L’universo in cui viviamo è immensamente vasto e in gran parte ancora sconosciuto. Una distinzione fondamentale che gli astronomi fanno è tra l’universo osservabile – la porzione del cosmo che possiamo effettivamente vedere o misurare – e l’universo non osservabile o oltre l’orizzonte – le regioni che esistono oltre i limiti imposti dalla velocità della luce e dall’età finita del cosmo. La grandezza dell’universo attuale può essere analizzata considerando sia la scala dell’universo osservabile (il suo raggio, volume e contenuto in galassie) sia ciò che si ipotizza sull’intero universo al di là del nostro orizzonte visibile. Il limite del nostro sguardo è determinato dalla velocità della luce e dall’età dell’universo, mentre le teorie cosmologiche attuali delineano un universo che potrebbe essere infinito, finito ma illimitato, oppure estendersi in regioni inaccessibili oltre il nostro orizzonte cosmico. Le osservazioni cosmologiche più recenti, tra cui i dati del telescopio spaziale James Webb e della missione Planck, hanno contribuito a perfezionare la nostra comprensione della reale scala dell’universo.
L’universo osservabile può essere immaginato come una sfera centrata sull’osservatore (per noi, la Terra) che racchiude tutto ciò da cui è potuta giungere luce dall’inizio del cosmo fino a oggi. Questo “orizzonte osservativo” ha un raggio enorme. Sebbene l’età dell’universo sia di circa 13,8 miliardi di anni, l’espansione dello spazio fa sì che oggi vediamo oggetti la cui luce ha viaggiato per 13,8 miliardi di anni a distanze ben maggiori. In altre parole, fotoni partiti poco dopo il Big Bang da una distanza iniziale di 13,8 miliardi di anni luce sono ora provenienti da oggetti che si trovano a circa 46 miliardi di anni luce da noi. Di conseguenza, il diametro dell’universo osservabile risulta di circa 93 miliardi di anni luce. In unità metriche, ciò equivale a oltre 8,8 × 10^26 metri – un numero difficilmente immaginabile.
Queste distanze delineano un volume straordinariamente grande. Approssimando l’universo osservabile come una sfera di raggio ~46 miliardi di anni luce, il suo volume risulta di circa 4 × 10^32 anni luce cubici. Si tratta di uno spazio in cui trovano posto un numero enorme di galassie e altri oggetti cosmici. Le stime sul numero di galassie nell’universo osservabile sono state riviste negli ultimi anni: in passato si parlava di circa 100–200 miliardi di galassie, ma ricerche più recenti (ad esempio analizzando i campi profondi del telescopio Hubble) hanno rivelato che questa era una forte sottostima. Gli astronomi oggi ritengono che l’universo osservabile contenga almeno 2 mila miliardi (2 × 10^12) di galassie – dieci volte di più di quanto stimato in precedenza. Gran parte di queste galassie sono molto deboli o lontane e non sono ancora osservabili con la tecnologia attuale: si calcola infatti che oltre il 90% delle galassie del nostro volume osservabile siano troppo fioche o distanti per essere rilevate oggi. Questo significa che il cielo è in realtà pieno di galassie in ogni direzione (come suggerisce anche la soluzione al paradosso di Olbers, per cui il buio notturno dipende proprio dai limiti osservativi e dall’espansione). In aggiunta alle galassie, l’universo osservabile contiene circa 10^22–10^23 stelle (decine di miliardi di trilioni), innumerevoli pianeti, ammassi di galassie, quasar, nonché la radiazione di fondo cosmica a microonde che pervade tutto lo spazio. In sintesi, la porzione osservabile del cosmo è già di per sé immensa: un volume di decine di miliardi di anni luce di raggio, popolato da miliardi di galassie e strutture cosmiche a grande scala.
