Astronomia

Forza di gravità durante il big bang?

Forza di gravità durante il big bang?

Stavo guardando un documentario sul big bang, uno degli astronomi ha detto che inizialmente le quattro forze fondamentali erano combinate in una, poi sono emerse per diventare: le forze nucleari forti e deboli, la forza elettromagnetica e la forza gravitazionale. Ha affermato che la prima forza ad emergere è stata la forza gravitazionale, ha continuato dicendo che se la forza gravitazionale fosse stata più debole di quello che è, tutto andrebbe in pezzi in modo che non si formino galassie e se la gravità fosse troppo grande di quanto ci ritroveremmo con il nero buchi ovunque, quindi la forza di gravità doveva essere giusta, come lo è ora. Non sono riuscito a trovare nulla a sostegno di queste informazioni online o il ragionamento alla base di queste informazioni, qualsiasi aiuto sarebbe apprezzato.


La verità è che non abbiamo una "teoria del tutto" funzionante o ampiamente accettata che unisca la gravitazione con le altre teorie di campo fondamentali e quantistiche. Quello che abbiamo è una forte evidenza che le altre teorie del campo - elettromagnetico, nucleare forte e nucleare debole - sono unificate ad alte energie (in effetti l'evidenza è così forte che dubito che sia ampiamente contestata).

Abbiamo una teoria della gravitazione - relatività generale - che sembra funzionare bene nella "maggior parte" delle circostanze, sebbene abbia anche una singolarità (buchi neri) e c'è una differenza fondamentale tra essa e le teorie quantistiche sull'energia del vuoto (la chiamata catastrofe del vuoto).

Quello che sappiamo anche è che la gravitazione sembra molto più debole delle altre forze, sebbene possa agire su distanze molto grandi e quindi è fondamentale nel plasmare la natura del nostro universo.

Ci sono vari argomenti su come/perché il nostro universo è in grado di supportare la vita/è così com'è. Forse è solo uno dei tanti/un numero infinito di universi che hanno una gamma di proprietà fisiche e ci capita di trovarci in uno che "funziona" per la vita - ovviamente non potrebbe esserci vita in un universo che avesse proprietà fisiche che non non sostenere la vita.

A un altro estremo forse siamo tutti all'interno di una simulazione al computer.

Suggerirei di cercare le opere di Max Tegmark o Brian Greene per ulteriori informazioni.


Qual è il destino ultimo dell'universo?

Proprio come Robert Frost ha immaginato due possibili destini per la Terra nel suo poema, i cosmologi prevedono due possibili destini per l'universo:

L'evoluzione dell'universo è determinata da una lotta tra la quantità di moto dell'espansione e l'attrazione (o spinta!) della gravità. L'attuale tasso di espansione è misurato dalla costante di Hubble, mentre la forza di gravità dipende dalla densità e dalla pressione della materia nell'universo. Se la pressione della materia è bassa, come nel caso della maggior parte delle forme di materia che conosciamo, allora il destino dell'universo è governato dalla densità.

Se la densità dell'universo è inferiore alla densità critica, allora l'universo si espanderà per sempre, come le curve verdi o blu nel grafico sopra. La gravità potrebbe rallentare la velocità di espansione nel tempo, ma per densità al di sotto della densità critica, non c'è abbastanza attrazione gravitazionale dal materiale per fermare o invertire l'espansione verso l'esterno. Questo è anche noto come "Big Chill" o "Big Freeze" perché l'universo si raffredderà lentamente mentre si espande fino a quando alla fine non sarà più in grado di sostenere alcuna vita.

Se la densità dell'universo è maggiore della densità critica, allora la gravità alla fine vincerà e l'universo collasserà su se stesso, il cosiddetto "Big Crunch", come la curva arancione del grafico. In questo universo, c'è una massa sufficiente nell'universo per rallentare l'espansione fino all'arresto e poi eventualmente invertirla.

