Se l’universo si espande, cosa c’è al di fuori? E dove trova lo spazio per crescere?

Se l’universo si sta espandendo, dove si sta espandendo? Che cosa c’è oltre il suo confine? E se fuori non c’è nulla, come può continuare a diventare più grande?

Sono domande molto intuitive, perché nella vita quotidiana ogni cosa che aumenta di dimensioni occupa uno spazio che prima apparteneva a qualcos’altro. Un palloncino si gonfia dentro una stanza. Una macchia d’olio si allarga sulla superficie dell’acqua. Una città cresce occupando territorio.

Con l’universo questa immagine smette di funzionare. Secondo la cosmologia moderna, l’universo non ha bisogno di espandersi dentro uno spazio esterno. L’espansione riguarda la geometria e le distanze dello spazio stesso.

Il problema nasce dalla parola “espansione”

Quando sentiamo dire che l’universo si espande, è facile immaginare una grande sfera cosmica che aumenta continuamente di diametro. All’esterno della sfera immaginiamo allora uno spazio nero e vuoto nel quale l’universo avanza.

Questa rappresentazione è fuorviante.

Nella relatività generale lo spazio non è semplicemente un contenitore rigido nel quale sono collocate stelle e galassie. Lo spazio-tempo possiede una propria geometria, e questa geometria può evolvere.

Su scale cosmologiche, ciò che osserviamo è un aumento delle distanze tra galassie e gruppi di galassie sufficientemente lontani e non legati tra loro dalla gravità. Più precisamente, i cosmologi descrivono questo fenomeno mediante un fattore di scala che cambia nel tempo.

Immaginiamo, in maniera molto semplificata, tre galassie separate da distanze di 1, 2 e 3 unità. Se il fattore di scala raddoppia, le distanze diventano 2, 4 e 6. Non è necessario introdurre un bordo che si sposta verso l’esterno: è cambiata la distanza misurata tra i punti.

Quindi l’universo non si espande “dentro” qualcosa?

Il modello cosmologico standard non richiede uno spazio esterno.

John Mather, premio Nobel per la fisica e senior project scientist del James Webb Space Telescope, utilizza una formulazione particolarmente chiara nelle spiegazioni della NASA: il Big Bang non va immaginato come un petardo esploso in un punto preciso dello spazio. Non conosciamo un centro dell’espansione e l’universo primordiale caldo e denso riguardava lo spazio nel suo insieme.

Chiedere dove sia avvenuto il Big Bang, quindi, è diverso dal chiedere dove sia esplosa una stella. Una supernova avviene in un luogo dell’universo. Il Big Bang descrive l’evoluzione iniziale dell’universo stesso.

🚀 Leggi la spiegazione NASA sul Big Bang
🔭 Esplora Astronomia Slow

L’esempio del palloncino: utile, ma con un limite importante

Una delle analogie più diffuse è quella del palloncino.

Immaginiamo alcune galassie disegnate sulla sua superficie. Gonfiandolo, ogni disegno vede gli altri allontanarsi. Nessuno dei punti sulla superficie può indicare un punto particolare come centro dell’espansione della superficie stessa.

L’esempio aiuta a capire perché tutte le galassie lontane possono allontanarsi reciprocamente senza che la Terra occupi il centro dell’universo.

C’è però una precauzione fondamentale: l’interno e l’esterno del palloncino non rappresentano necessariamente qualcosa di reale nell’universo. Servono a noi, osservatori tridimensionali, per visualizzare una superficie bidimensionale che cambia dimensioni.

Non bisogna quindi concludere che anche il nostro universo tridimensionale debba necessariamente essere immerso in una quarta dimensione spaziale esterna. La relatività generale permette di descrivere la geometria dello spazio senza introdurre un simile contenitore.

Ma se non c’è niente fuori, come può diventare più grande?

Qui la difficoltà è soprattutto intuitiva: siamo abituati a pensare che “più grande” significhi occupare una quantità maggiore di un contenitore già esistente.

In geometria non è sempre necessario ragionare così.

Uno spazio può essere descritto attraverso le distanze misurate al suo interno. Se quelle distanze cambiano nel tempo, lo spazio può avere una scala diversa senza che sia necessario specificare un ambiente esterno nel quale collocarlo.

In cosmologia si parla per questo di espansione metrica dello spazio. È una maniera più precisa di dire che “l’universo diventa più grande”.