Il concetto di “universo osservabile” e i suoi limiti
L’idea di universo osservabile nasce dal fatto che né la luce né alcuna informazione possono viaggiare all’istante: esiste un limite di velocità cosmico – la velocità della luce. Poiché l’universo ha un’età finita (~13,8 miliardi di anni) e non possiamo vedere nulla la cui luce non abbia avuto il tempo di raggiungerci, ne consegue che attorno a noi esiste un orizzonte cosmico. Al di dentro di questo orizzonte ricadono tutti gli oggetti da cui la luce (o altre forme di radiazione) ha potuto arrivare fino a oggi; al di fuori, invece, vi sono zone da cui nulla ci è ancora pervenuto. In pratica, l’universo osservabile è quella “bolla” sferica centrata sulla Terra che comprende tutto ciò che è causalmente connesso con noi dall’inizio del tempo. Non è un confine fisico dell’universo, ma un limite apparente dovuto al fatto che l’universo ha un’età finita e la velocità della luce è finita. Anche se l’universo fosse infinito o continuasse oltre, noi non possiamo (per ora) vederne oltre una certa porzione. Un modo semplice per pensarci è immaginare di essere in mezzo all’oceano: l’orizzonte visibile intorno a noi è delimitato dalla curvatura terrestre, ma oltre quell’orizzonte c’è più oceano – semplicemente non ne abbiamo vista diretta. Allo stesso modo, oltre il nostro orizzonte osservabile c’è verosimilmente altro universo.
Va sottolineato che l’orizzonte osservabile si espande nel tempo. Ogni anno che passa, la luce di regioni un po’ più lontane giunge fino a noi per la prima volta, rendendo visibile un volume leggermente maggiore di universo. Si stima che il raggio dell’universo osservabile aumenti di circa un anno luce per ogni anno che passa (salvo effetti dell’espansione accelerata, di cui diremo più avanti). Ciò significa che col passare del tempo possiamo osservare porzioni prima invisibili. Tuttavia, a causa dell’espansione in accelerazione dovuta all’energia oscura, esiste anche un orizzonte ultimo o orizzonte degli eventi cosmologico: regioni talmente remote che, pur emettendo luce oggi, questa non ci raggiungerà mai in futuro, perché lo spazio tra noi e quelle regioni si sta espandendo più velocemente di quanto la luce possa colmare. In pratica, c’è una distanza di non ritorno: oggi si calcola che oggetti oltre circa 16–18 miliardi di anni luce (in termini di distanza comovente attuale) non potranno mai inviarci nuova luce, poiché l’espansione accelerata li allontanerà indefinitamente. Questo complica il concetto di “osservabile” – distinguendo talvolta tra universo visibile attualmente e universo eventualmente osservabile (se avessimo tempo infinito). Ma, semplificando, possiamo dire che l’universo osservabile è limitato dalla combinazione di età finita del cosmo e velocità della luce.
Un esempio concreto del limite osservativo è il fondo cosmico a microonde (CMB): si tratta della debolissima radiazione elettromagnetica emessa circa 380.000 anni dopo il Big Bang, quando l’universo divenne trasparente. Il CMB ci arriva oggi praticamente da tutte le direzioni del cielo e rappresenta il segnale elettromagnetico più antico (e lontano) che possiamo vedere – di fatto segna il “muro” dell’universo osservabile. Oltre quella soglia temporale (prima di 380.000 anni dopo il Big Bang) l’universo era opaco alla radiazione, quindi non possiamo osservare direttamente (con luce) epoche anteriori; servirebbero segnali diversi, come neutrini primordiali o onde gravitazionali primordiali, la cui rilevazione è estremamente difficile. In sintesi, il concetto di universo osservabile ci ricorda che non vediamo il cosmo com’è oggi in assoluto, ma solo la porzione e il passato da cui la luce ha avuto tempo di arrivare. È come un “volume a bulbo” che si allarga man mano che il tempo passa, ma che al momento è di raggio ~46 miliardi di anni luce attorno a noi.
L’universo non osservabile: infinito o finito senza confini?