Recenti osservazioni di supernova distanti hanno suggerito che l'espansione dell'universo stia effettivamente accelerando o accelerando, come la curva rossa del grafico, che implica l'esistenza di una forma di materia con una forte pressione negativa, come la costante cosmologica. Questa strana forma di materia è talvolta chiamata anche “energia oscura”. A differenza della gravità che lavora per rallentare l'espansione, l'energia oscura lavora per accelerare l'espansione. Se l'energia oscura gioca infatti un ruolo significativo nell'evoluzione dell'universo, allora con ogni probabilità l'universo continuerà ad espandersi per sempre.

C'è un crescente consenso tra i cosmologi che la densità totale della materia è uguale alla densità critica, in modo che l'universo sia spazialmente piatto. Circa il 24% di questo è sotto forma di materia a bassa pressione, la maggior parte della quale si pensa sia materia oscura “non barionica”, mentre si pensa che il restante 71% sia sotto forma di pressione negativa. 147energia oscura”, come la costante cosmologica. Se questo è vero, allora l'energia oscura è la principale forza trainante dietro il destino dell'universo e si espanderà per sempre in modo esponenziale.


Fondamenti della cosmologia del Big Bang

Il modello cosmologico del Big Bang si basa su due idee chiave che risalgono all'inizio del XX secolo: la relatività generale e il principio cosmologico. Assumendo che la materia nell'universo sia distribuita uniformemente sulle scale più grandi, si può usare la Relatività Generale per calcolare i corrispondenti effetti gravitazionali di quella materia. Poiché la gravità è una proprietà dello spazio-tempo in Relatività Generale, ciò equivale a calcolare la dinamica dello spazio-tempo stesso. La storia si sviluppa come segue:

Dato il presupposto che la materia nell'universo sia omogenea e isotropa (Il Principio Cosmologico) si può dimostrare che la corrispondente distorsione dello spazio-tempo (dovuta agli effetti gravitazionali di questa materia) può avere solo una delle tre forme, come mostrato schematicamente nella foto a sinistra. Può essere "positivamente" curvo come la superficie di una palla e di estensione finita, può essere "negativamente" curvo come una sella e di estensione infinita o può essere "piatto" e di estensione infinita - la nostra concezione "ordinaria" dello spazio. Una limitazione chiave dell'immagine mostrata qui è che possiamo rappresentare solo la curvatura di un piano bidimensionale di uno spazio tridimensionale reale! Nota che in un universo chiuso potresti iniziare un viaggio in una direzione e, se ti viene concesso abbastanza tempo, alla fine tornare al punto di partenza in un universo infinito, non torneresti mai più.

Prima di discutere quale di queste tre immagini descrive il nostro universo (se presente) dobbiamo fare alcune dichiarazioni di non responsabilità:

    Perché l'universo ha un'età finita (

13,77 miliardi di anni) possiamo vedere solo una distanza finita nello spazio:

La materia gioca un ruolo centrale in cosmologia. Si scopre che la densità media della materia determina in modo univoco la geometria dell'universo (fino ai limiti sopra indicati). Se la densità della materia è inferiore alla cosiddetta densità critica, l'universo è aperto e infinito. Se la densità è maggiore della densità critica l'universo è chiuso e finito. Se la densità è solo uguale alla densità critica, l'universo è piatto, ma presumibilmente ancora infinito. Il valore della densità critica è molto piccolo: corrisponde a circa 6 atomi di idrogeno per metro cubo, un vuoto sorprendentemente buono per gli standard terrestri! Una delle domande scientifiche chiave della cosmologia oggi è: qual è la densità media della materia nel nostro universo? Sebbene la risposta non sia ancora nota con certezza, sembra essere allettantemente vicina alla densità critica.

Data una legge di gravità e un'assunzione su come è distribuita la materia, il passo successivo è elaborare la dinamica dell'universo - come lo spazio e la materia in esso si evolvono nel tempo. I dettagli dipendono da qualche informazione in più sulla materia dell'universo, ovvero la sua densità (massa per unità di volume) e la sua pressione (forza che esercita per unità di superficie), ma il quadro generico che ne emerge è che l'universo è partito da un piccolissimo volume, un evento in seguito chiamato Big Bang, con un tasso di espansione iniziale. Per la maggior parte questo Vota di espansione ha rallentato (decelerato) da allora a causa dell'attrazione gravitazionale della materia su se stessa. Una domanda chiave per il destino dell'universo è se l'attrazione della gravità è abbastanza forte da invertire l'espansione e causare il collasso dell'universo su se stesso. In effetti, recenti osservazioni hanno sollevato la possibilità che l'espansione dell'universo possa effettivamente essere accelerata (accelerata), aumentando la possibilità che l'evoluzione dell'universo sia ora dominata da una bizzarra forma di materia che ha una pressione negativa.