L’espansione crea nuovo vuoto?

Neppure il termine vuoto coincide con il “nulla”.

In fisica, il vuoto è comunque una regione dello spazio-tempo. Può essere quasi priva di materia ordinaria, ma possiede proprietà fisiche e può contenere campi e radiazione.

L’espansione cosmica non può quindi essere descritta come un universo che produce del vuoto davanti al proprio confine. Non conosciamo un fronte esterno che avanza.

Le regioni cosmiche possono invece diventare progressivamente più distanti tra loro. A parità di quantità di materia, questo comporta anche una diminuzione della densità media della materia mentre l’universo si espande.

Un universo infinito può espandersi?

Sì. È uno degli aspetti che inizialmente sembrano più strani.

Se l’universo fosse infinito, potrebbe essere stato infinito anche in passato. L’espansione non significherebbe che una regione finita sta conquistando progressivamente altro spazio. Significherebbe che le distanze tra punti molto lontani aumentano ovunque.

Pensiamo a una linea infinita sulla quale alcuni punti distano un metro l’uno dall’altro. Se tutte le distanze diventassero due metri, la linea sarebbe ancora infinita. Nessun nuovo bordo sarebbe comparso e nessuna estremità avrebbe dovuto avanzare.

Questo esempio non dimostra che l’universo reale sia infinito. Serve soltanto a mostrare che “infinito” ed “espansione” non sono concetti incompatibili.

Sappiamo se l’universo è infinito?

No.

Le misure della radiazione cosmica di fondo indicano che, sulle grandi scale che possiamo studiare, la geometria dell’universo è estremamente vicina a quella che i cosmologi chiamano piatta.

Una geometria piatta è compatibile con un universo infinito, ma le osservazioni non dimostrano che debba esserlo necessariamente. Esistono geometrie e topologie nelle quali uno spazio può essere finito senza possedere un bordo fisico.

È quindi più prudente dire che non conosciamo la dimensione totale dell’universo.

NASA sottolinea che possiamo trarre conclusioni sulla parte accessibile alle nostre osservazioni, mentre non possiamo semplicemente estendere quelle misure fino a dichiarare con certezza che l’intero cosmo sia infinito.

Finito ma senza bordo: è possibile?

Sì, almeno matematicamente.

La superficie terrestre offre ancora una volta un’analogia semplice. Ha un’area finita, ma una persona che camminasse sempre nella stessa direzione non incontrerebbe un bordo dal quale cadere. Continuerebbe a seguire la superficie e, prima o poi, potrebbe tornare nella zona di partenza.

La Terra è naturalmente una superficie bidimensionale curva inserita in uno spazio tridimensionale, mentre la geometria cosmica è più complessa. L’esempio serve soltanto a mostrare che “finito” non significa automaticamente “dotato di un muro esterno”.

La possibile forma globale dell’universo, chiamata in cosmologia anche topologia, rimane un argomento di ricerca.

L’universo osservabile non è tutto l’universo

Un altro equivoco frequente nasce dalle immagini che mostrano una grande sfera chiamata “universo osservabile”.

Quella sfera non rappresenta necessariamente il confine dell’universo. Rappresenta il limite della regione dalla quale la luce ha avuto la possibilità di raggiungerci considerando l’età e la storia dell’espansione cosmica.

L’universo ha circa 13,8 miliardi di anni, ma la regione oggi osservabile ha un diametro di circa 93 miliardi di anni luce. Non è una contraddizione: mentre la luce viaggiava verso di noi, lo spazio attraversato continuava a espandersi.

Gli oggetti che osserviamo nelle regioni più remote erano quindi molto più vicini quando emisero la luce che riceviamo oggi. Nel frattempo, la loro distanza attuale è aumentata.

Per entrare meglio nelle enormi scale astronomiche potete leggere anche la guida di VCL su quanto tempo servirebbe per raggiungere le stelle più vicine viaggiando alla velocità della luce e l’articolo dedicato a Via Lattea e Galassia di Andromeda.

Perché allora le galassie si allontanano?

L’espansione si manifesta soprattutto sulle grandi scale cosmologiche. In media, le galassie molto lontane risultano allontanarsi più rapidamente quanto maggiore è la loro distanza, secondo la relazione alla base della legge di Hubble-Lemaître.