Se l’universo osservabile è solo una parte del tutto, quanto grande è l’intero universo? Questa domanda tocca la geometria e la topologia cosmica, e la risposta non è ancora nota con certezza. Le equazioni della cosmologia e i dati osservativi oggi disponibili suggeriscono alcuni scenari:
- Universo infinito e piatto: Le misure della missione Planck e di altri osservatori indicano che lo spazio su larga scala è piatto (euclideo) entro una precisione estrema – con un margine d’errore di circa 0,4%. In termini di densità di curvatura, il parametro Ω_k è compatibile con zero (|Ω_k| < 0,005). Una curvatura nulla implica che lo spazio potrebbe essere infinito in estensione. Se l’universo è perfettamente piatto e semplicemente connesso, allora si estende senza limiti in tutte le direzioni (un po’ come una superficie piatta infinita, estesa in 2D, ma qui nello spazio 3D). In questo caso l’universo non osservabile sarebbe infinito: al di fuori del nostro orizzonte ci sarebbe sempre più spazio, più galassie, più materia, all’infinito. Naturalmente, anche in un universo infinito noi vedremmo solo una bolla finita (l’osservabile), ma non ci sarebbe un “bordo” dello spazio – semplicemente l’universo continuerebbe oltre ogni orizzonte che possiamo raggiungere. I dati di Planck supportano fortemente questo scenario o quantomeno un universo di dimensioni enormemente maggiori dell’osservabile. Come afferma la NASA: il fatto che l’universo sembri piatto e uniforme all’orizzonte osservato suggerisce che l’universo sia di estensione infinita; dato che ha un’età finita, noi possiamo osservarne solo un volume limitato, e “tutto ciò che possiamo concludere è che l’universo è di gran lunga più grande del volume che possiamo osservare direttamente”. In altre parole, l’universo totale è molto più vasto della nostra porzione visibile. Alcune analisi statistiche dei dati cosmologici hanno provato a stimare un minimo per le dimensioni totali: ad esempio uno studio dell’Università di Oxford ha suggerito che, se anche fosse curvo e “chiuso”, l’universo dovrebbe avere un diametro almeno 250 volte superiore a quello dell’osservabile per essere coerente con la piattezza misurata. Ciò significa che il raggio totale sarebbe almeno 250 volte quello attuale dell’orizzonte (46 miliardi × 250 ≈ 11.500 miliardi di a.l.) – un valore talmente grande da risultare praticamente indistinguibile dall’infinito per noi. In sintesi, sulla base delle misure attuali, il modello standard cosmologico considera plausibile un universo infinito, oppure talmente grande da sembrare infinito su scale osservabili.
- Universo finito ma illimitato (chiuso): Un’altra possibilità è che lo spazio sia finito in volume ma senza confini, analogamente alla superficie di una sfera che è finita in estensione ma non ha un bordo. Questo accade se la geometria dell’universo è chiusa (curvatura positiva) – lo scenario ipotizzato anche da Einstein nel 1917, quando propose un modello di universo sferico e finito ma senza margini, basato sulla Relatività Generale. In un universo tridimensionale chiuso, viaggiando in una direzione abbastanza a lungo si potrebbe (in linea di principio) tornare al punto di partenza, così come avviene sulla superficie terrestre. Finora però, le osservazioni non hanno trovato segni evidenti che viviamo in un piccolo universo chiuso: ad esempio, ci aspetteremmo di vedere pattern ripetuti nel cielo (la stessa galassia apparsa in direzioni diverse) se lo spazio fosse chiuso con dimensioni comparabili all’orizzonte osservabile – ma Planck e altri esperimenti non hanno rilevato tali pattern. Questo pone un limite minimo: se l’universo è chiuso, il suo raggio di curvatura deve essere molto più grande (diverse volte) dell’orizzonte osservabile attuale, altrimenti avremmo già notato la curvatura. Studi scientifici suggeriscono che il raggio totale dell’universo, se finito, sia almeno decine di volte superiore a 46 miliardi di a.l., e probabilmente molto di più. Dunque, un universo finito potrebbe esistere, ma sarebbe così esteso che la parte da noi osservabile sarebbe solo un microscopico frammento della sua superficie. In pratica, per noi si comporterebbe quasi come infinito. Importante: in un universo finito e chiuso non esiste comunque un bordo o confine fisico – non c’è un “muro” oltre il quale c’è il nulla. Lo spazio si richiuderebbe su se stesso; “illimitato” significa proprio che non c’è un limite spaziale, anche se il volume totale è finito.