L'immagine sopra mostra una serie di possibili scenari per la dimensione relativa dell'universo rispetto al tempo: la curva inferiore ( verde ) rappresenta un universo piatto e di densità critica in cui il tasso di espansione rallenta continuamente (le curve diventano sempre più orizzontali) . La curva centrale (blu) mostra un universo aperto, a bassa densità, la cui espansione sta rallentando, ma non tanto quanto l'universo con densità critica perché l'attrazione della gravità non è così forte. La curva superiore (rossa) mostra un universo in cui una grande frazione della sua massa/energia può essere nel tessuto stesso dello spazio stesso, un candidato principale per la cosiddetta "energia oscura" che sta causando l'espansione dell'universo per accelerare (accelerare). Questa energia viene spesso definita "costante cosmologica", sebbene ora si riferisca all'energia che spinge l'universo a parte, dove Einstein inventò il termine per bilanciare le sue equazioni per un universo di dimensioni fisse. Ci sono prove crescenti che il nostro universo sta seguendo la curva rossa.

Si prega di tenere a mente i seguenti punti importanti per evitare malintesi sul Big Bang e l'espansione:

  • Il Big Bang non si è verificato in un singolo punto nello spazio come un'"esplosione". È meglio pensarlo come l'apparizione simultanea dello spazio ovunque nell'universo. Quella regione dello spazio che si trova all'interno del nostro orizzonte presente non era in effetti più grande di un punto nel passato. Tuttavia, se tutto lo spazio sia dentro che fuori il nostro orizzonte è infinito ora, è nato infinito. Se è chiuso e finito, allora è nato con volume zero ed è cresciuto da quello. In nessun caso esiste un "centro di espansione" - un punto da cui l'universo si sta espandendo lontano da un punto di origine. Nell'analogia con la palla, il raggio della palla cresce man mano che l'universo si espande, ma tutti i punti sulla superficie della palla (l'universo) si allontanano l'uno dall'altro in modo identico. L'interno della palla non dovrebbe essere considerato come parte dell'universo in questa analogia.
  • Per definizione, l'universo comprende tutto lo spazio e il tempo come lo conosciamo, quindi è al di là del regno del modello del Big Bang postulare in cosa si sta espandendo l'universo. Sia nell'universo aperto che in quello chiuso, l'unico "limite" allo spazio-tempo si verifica al Big Bang (e forse alla sua controparte il Big Crunch), quindi non è logicamente necessario (o sensato) considerare questa domanda.
  • È oltre il regno del modello del Big Bang dire cosa ha dato origine al Big Bang. Esistono numerose teorie speculative su questo argomento, ma nessuna di esse fa ancora previsioni realisticamente verificabili.

Finora, l'unica ipotesi che abbiamo fatto sull'universo è che la sua materia sia distribuita in modo omogeneo e isotropico su larga scala. Ci sono un certo numero di parametri liberi in questa famiglia di modelli di Big Bang che devono essere fissati dalle osservazioni del nostro universo. I più importanti sono: la geometria dell'universo (aperto, piatto o chiuso) il tasso di espansione attuale (la costante di Hubble) e il corso complessivo di espansione, passato e futuro, che è determinato dalla densità frazionaria dei diversi tipi di materia nell'universo. Si noti che l'età attuale dell'universo deriva dalla storia dell'espansione e dal tasso di espansione attuale.

