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Will the Universe collapse in a Big Crunch?
Nel 1922, il cosmologo russo Alexander Friedmann propose delle soluzioni alle equazioni di campo di Einstein nel caso di un Universo omogeneo, isotropo e non statico. Sotto queste ipotesi, è possibile definire una densità media dell’Universo, ossia una densità di massa-energia e, come lo stesso Friedmann dimostrò a suo tempo, descrivere lo spazio in ogni istante con un solo numero, la curvatura scalare. Da qui si ricavano tre modelli di Universo, detti modelli di Friedmann, in funzione del parametro di curvatura k per cui l’Universo può assumere o una geometria iperbolica (k=-1, aperto), o una geometria euclidea (k=0, piatto), oppure una geometria ipersferica (k=1, chiuso). Dunque, una previsione di questi modelli implica che l’Universo potrebbe un giorno collassare a causa della mutua interazione gravitazionale dovuta alla materia presente nell’Universo, una ipotesi che sembra essere confermata oggi da alcuni calcoli eseguiti da un gruppo di fisici dell’University of Southern Denmark. Il risultato è che il rischio di una possibile contrazione gravitazionale sembra essere molto maggiore di quanto sia stato finora ipotizzato.
Sooner or later a radical shift in the forces of the Universe will cause every little particle in it to become extremely heavy. Everything, every grain of sand on Earth, every planet in the Solar System and every galaxy, will become millions of billions times heavier than it is now, and this will have disastrous consequences: the new weight will squeeze all material into a small, super hot and super heavy ball, and the Universe as we know it will cease to exist. This violent process is called a phase transition and is very similar to what happens when, for example water turns to steam or a magnet heats up and loses its magnetization. The phase transition in the Universe will happen if a bubble is created where the Higgs-field associated with the Higgs-particle reaches a different value than the rest of the Universe. If this new value results in lower energy and if the bubble is large enough, the bubble will expand at the speed of light in all directions. All elementary particles inside the bubble will reach a mass, that is much heavier than if they were outside the bubble, and thus they will be pulled together and form supermassive centers. “Many theories and calculations predict such a phase transition, but there have been some uncertainties in the previous calculations. Now we have performed more precise calculations, and we see two things: 1) yes, the Universe will probably collapse, and 2) a collapse is even more likely than the old calculations predicted“, says Jens Frederik Colding Krog of the Center for Cosmology and Particle Physics Phenomenology (CP ³ – Origins) at University of Southern Denmark and co-author of an article on the subject in the Journal of High Energy Physics. “The phase transition will start somewhere in the Universe and spread from there. Maybe the collapse has already started somewhere in the Universe and right now it is eating its way into the rest of the Universe. Maybe a collapsed is starting right now right here here. Or maybe it will start far away from here in a billion years. We do not know”, says Jens Frederik Colding Krog. More specifically he and his colleagues looked at three of the main equations that underlie the prediction of a phase change. These are about the so-called beta functions, which determine the strength of interactions between for example light particles and electrons as well as Higgs bosons and quarks. So far physicists have worked with one equation at a time, but now the physicists from CP3 show that the three equations actually can be worked with together and that they interact with each other. When applying all three equations together the physicists predict that the probability of a collapse as a result of a phase change is even greater than when applying only one of the equations.
The theory of phase transition is not the only theory predicting a collapse of the Universe. Also the so-called Big Crunch theory is in play.
This theory is based on the Big Bang, the formation of the Universe. After the Big Bang all material was ejected into the Universe from one small area, and this expansion is still happening. At some point, however, the expansion will stop and all the material will again begin to attract each other and eventually merge into a small area again. This is called the Big Crunch. “The latest research shows that the Universe’s expansion is accelerating, so there is no reason to expect a collapse from cosmological observations. Thus it will probably not be Big Crunch that causes the Universe to collapse“, says Jens Frederik Colding Krog.
Although the new calculations predict that a collapse is now more likely than ever before, it is actually also possible, that it will not happen at all.