- Regioni oltre il nostro orizzonte: Indipendentemente dal fatto che l’universo sia infinito o semplicemente enorme, possiamo affermare con sicurezza che esistono regioni del cosmo attualmente irraggiungibili per noi, oltre il nostro orizzonte. Queste regioni contengono presumibilmente galassie, stelle, pianeti – insomma, continuano la struttura a grande scala che osserviamo localmente. Secondo il Principio Cosmologico, l’universo su larga scala è omogeneo e isotropo: non c’è indicazione che oltre il nostro orizzonte le leggi fisiche cambino o la distribuzione di materia sia completamente diversa. Probabilmente, quindi, se potessimo improvvisamente estendere la nostra vista, vedremmo altre galassie simili a quelle note, altri ammassi di galassie, e un ulteriore fondo a microonde più distante. In effetti, il cosmo potrebbe essere composto da molte “bolle osservabili” come la nostra, ognuna centrata in luoghi lontanissimi, che non si sono mai comunicate informazione l’un l’altra perché separate dalla distanza e dal tempo. Vale la pena menzionare qui la teoria dell’inflazione cosmica: secondo questa teoria, una frazione di secondo dopo il Big Bang l’universo subì un’espansione esponenziale rapidissima. L’inflazione può spiegare perché l’universo osservabile appare così uniforme e piatto – infatti avrebbe “stirato” lo spazio fino a renderlo quasi piatto e avrebbe portato regioni inizialmente microscopiche a dimensioni macroscopiche. Un effetto collaterale è che l’inflazione rende l’universo totale enormemente più vasto di quello visibile. Il nostro universo osservabile potrebbe essere solo una minuscola porzione dell’intero spazio inflazionato. Alcune versioni dell’inflazione ipotizzano addirittura che regioni dello spazio possano essersi inflazionate in modo diverso dando origine a un “multiverso” di bolle con proprietà diverse; ma rimanendo nell’ambito più concreto, l’inflazione classica suggerisce semplicemente che oltre l’orizzonte c’è molto di più. Finora, non abbiamo modo di osservare direttamente queste regioni extra-orizzonte, né di sapere se l’universo sia infinito o solo incredibilmente grande – è uno dei quesiti aperti della cosmologia. Come ha efficacemente detto il cosmologo Martin Rees, l’universo osservabile potrebbe essere solo “un’isola” e oltre l’orizzonte ci possono essere altri domini equivalenti, forse un numero infinito di essi.
In conclusione su questo punto, le teorie cosmologiche sull’universo non osservabile propendono per un cosmo privo di confini: o infinitamente esteso, o finito ma chiuso e dunque senza bordo. In entrambi i casi, non esiste un “muro” nello spazio: se potessimo viaggiare oltre i 46 miliardi di anni luce, troveremmo semplicemente altro spazio e altre galassie (fatte salve eventuali limitazioni tecnologiche o dell’espansione accelerata). Ciò che ci limita è la velocità della luce e il tempo a disposizione affinché l’informazione ci raggiunga. L’universo intero, insomma, potrebbe essere molto, molto più grande di quello che vediamo – forse infinitamente più grande – ma per ora ne conosciamo solo una “fetta” finita.
Implicazioni delle osservazioni cosmologiche più recenti
Negli ultimi anni, missioni e strumenti all’avanguardia hanno migliorato la nostra conoscenza del cosmo, fornendo dati fondamentali sulla sua scala e struttura. Due esempi chiave sono la missione Planck dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) – che ha misurato con precisione il fondo cosmico a microonde – e il Telescopio Spaziale James Webb (JWST) della NASA/ESA, entrato in operazione nel 2022 per osservare le galassie più lontane nell’infrarosso.