Come notato sopra, la geometria e l'evoluzione dell'universo sono determinate dal contributo frazionario di vari tipi di materia. Poiché sia ​​la densità di energia che la pressione contribuiscono alla forza di gravità nella Relatività Generale, i cosmologi classificano i tipi di materia in base alla sua "quota di stato" e alla relazione tra la sua pressione e la sua densità di energia. Lo schema di classificazione di base è:

  • Radiazione: composta da particelle prive di massa o quasi prive di massa che si muovono alla velocità della luce. Esempi noti includono fotoni (luce) e neutrini. Questa forma di materia è caratterizzata dall'avere una grande pressione positiva.
  • Materia barionica: In questo contesto cosmologico, questa è "materia ordinaria" composta principalmente da protoni, neutroni ed elettroni. Questa forma di materia non ha essenzialmente alcuna pressione di importanza cosmologica.
  • Materia oscura: si riferisce generalmente a materia "esotica" non barionica che interagisce solo debolmente con la materia ordinaria. Sebbene nessuna materia del genere sia mai stata osservata direttamente in laboratorio, la sua esistenza è stata a lungo sospettata per ragioni discusse in una pagina successiva. Anche questa forma di materia non ha pressioni cosmologicamente significative.
  • Energia oscura: questa è una forma di materia davvero bizzarra, o forse una proprietà del vuoto stesso, che è caratterizzata da una grande pressione negativa (forza repulsiva). Questa è l'unica forma di materia che può far accelerare o accelerare l'espansione dell'universo.

Una delle sfide centrali della cosmologia oggi è determinare le densità relative e totali (energia per unità di volume) in ciascuna di queste forme di materia, poiché ciò è essenziale per comprendere l'evoluzione e il destino ultimo del nostro universo.


Mettere il "bang" nel Big Bang

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Secondo la teoria del Big Bang, da qualche parte circa 13,8 miliardi di anni fa l'universo è esploso, come una palla di fuoco di materia infinitamente piccola e compatta che si è raffreddata mentre si espandeva, innescando reazioni che hanno prodotto le prime stelle e galassie, e tutte le forme di importa che vediamo (e siamo) oggi.

Poco prima che il Big Bang lanciasse l'universo nel suo corso in continua espansione, i fisici ritengono che ci fosse un'altra fase più esplosiva dell'universo primordiale in gioco: l'inflazione cosmica, che è durata meno di un trilionesimo di secondo. Durante questo periodo, la materia - una sostanza fredda e omogenea - si è gonfiata in modo esponenziale rapidamente prima che i processi del Big Bang prendessero il sopravvento per espandere e diversificare più lentamente l'universo infantile.

Osservazioni recenti hanno sostenuto indipendentemente teorie sia per il Big Bang che per l'inflazione cosmica. Ma i due processi sono così radicalmente diversi l'uno dall'altro che gli scienziati hanno faticato a concepire come l'uno seguisse l'altro.

Ora i fisici al MIT, al Kenyon College e altrove hanno simulato in dettaglio una fase intermedia dell'universo primordiale che potrebbe aver collegato l'inflazione cosmica con il Big Bang. Questa fase, nota come "riscaldamento", si è verificata alla fine dell'inflazione cosmica e ha coinvolto processi che hanno lottato con la materia fredda e uniforme dell'inflazione nella zuppa ultra calda e complessa che era in atto all'inizio del Big Bang.

"Il periodo di riscaldamento successivo all'inflazione crea le condizioni per il Big Bang, e in un certo senso mette il "bang" nel Big Bang", afferma David Kaiser, professore di storia della scienza a Germeshausen e professore di fisica al MIT. "È questo periodo ponte in cui si scatena l'inferno e la materia si comporta in modo tutt'altro che semplice".

Kaiser e i suoi colleghi hanno simulato in dettaglio come più forme di materia avrebbero interagito durante questo periodo caotico alla fine dell'inflazione. Le loro simulazioni mostrano che l'energia estrema che ha spinto l'inflazione avrebbe potuto essere ridistribuita altrettanto rapidamente, entro una frazione di secondo ancora più piccola, e in un modo che avrebbe prodotto le condizioni che sarebbero state necessarie per l'inizio del Big Bang.

