott. Mack: Quando parlo della "fine" dell'universo, intendo un processo mediante il quale ogni oggetto o struttura nell'universo osservabile viene, in un modo o nell'altro, distrutto. Qualcosa come un Heat Death lo realizzerebbe attraverso un lento decadimento nel corso di trilioni e trilioni di anni; un processo come il decadimento del vuoto sarebbe molto più improvviso e violento. In ogni caso, ci sono possibilità che includono qualcosa che accadrà dopo che si è verificato il processo di distruzione finale, anche se ci sono anche possibilità che non lo fanno. Non tutte le estremità di tutte le cose del cosmo terminano definitivamente lo stesso spaziotempo. Ci sono alcune possibilità (alcune delle quali discuto nel mio libro) per un nuovo Big Bang dopo la distruzione del nostro cosmo. Se ci sbagliamo sull'energia oscura, e si rivela essere qualcosa che potrebbe cambiare radicalmente la sua natura in futuro, potrebbe portare a un Big Crunch, in cui il cosmo collasserebbe su se stesso. Questo non porterebbe necessariamente a un nuovo Big Bang, ma ci sono alcuni modelli speciali in cui un universo al collasso potrebbe "rimbalzare". (Sono modelli più speculativi rispetto all'idea originale di Big Crunch.) Ci sono stati anche suggerimenti che un nuovo Big Bang potrebbe verificarsi dopo una Heat Death. E anche oltre, ci sono modelli multiverso in cui ci sono regioni dello spazio ben oltre i confini del nostro universo osservabile in cui l'evoluzione cosmica potrebbe avvenire in un modo completamente diverso, con Big Bang e finali cosmici su linee temporali diverse.
Molti fisici stanno studiando queste idee, spesso guardando alle origini del nostro cosmo per trovare indizi sulla possibilità che il nostro universo sia arrivato dopo la fine di un ciclo precedente di qualche tipo. Non abbiamo ancora una risposta definitiva, però.
Quale particella nel modello standard è associata alla forza di gravità?
Dott. Mack: Il modello standard di fisica delle particelle non include una particella associata alla gravità, motivo per cui sappiamo che è incompleto! La nostra migliore comprensione della gravità viene dalla teoria della relatività generale di Einstein. Questa teoria suggerisce che la gravità non è una "forza" nello stesso senso delle altre forze, ma è in realtà una conseguenza della curvatura dello spazio stesso. È una bella teoria, ma non si adatta facilmente alla nostra struttura con le altre forze della natura, come l'elettromagnetismo e le forze nucleari del Modello Standard. Questi sono tutti basati sulla meccanica quantistica (o teoria quantistica dei campi, per essere più precisi) e coinvolgono particelle chiamate bosoni di gauge che agiscono come portatori di forza delle forze fondamentali. La ricerca di unire gravità e meccanica quantistica è stato uno dei progetti più importanti della fisica teorica degli ultimi cento anni. La teoria delle stringhe è uno dei principali contendenti per il premio della teoria definitiva che unirebbe gravità e meccanica quantistica, ma non è né pienamente accettata né verificata sperimentalmente (e potrebbe non esserlo mai). In ogni caso, le teorie della gravità quantistica contengono generalmente un'ipotetica particella che trasporta la gravità, chiamata gravitone. Il gravitone non è stato rilevato, ma abbiamo osservazioni che possono dirci qualcosa al riguardo, se effettivamente esiste. Ad esempio, sappiamo che se i gravitoni esistono, devono essere privi di massa, perché gli effetti della gravità viaggiano alla velocità della luce, e quindi anche qualsiasi cosa stia trasportando gravità, e solo le particelle senza massa possono farlo. Ma è ancora da determinare esattamente come questo ipotetico gravitone si inserirebbe in una teoria più ampia e completa del Modello Standard.
Se fossi in piedi su una delle stelle lontano da noi, l'universo sarebbe lo stesso o sembrerebbe che il bordo sia più vicino a noi da un lato?