Dati da Planck e altre missioni sul fondo cosmico: La sonda Planck (operativa dal 2009 al 2013) ha prodotto mappe dettagliatissime della radiazione cosmica di fondo, permettendo di stimare l’età, la composizione e la geometria dell’universo con alta precisione. Uno dei risultati principali è stata la conferma che l’universo ha 13,8 miliardi di anni (con un’incertezza di poche decine di milioni di anni). Questo dato, unito alla misura della costante di Hubble, consolida la stima del raggio dell’orizzonte osservabile (~46 miliardi di a.l.) e del volume corrispondente. Planck inoltre ha misurato le minuscole fluttuazioni di temperatura nel CMB, che rappresentano le “sementi” da cui si sono formate le galassie. Tali misurazioni supportano fortemente il modello del Big Bang con inflazione: l’estrema uniformità del fondo e la distribuzione statistica delle anisotropie sono in accordo con un’inflazione iniziale. Riguardo alla curvatura spaziale, come già detto, Planck ha trovato il cosmo piatto entro limiti strettissimi (curvatura compatibile con zero). Ciò implica che, se anche l’universo fosse finito, la sua scala di curvatura è enormemente più grande dell’orizzonte attuale – in pratica Planck ci dice che viviamo in una regione che appare piatta e infinita. In sintesi, le ultime osservazioni del fondo cosmico (Planck, ma anche il telescopio Atacama ACT e WMAP prima) rafforzano l’idea di un universo vastissimo: abbiamo un’età precisa (13,8 miliardi di anni), un modello cosmologico standard (Lambda-CDM) consistente, e indicazioni che non ci sia una curvatura pronunciata. Tutto questo consolida la nozione che il nostro universo osservabile è solo una porzione di un cosmo molto più grande. Inoltre, Planck ha migliorato la precisione sulla densità di materia e energia oscura: circa 5% materia ordinaria, ~27% materia oscura, ~68% energia oscura. Quest’ultima causa l’espansione accelerata, il che significa che nel futuro lontano parti dell’universo osservabile di oggi potrebbero uscire dal nostro orizzonte (poiché la velocità di recessione supererà la velocità della luce a causa dell’accelerazione). In poche parole, Planck ci ha dato un “inventario” del cosmo osservabile e suggerisce che per la parte non osservabile l’ipotesi più semplice è che sia enormemente estesa e simile a quella che vediamo, coerente con un universo piatto/infinito.
Osservazioni dal James Webb Space Telescope: Se Planck ha guardato al fondo del cielo primordiale, il telescopio JWST sta spingendo i confini di ciò che possiamo vedere in termini di galassie e stelle lontane. Operando nell’infrarosso, JWST riesce a osservare galassie estremamente distanti, la cui luce è stata allungata dall’espansione (redshift) fino a lunghezze d’onda infrarosse. Nei suoi primi mesi di attività, JWST ha già identificato galassie risalenti a quando l’universo aveva solo 300–400 milioni di anni dopo il Big Bang. In termini di distanza, queste galassie – con redshift z ~ 10–13 – si trovano vicinissime al limite dell’universo osservabile in profondità temporale: stiamo vedendo luce partita oltre 13 miliardi di anni fa, arrivata a noi ora. Per esempio, JWST ha confermato galassie come GLASS-z12, che appare come era ~350 milioni di anni dopo il Big Bang. La precedente galassia più lontana nota, GN-z11, risaliva a ~400 milioni di anni dopo il Big Bang, scoperta con Hubble; JWST l’ha spinta indietro di altri ~50 milioni di anni. Queste osservazioni indicano che già poche centinaia di milioni di anni dopo la nascita del cosmo esistevano galassie – seppur più piccole e “acerbe” della Via Lattea – il che fornisce informazioni preziose sulla rapidità con cui le prime strutture si sono formate. Un risultato sorprendente di JWST è che ha rivelato più galassie brillanti del previsto nell’universo primordiale. I modelli suggerivano che avremmo dovuto sondare un volume enorme di cielo per trovare poche galassie a z > 10, invece JWST ne ha trovate diverse in porzioni relativamente piccole di cielo in poco tempo. Questo potrebbe significare che le prime galassie si sono formate ed accresciute più rapidamente di quanto si pensasse, oppure che c’è un numero molto maggiore di galassie deboli la fuori (JWST sta iniziando a catturarne alcune). Le implicazioni sono che potremmo dover rivedere al rialzo le stime sul numero totale di galassie nell’universo osservabile (specialmente quelle piccole e poco luminose) e aggiornare i modelli di formazione galattica. In ogni caso, JWST sta estendendo il nostro sguardo più vicino al Big Bang: se il fondo a microonde rappresenta il limite ultimo (~380.000 anni dopo il Big Bang), JWST ci porta a “vedere” popolamenti di stelle e galassie già allo 0,3% circa dell’età attuale dell’universo. È un risultato notevole che rafforza la nostra comprensione di quanto sia vasta e piena di oggetti la parte di universo che riusciamo a vedere.