Il team ha scoperto che questa trasformazione estrema sarebbe stata ancora più veloce ed efficiente se gli effetti quantistici avessero modificato il modo in cui la materia risponde alla gravità a energie molto elevate, deviando dal modo in cui la teoria della relatività generale di Einstein prevede che la materia e la gravità dovrebbero interagire.

"Questo ci consente di raccontare una storia ininterrotta, dall'inflazione al periodo post-inflazione, al Big Bang e oltre", afferma Kaiser. "Possiamo tracciare una serie continua di processi, tutti con fisica nota, per dire che questo è un modo plausibile in cui l'universo è arrivato ad apparire come lo vediamo oggi".

I risultati della squadra appaiono oggi in Lettere di revisione fisica. I coautori di Kaiser sono l'autore principale Rachel Nguyen e John T. Giblin, entrambi del Kenyon College, e l'ex studente laureato del MIT Evangelos Sfakianakis e Jorinde van de Vis, entrambi dell'Università di Leiden nei Paesi Bassi.

“In sincronia con se stesso”

La teoria dell'inflazione cosmica, proposta per la prima volta negli anni '80 da Alan Guth del MIT, il V.F. Weisskopf Professore di Fisica, prevede che l'universo sia iniziato come un granello di materia estremamente piccolo, forse circa un centomiliardesimo delle dimensioni di un protone. Questo granello era pieno di materia ad altissima energia, così energica che le pressioni all'interno generavano una forza gravitazionale repulsiva, la forza trainante dietro l'inflazione. Come una scintilla in una miccia, questa forza gravitazionale ha fatto esplodere l'universo infantile verso l'esterno, a un ritmo sempre più veloce, gonfiandolo a quasi un ottantotto di volte la sua dimensione originale (che è il numero 1 seguito da 26 zeri), in meno di un trilionesimo di un secondo.

Kaiser e i suoi colleghi hanno tentato di capire come sarebbero potute essere le prime fasi del riscaldamento - quell'intervallo di ponte alla fine dell'inflazione cosmica e appena prima del Big Bang.

“Le prime fasi del riscaldamento dovrebbero essere contrassegnate da risonanze. Una forma di materia ad alta energia domina e si muove avanti e indietro in sincronia con se stessa attraverso grandi distese di spazio, portando alla produzione esplosiva di nuove particelle", afferma Kaiser. “Quel comportamento non durerà per sempre, e una volta che inizierà a trasferire energia a una seconda forma di materia, le sue oscillazioni diventeranno più irregolari e irregolari nello spazio. Volevamo misurare quanto tempo ci sarebbe voluto perché quell'effetto risonante si rompesse e le particelle prodotte si disperdessero l'una dall'altra e raggiungessero una sorta di equilibrio termico, che ricorda le condizioni del Big Bang».

Le simulazioni al computer del team rappresentano un grande reticolo su cui hanno mappato più forme di materia e hanno tracciato come la loro energia e distribuzione sono cambiate nello spazio e nel tempo mentre gli scienziati variavano determinate condizioni. Le condizioni iniziali della simulazione erano basate su un particolare modello inflazionistico, una serie di previsioni su come la distribuzione della materia nell'universo primordiale potrebbe essersi comportata durante l'inflazione cosmica.

Gli scienziati hanno scelto questo particolare modello di inflazione rispetto ad altri perché le sue previsioni corrispondono strettamente a misurazioni ad alta precisione del fondo cosmico a microonde: un bagliore residuo di radiazioni emesse appena 380.000 anni dopo il Big Bang, che si pensa contenga tracce del periodo inflazionistico.

Un tweak universale

La simulazione ha tracciato il comportamento di due tipi di materia che potrebbero essere stati dominanti durante l'inflazione, molto simili a un tipo di particella, il bosone di Higgs, che è stato recentemente osservato in altri esperimenti.

Prima di eseguire le simulazioni, il team ha aggiunto un leggero "ritocco" alla descrizione della gravità del modello. Mentre la materia ordinaria che vediamo oggi risponde alla gravità proprio come predisse Einstein nella sua teoria della relatività generale, la materia a energie molto più elevate, come quella che si pensa sia esistita durante l'inflazione cosmica, dovrebbe comportarsi in modo leggermente diverso, interagendo con la gravità in modi che sono modificati dalla meccanica quantistica, o interazioni su scala atomica.