It is a prerequisite for the phase change that the Universe consists of the elementary particles that we know today, including the Higgs particle. If the Universe contains undiscovered particles, the whole basis for the prediction of phase change disappears. “Then the collapse will be canceled”, says Jens Frederik Colding Krog. In these years the hunt for new particles is intense. Only a few years ago the Higgs-particle was discovered, and a whole field of research known as high-energy physics is engaged in looking for more new particles. At CP3 several physicists are convinced that the Higgs particle is not an elementary particle, but that it is made up of even smaller particles called techni-quarks. Also the theory of supersymmetry predicts the existence of yet undiscovered particles, existing somewhere in the Universe as partners for all existing particles (superparticles). According to this theory there will be a selectron for the electron, a fotino for the photon, etc. While the physical results discussed in the article were partially established earlier in the literature, the work of the Danish based researchers deals with the mathematical foundations of the technique used among other things also to determine the stability of the Universe. In their work the researchers assumed valid the current knowledge of the Standard Model interactions augmented by the discovery of the Higgs and the latest mathematical constraints.
University of Southern Denmark: Collapse of the universe is closer than ever before
arXiv: Standard Model Vacuum Stability and Weyl Consistency Conditions
I sette ‘punti chiave’ del nostro Universo
Sin da quando si è originato circa 13,7 miliardi di anni fa, l’Universo continua ad affascinare e a rendere perplessi, allo stesso tempo, gli astronomi. Qui di seguito, vengono discussi alcuni punti sorprendenti e interessanti che caratterizzano il nostro Universo.
Secondo le attuali osservazioni e misure effettuate con tecniche alquanto sofisticate, l’Universo emerse da una grande esplosione iniziale, il Big Bang, e ha una età di 13,7 miliardi di anni, con una incertezza di più o meno 130 milioni di anni. Gli astronomi hanno ricavato questo dato misurando la composizione della densità della materia e dell’energia che hanno permesso di determinare quanto rapidamente l’Universo si è espanso nel passato. In questo modo, gli scienziati sono risaliti all’epoca iniziale e hanno potuto calcolare il momento in cui è avvenuto il Big Bang. Il tempo trascorso tra l’esplosione iniziale fino ad oggi rappresenta l’età dell’Universo.
2.L’Universo sta diventando sempre più grande
Verso la fine degli anni ’20, Edwin Hubble fece una scoperta rivoluzionaria: egli trovò che lo spazio non è statico, ma si espande. Nonostante ciò, si pensava che con il passare del tempo la gravità dovuta alla materia presente nell’Universo avesse arrestato l’espansione al punto da causare una contrazione. Ma nel 1998, il telescopio spaziale Hubble permise di ottenere i primi dati sulle supernovae distanti trovando che, molto tempo fa, il tasso di espansione dell’Universo era molto più lento rispetto a quello di oggi. Questa sorprendente scoperta suggerì che doveva esistere una enigmatica forza, chiamata poi energia scura, che sta determinando una accelerazione al tasso di espansione dell’Universo. Mentre si ritiene che l’energia scura sia la causa che sta facendo allontanare le galassie le une dalle altre creando sempre più spazi vuoti, essa rimane comunque il mistero più profondo della cosmologia moderna.
3.L’espansione dell’Universo sta accelerando
Nel 1998, due gruppi di ricercatori annunciarono che non solo l’Universo è in espansione ma che sta accelerando e la causa principale è dovuta ad una enigmatica energia (scura) che permea tutto lo spazio allontanando sempre più le galassie le une dalle altre. L’espansione dell’Universo è in accordo con le equazioni della relatività generale di Einstein e, di recente, gli scienziati hanno ripreso il famoso concetto della costante cosmologica per spiegare questa strana forma di energia che sembra controbilanciare la gravità e causare l’espansione dello spazio ad un ritmo accelerato. Adam Riess, Brian Schmidt e Saul Perlmutter hanno vinto nel 2011 il Premio Nobel per la Fisica per avere scoperto indipendentemente, nel 1998, l’espansione accelerata dell’Universo.