Dott. Mack: Non c'è limite all'universo, per quanto ne sappiamo. C'è un limite a quanto lontano possiamo vedere nell'universo, ed è determinato da quanto tempo il cosmo è in circolazione. In sostanza, se ci sono cose là fuori così lontano che la luce di quelle cose impiegherebbe più tempo dell'età dell'universo (13,8 miliardi di anni) per raggiungerci, è oltre il confine del nostro universo osservabile. Quindi viviamo in una specie di bolla in uno spazio molto più grande, dove quella bolla è definita da quella distanza oltre la quale non possiamo vedere, nemmeno in linea di principio. Non vediamo alcuna prova di un limite fisico reale o di un cambiamento drammatico in com'è lo spazio in luoghi diversi – è solo una questione di prospettiva, come l'orizzonte quando sei sulla Terra. Ovunque ti trovi in questo momento, l'orizzonte definisce un cerchio intorno a te, oltre il quale non puoi vedere. Quel cerchio dipende dalla tua prospettiva in cui ti trovi ed è determinato dalla curvatura della Terra, ma se viaggiassi a poche miglia di distanza, l'orizzonte traccerebbe un cerchio diverso. È la stessa idea nel cosmo. Una galassia a 10 miliardi di anni luce da noi non è più vicina a nessun tipo di bordo. Ha la sua bolla dell'universo osservabile, centrata su se stessa, e può vedere parti del cosmo che noi non possiamo. Per quanto ne sappiamo, a grandi linee, l'universo è praticamente lo stesso ovunque guardiamo. Quindi probabilmente quello che qualcuno vedrebbe intorno a loro (in termini di distribuzione delle galassie, la struttura generale della materia nell'universo, ecc.) da quella galassia lontana assomiglierebbe molto a quello che vediamo da qui.
Quando qualcosa passa davanti a una stella, come si fa a determinare se è una cosa minuscola che è WAAY davanti o una COSA ENORME che è molto vicina alla stella?
Dott. Hermes: Poiché le stelle sono così lontane, non riusciamo quasi mai a risolvere le loro superfici, quindi tutte le stelle coprono la stessa area sui nostri rivelatori! Quindi non importa se un pianeta sta passando davanti alla stella molto vicino alla stella o molto lontano, l'area del pianeta bloccherà sempre la stessa quantità di area della stella ospite e causerà la stessa profondità del transito di un pianeta . Questo rende le cose un po' più facili.
Ma la tua domanda arriva a una complicazione che abbiamo: come facciamo a sapere se è un piccolo pianeta che transita davanti a una piccola stella, o un grande pianeta che proietta un'ombra su una grande stella? Questo è quasi sempre un problema in astronomia: c'è qualcosa di piccolo e vicino o di grande e lontano? A meno che non possiamo determinare la dimensione (raggio) della stella ospite, non possiamo dire la differenza tra una piccola cosa che passa davanti a una piccola stella, o una grande cosa davanti a una grande stella! Fortunatamente abbiamo metodi abbastanza affidabili per determinare il raggio di una stella, sia determinando la sua distanza e usandola per stimare il raggio necessario per abbinare la sua luminosità osservata, sia in alcuni casi speciali usando i terremoti per migliorare la nostra stima del raggio della stella ospite. In genere possiamo misurare il raggio di una stella e quindi il suo esopianeta, con un'incertezza di pochi punti percentuali.
Ci sono un certo numero di giovi caldi. Quale sarebbe il loro destino nella fase di gigante rossa?
Dott. Hermes: Giove caldo sono stati alcuni dei primi pianeti trovati perché sono pianeti giganti che orbitano molto vicino alla stella ospite, molte volte più vicino di Mercurio nel nostro sistema solare. Quasi sicuramente nessuno dei gioviani caldi che conosciamo attualmente sopravviverà poiché la loro stella ospite si evolverà in una stella gigante. In effetti, ci sono diversi ricercatori là fuori che cercano di trovare pianeti giganti attorno a stelle giganti, e il mese scorso hanno annunciato una serie di pianeti che sono destinati a essere inghiottiti dalla loro stella ospite molto presto:
https://keckobservatory.org/doomed-planets .