Nella teoria della relatività generale di Einstein, la forza di gravità è rappresentata come una costante, con ciò che i fisici chiamano accoppiamento minimo, il che significa che, indipendentemente dall'energia di una particolare particella, essa risponderà agli effetti gravitazionali con una forza fissata da una costante universale.

Tuttavia, alle altissime energie previste nell'inflazione cosmica, la materia interagisce con la gravità in un modo leggermente più complicato. Gli effetti quantomeccanici prevedono che la forza di gravità può variare nello spazio e nel tempo quando interagisce con la materia ad altissima energia, un fenomeno noto come accoppiamento non minimo.

Kaiser e i suoi colleghi hanno incorporato un termine di accoppiamento non minimo nel loro modello inflazionistico e hanno osservato come la distribuzione di materia ed energia cambiasse quando aumentavano o diminuivano questo effetto quantistico.

Alla fine hanno scoperto che più forte era l'effetto gravitazionale quantistico modificato nell'influenzare la materia, più velocemente l'universo passava dalla materia fredda e omogenea in inflazione alle forme di materia molto più calde e diverse che sono caratteristiche del Big Bang.

Regolando questo effetto quantistico, potrebbero far sì che questa transizione cruciale avvenga su 2 o 3 "e-fold", riferendosi alla quantità di tempo necessaria all'universo per triplicare (circa) le sue dimensioni. In questo caso, sono riusciti a simulare la fase di riscaldamento entro il tempo necessario all'universo per triplicare le dimensioni da due a tre volte. In confronto, l'inflazione stessa si è verificata su circa 60 e-fold.

"Il riscaldamento è stato un momento folle, quando tutto è andato in tilt", afferma Kaiser. “Mostriamo che la materia interagiva così fortemente in quel momento che poteva rilassarsi altrettanto rapidamente, preparando magnificamente il terreno per il Big Bang. Non sapevamo che fosse così, ma è quello che sta emergendo da queste simulazioni, tutte con fisica nota. Questo è ciò che è eccitante per noi".

Guth, l'architetto originale della teoria dell'inflazione cosmica, vede i risultati del gruppo come un nuovo importante sviluppo nello studio dei modelli inflazionistici.

“Mentre le versioni dell'inflazione basate su un'unica forma di materia si adattano notevolmente alle osservazioni, Dave e i suoi collaboratori studiano da diversi anni modelli ben motivati ​​che coinvolgono molteplici forme di materia... dati", afferma Guth. “Finora, tuttavia, il lavoro si è limitato allo studio delle prime fasi della fine dell'inflazione, dove la matematica è relativamente semplice. Il nuovo lavoro si basa su una simulazione reticolare numerica ad alta potenza che può sondare molto più a fondo le complicate interazioni alla fine dell'inflazione. Il lavoro mostra più definitivamente che mai che un'ampia classe di modelli che coinvolgono più forme di materia sono in eccellente accordo con le osservazioni.

"Ci sono centinaia di proposte per produrre la fase inflazionistica, ma la transizione tra la fase inflazionistica e il cosiddetto "hot big bang" è la parte meno compresa della storia", afferma Richard Easther, professore di fisica all'Università di Auckland, che non era coinvolto nella ricerca. “Questo documento apre nuovi orizzonti simulando accuratamente la fase postinflazionistica in modelli con molti campi individuali e termini cinetici complessi. Si tratta di simulazioni numeriche estremamente impegnative ed estendono lo stato dell'arte per gli studi sulla dinamica non lineare nell'universo primordiale".


Una nuova scoperta cosmica potrebbe essere la cosa più vicina che siamo arrivati ​​all'inizio dei tempi

Circa 13,8 miliardi di anni fa, poco prima del Big Bang, l'enorme universo pieno di galassie che conosciamo oggi era contenuto all'interno di un punto minuscolo, denso ed estremamente caldo. Improvvisamente, iniziò a espandersi rapidamente più velocemente della velocità della luce, in un'esplosione catastrofica. L'universo è cresciuto da una dimensione subatomica a quella di una pallina da golf in una frazione di secondo incomprensibilmente breve.