Da menzionare è anche che JWST, grazie alla sua sensibilità, continuerà l’opera iniziata da Hubble di censire galassie sempre più deboli e lontane. Come prevedeva lo studio di Conselice et al. (2016), oltre il 90% delle galassie dell’universo osservabile è troppo debole per essere rilevato dai telescopi attuali. JWST in pochi anni potrà scoprirne migliaia di queste “galassie perdute” nei suoi deep field, avvicinandoci sempre di più a un censimento completo. Ogni nuova galassia scoperta a grandi distanze è un tassello in più per quantificare la scala del cosmo visibile e capire se davvero le nostre stime (2 mila miliardi di galassie, ecc.) sono corrette o vanno aggiustate. Inoltre, JWST può osservare l’epoca della reionizzazione (quando le prime stelle/galassie ionizzarono il gas circostante) e questo ci aiuta a comprendere le dimensioni dei primi oggetti luminosi e come si collegano al resto dell’universo.
In parallelo, anche altri progetti come i grandi surveys galattici (ad esempio con il telescopio Roman in futuro, o con strumenti come Euclid lanciato nel 2023) mapperanno miliardi di galassie più vicine, contribuendo a misurare la struttura a larga scala fino a distanze considerevoli. Tutti questi dati recenti e futuri hanno un filo conduttore: migliorano la nostra conoscenza quantitativa dell’universo osservabile, consolidando l’idea di un cosmo su larga scala omogeneo e fornendo vincoli sempre più stretti su modelli di universo anche oltre il visibile. Ad esempio, combinando i vincoli di Planck (curvatura ~0, età 13,8 Gyr) con quelli di JWST/Hubble (numero di galassie, epoche di formazione stellare), otteniamo conferme coerenti di un universo di enorme scala spazio-temporale, vecchio e vasto, ma ancora con molti dettagli da scoprire.
Oltre il nostro sguardo
Quanto è grande l’universo? Alla luce di quanto discusso, possiamo dare due risposte: per la parte osservabile, l’universo ha un raggio di circa 46 miliardi di anni luce (93 miliardi di a.l. di diametro), occupa un volume di circa 4 × 10^32 anni luce cubi e contiene dell’ordine di 2 mila miliardi di galassie (ognuna con centinaia di miliardi di stelle in media). Questa è la “bolla” cosmica attorno a noi, definita dai limiti della luce e del tempo. Ma oltre questa bolla, molto probabilmente l’universo si estende ancora: tutte le prove indicano che non esiste un confine fisico dove lo spazio si interrompe. Il “tutto” potrebbe essere infinito – o talmente grande da superare di centinaia di volte ciò che vediamo – e potrebbe anche chiudersi su sé stesso senza bordo. Il perché non ne vediamo la totalità risiede nelle leggi fisiche: l’età finita dell’universo e la velocità finita della luce confinano le nostre osservazioni a un volume finito, sebbene in espansione. Le ultime osservazioni hanno rafforzato questo quadro: Planck ha confermato un cosmo antico, quasi piatto e coerente con un’estensione enorme; il James Webb sta mostrando che già ai confini dell’orizzonte osservabile vi erano innumerevoli galassie, approfondendo il nostro inventario cosmico. In conclusione, l’universo attuale, per come lo conosciamo, è immenso ma finito ai nostri occhi – un’isola sferica di decine di miliardi di anni luce. Tuttavia, al di là di questo orizzonte, con ogni probabilità si estende un oceano sconfinato di spazio, tempo e materia. L’intero universo potrebbe essere infinitamente grande (o comunque enormemente più vasto del visibile), e le regioni non osservabili rimangono terreno di speculazione teorica e speranza futura: forse un giorno, con nuove tecnologie o nuove idee, riusciremo a intravedere indirettamente qualcosa di ciò che giace oltre il nostro sguardo, avvicinandoci un po’ di più a comprendere la scala reale del cosmo.
Stefano Camilloni