4.La geometria dello spazio potrebbe essere euclidea
La forma dell’Universo è influenzata dalla ‘battaglia cosmica’ tra la gravità, dovuta alla densità della materia, e il tasso di espansione dello spazio. Se la densità dell’Universo supera un certo valore critico, allora si dice che l’Universo è “chiuso”, come la superficie di una sfera. Ciò implica che l’Universo non è infinito e che non ha una fine. In questo caso, l’Universo arresterà alla fine la sua espansione ed inizierà a collassare su se stesso in un evento noto come Big Crunch. Se la densità dell’Universo è meno di quella critica, allora la forma geometrica dello spazio si dice “aperta”, come la superficie di una sella. In questo caso, l’Universo non ha confini o bordi e continuerà ad espandersi per sempre. Se poi la densità dell’Universo è esattamente pari a quella critica, allora la forma dello spazio sarà “piatta”, come la superficie di un foglio. In questa situazione, l’Universo non ha bordi o confini e si espanderà per sempre anche se il tasso di espansione si avvicinerà gradualmente allo zero dopo un quantità infinita di tempo. Misure recenti, eseguite dal satellite WMAP, suggeriscono che la geometria dello spazio è euclidea, cioè lo spazio è piatto, con un margine d’errore pari al 2 percento.
5.L’Universo è permeato da una sostanza invisibile
L’Universo è fatto di qualcosa che non vediamo. Di fatto, i pianeti, le stelle, le galassie costituiscono appena il 4 percento di ciò di cui è fatto l’Universo. L’altro 96 percento è rappresentato da qualcosa che gli astronomi non sono in grado ancora di comprendere e a cui essi hanno dato i termini di materia scura ed energia scura, i due misteri più profondi della moderna cosmologia. Nel caso della materia scura, la sua esistenza si basa sull’influenza gravitazionale che essa esercita sulla materia ordinaria.
6.L’Universo contiene l’eco della sua nascita
Credit: ESA/Planck
La radiazione cosmica di fondo è fatta di echi di luce che sono emersi dall’esplosione iniziale che ha dato origine all’Universo, in seguito al Big Bang, circa 13,7 miliardi di anni fa. Oggi, essa permea l’intero spazio come una sorta di ‘velo di radiazione’. Attualmente, la missione del satellite Planck sta mappando il cielo nella banda delle microonde al fine di rivelare nuovi indizi su come si è originato l’Universo. Le osservazioni effettuate da Planck sono le più precise mai realizzate e perciò gli scienziati sperano di utilizzare i suoi dati in modo da definire alcuni punti ancora oscuri della cosmologia, come ad esempio capire meglio ciò che accadde immediatamente dopo il Big Bang all’Universo delle origini.
7.L’ipotesi degli universi multipli
Credit: S. M. Feeney
L’idea che viviamo in un multiverso, di cui il nostro Universo è uno dei tanti, proviene da una teoria chiamata “inflazione eterna”. Questa teoria suggerisce che subito dopo il Big Bang, lo spaziotempo si espanse in modi e in regioni diverse. Secondo la teoria, ciò diede luogo alla formazione di una serie di “universi-bolla” ognuno dei quali caratterizzati da proprie leggi fisiche (post). Tuttavia, questo concetto è ancora controverso ed è rimasto solamente teorico fino alla pubblicazione di studi recenti che tentano di fornire dei metodi per rivelare la presenza di eventuali universi vicini o paralleli. Infatti, alcuni scienziati hanno tentato di analizzare in maniera approfondita e dettagliata la radiazione cosmica di fondo alla ricerca di quelle “tracce” o “segni” che possano essere ricondotti ad ipotetiche collisioni tra due universi paralleli (post). Finora, però, non state trovate chiare evidenze che possano essere associate a tali eventi. In linea di principio, se due universi vicini venissero ad una collisione essi dovrebbero lasciare una serie di ‘tracce circolari’ rivelabili nella radiazione cosmica di fondo.
Per maggiori approfondimenti: Idee sull'Universo e Enigmi Astrofisici
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