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Questo primo istante di espansione, noto come inflazione cosmica, spiega perché l'universo è relativamente uniforme (le galassie che si sono formate quando l'universo si è raffreddato, ad esempio, sembrano essere sparse uniformemente fin dove il telescopio può vedere) e spiega anche i semi della densità che ha dato origine alla struttura dell'universo.

È una bella storia, ma per decenni dopo che i fisici l'hanno proposta, le nostre prove sono state limitate. Il nostro principale mezzo per studiare il Big Bang, la debole radiazione lasciata dall'esplosione chiamata sfondo cosmico a microonde, risale a circa 380.000 anni dopo, invece che al momento stesso.

Una nuova significativa prova è emersa questa mattina, quando un gruppo di scienziati guidati dall'astronomo  John Kovac  del  Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics  ha annunciato  di aver trovato prove indirette di  onde gravitazionali—distorsioni minime in il campo gravitazionale dell'universo—che si è scatenato durante l'inflazione, una piccola frazione di secondo dopo il Big Bang. Se il risultato è corretto, le onde servono come conferma dell'inflazione.

"L'inflazione è il 'bang' del Big Bang", afferma il fisico teorico Alan Guth, che ha proposto la teoria dell'inflazione cosmica nel 1979. "È il meccanismo che ha causato l'ingresso dell'universo in questo periodo di gigantesca espansione".

Diversi fisici che non erano coinvolti nella ricerca hanno avuto la possibilità di valutare i dati grezzi e sono d'accordo con l'analisi. "È molto, molto probabile che sia reale", afferma Avi Loeb, fisico teorico dell'Harvard-Smithsonian Center, osservando che i ricercatori hanno trascorso tre anni ad analizzare i dati per eliminare ogni possibilità di errore.

Robert W. Wilson, che ha condiviso il premio Nobel per la fisica nel 1978 per la sua scoperta del fondo cosmico a microonde, è d'accordo e ritiene che, se confermato, il lavoro è quasi certo di vincere un premio Nobel. Loeb afferma che la scoperta sarebbe una delle scoperte fisiche più importanti degli ultimi 15 anni, più grande della scoperta del bosone di Higgs.

Durante l'inflazione, mostrata all'estrema sinistra, l'universo si è espanso di molti ordini di grandezza in una frazione di secondo. (Immagine tramite NASA)

La presenza di onde gravitazionali rilevabili, spesso definite "increspature nel tessuto dello spaziotempo", è prevista dalla teoria dell'inflazione. Le fluttuazioni preesistenti della forza di gravità su una scala microscopica, dice Guth, sarebbero state estese dall'inflazione, producendo onde macroscopiche.

L'esatta natura delle onde dipende dal momento preciso in cui si è verificata l'inflazione. "Questo rilevamento non indica solo che c'è stata un'inflazione,” Loeb, “, ma ci dice anche quando si è verificata":       10 -34   (seguita da un punto decimale da 33 zeri e poi un uno) secondi dopo l'inizio del Big Bang.

Il gruppo di ricerca, che includeva anche  Clement Pryke  dell'Università del Minnesota, Jamie Bock di Caltech e Chao-Lin Kuo di Stanford, non ha trovato le onde gravitazionali stesse, ma piuttosto prove indirette di esse, sotto forma di uno speciale schema di polarizzazione causato dalle onde nel fondo cosmico a microonde. "Il nostro team ha cercato un tipo speciale di polarizzazione chiamato B-modes, che rappresenta un modello di torsione o arricciatura negli orientamenti polarizzati della luce antica", ha detto Bock in un comunicato stampa.