Questo non significa però che ogni cosa venga continuamente stirata.

Gli atomi non aumentano di dimensione. La Terra non cresce per effetto dell’espansione cosmica. Il Sistema solare non si allarga seguendo il flusso di Hubble e la nostra stessa galassia è tenuta insieme dalla gravità.

Su queste scale le forze che legano i sistemi sono molto più importanti dell’espansione cosmologica. La Via Lattea e Andromeda, per esempio, appartengono allo stesso Gruppo Locale e il loro moto reciproco è dominato dalla gravità locale.

Se vi interessa capire quanto lontano possa agire una forza gravitazionale, su VCL abbiamo affrontato un problema simile nella guida “Gravità del Sole: come fa a influenzare oggetti così lontani?”.

Perché l’espansione sta accelerando?

Alla fine degli anni Novanta le osservazioni di supernove lontane hanno mostrato che l’espansione cosmica recente non sta rallentando nel modo atteso: sta accelerando.

Nel modello cosmologico standard questo comportamento viene descritto introducendo ciò che chiamiamo energia oscura. Il nome può dare l’impressione che sappiamo di che cosa si tratti, ma la sua natura fisica rimane una delle grandi questioni aperte della cosmologia.

Una possibilità è collegarla alla costante cosmologica e quindi a una proprietà dello stesso spazio vuoto. Esistono anche altre ipotesi, e le osservazioni moderne cercano di capire se l’accelerazione cosmica possa cambiare nel tempo e quale modello la descriva meglio.

🌌 Approfondisci l’energia oscura con NASA
🛰️ Consulta la storia dell’universo

E se esistessero davvero qualcosa o qualcuno “fuori” dall’universo?

Alcune teorie fisiche hanno esplorato scenari con dimensioni aggiuntive, universi multipli o regioni cosmiche separate. Sono idee studiate in diversi contesti teorici, ma non costituiscono una risposta osservativa alla domanda “che cosa c’è fuori?”.

Al momento non abbiamo prove che mostrino un ambiente esterno nel quale il nostro universo è immerso.

Per questo è importante separare due affermazioni:

• la cosmologia standard non ha bisogno di uno spazio esterno per descrivere l’espansione;
• la scienza non ha dimostrato che fuori dall’universo ci sia il “nulla”, perché potrebbe essere proprio il concetto di “fuori” a non avere significato fisico in questo contesto.

Allora, cosa dovremmo immaginare?

Probabilmente la soluzione migliore è rinunciare all’immagine dell’universo come una palla che galleggia in una stanza nera.

Possiamo immaginare invece una rete di distanze. Le galassie occupano punti di questa rete e, su scale molto grandi, le distanze tra punti non legati gravitazionalmente aumentano con il tempo.

La rete non deve necessariamente avere un bordo. Non sappiamo se continui indefinitamente oppure se possieda una geometria globale finita. Sappiamo però che guardando lontano osserviamo un universo che in passato era molto più caldo e denso, e che la sua espansione ha lasciato segnali misurabili nella luce delle galassie e nella radiazione cosmica di fondo.

Questa è una delle situazioni in cui l’intuizione costruita sulla vita quotidiana incontra i propri limiti. Un tavolo deve stare dentro una stanza. Una stanza deve occupare una porzione di un edificio. Per lo spazio-tempo nel suo complesso, la stessa catena di contenitori non è richiesta dalle leggi fisiche che utilizziamo oggi.

In conclusione: cosa c’è fuori dall’universo?

La risposta scientificamente più corretta è: non lo sappiamo e potrebbe non esistere un “fuori” nel senso spaziale della parola.

L’universo non viene descritto come una sfera di materia che si allarga dentro un vuoto esterno. L’espansione cosmica riguarda l’aumento delle distanze su grande scala all’interno dello spazio-tempo.

Oltre la parte che possiamo osservare potrebbe esserci molto altro universo. Quanto sia grande nel complesso, se sia infinito e quale sia la sua topologia globale sono domande ancora aperte.

Quindi l’universo non deve creare un vuoto nel quale entrare. È la scala delle distanze cosmiche a cambiare. Ed è proprio questo passaggio, apparentemente semplice, che rende l’espansione dell’universo così difficile da rappresentare con immagini tratte dalla nostra esperienza quotidiana.

🔭 Altri articoli di Astronomia Slow
🔬 Esplora Slow Science