I ricercatori hanno raccolto questi dati utilizzando il telescopio BICEP2, situato in Antartide, dove l'aria fredda e secca limita le interferenze dell'atmosfera terrestre sul debole segnale cosmico di fondo delle microonde. BICEP2 fa parte di una suite di telescopi identici alla ricerca di questa firma, chiamata Keck Array. C'è anche l'adiacente South Pole Telescope, che ha riportato dati che indicavano la presenza di polarizzazione B-mode nel CMB la scorsa estate. Questo strumento, tuttavia, non è stato progettato per rilevare la polarizzazione alla scala prodotta dalle onde gravitazionali, quindi è probabile che sia invece derivato dall'interferenza di galassie lontane che la CMB ha attraversato prima di raggiungere la Terra.

Il telescopio BICEP-2 (il piatto bianco a destra), insieme al telescopio del polo sud (a sinistra). (Immagine tramite progetto BICEP-2)

Non è ancora del tutto chiaro che il team di BICEP2 abbia rilevato la polarizzazione B-mode che è di fatto la prova definitiva delle onde gravitazionali. Ulteriori conferme dovranno venire dai dati raccolti dal  Planck Satellite  dell'Agenzia spaziale europea (che sta osservando il fondo cosmico a microonde con un angolo molto più ampio), che dovrebbe essere rilasciato alla fine dell'estate. 

Se fosse vero, però, la scoperta farebbe molto per ratificare la teoria dell'inflazione. "La presenza di questa polarizzazione, indotta dalle onde gravitazionali, è l'ultima grande cosa prevista dall'inflazione", afferma Wilson. "Ti dà sempre più fiducia che questo è davvero lo scenario corretto."

Rifletterebbe anche qualcosa di veramente stupefacente: le prove più antiche che abbiamo di qualsiasi cosa. 

"Non puoi usare lo sfondo delle microonde cosmiche per capire cosa è successo nell'universo primordiale", dice Loeb. Per i primi 380.000 anni, le onde elettromagnetiche che compongono il CMB non potevano passare liberamente nello spazio. "Se possiamo osservare le onde gravitazionali, possiamo tornare indietro fino quasi all'inizio.

A proposito di Joseph Stromberg

Joseph Stromberg era in precedenza un giornalista digitale per Smithsonian.


Aspetto

Mentre parla con la banda, Howard annuncia con orgoglio che la sua toilette spaziale è stata dispiegata sulla Stazione Spaziale Internazionale. Dopo aver esaminato gli schemi, si rende conto di aver commesso un "piccolo" errore nelle specifiche per la valvola deviatrice, che causerà il guasto del wc dopo una decina di sciacquoni. Sapendo che è in gioco la sua carriera, chiede a Sheldon e Raj di aiutarlo a trovare un modo per rinforzare la struttura in modo che il materiale di scarto eviti la turbina in rotazione (tenendo i rifiuti lontani dal ventilatore).

Raj suggerisce di utilizzare PVC da due pollici per rinforzare il supporto trasversale centrale. Una volta che Howard dice che non va bene, Raj consiglia invece di cercare di rinforzare la struttura, di eseguire un'altra linea, aggirandola completamente. Sheldon fa notare che non funzionerà poiché il diametro del tubo è insufficiente. Quindi, Raj chiede se possono riposizionare il serbatoio di raccolta, ma Howard rivela che non c'è modo di montarlo. Allo stesso modo, Howard vuole incastrare un piccolo pezzo di PVC dietro l'asta di supporto, tuttavia, Sheldon informa Wolowitz che sta sopravvalutando la resistenza alla trazione della sottostruttura che sta costruendo. Raj mostra un altro elemento al posto del PVC per mantenere in posizione il gruppo filtro trasversale, senza capire che non è un pezzo di ricambio sulla Stazione Spaziale, ma è piuttosto il dispositivo di plastica utilizzato per evitare che il formaggio entri in contatto con il coperchio del scatola della pizza. They eventually test a prototype and Howard notifies NASA with the solution, yet the space toilet apparently still fails. The entire space station crew takes an unscheduled space walk to escape the space station.

During Howard's sixth season visit to the ISS, the more experienced crew makes him clean out their space toilet which could be his system.


Cosmic Inflation and Big Bang Ripples

Physicists have found a long-predicted twist in light from the big bang that represents the first image of ripples in the universe called gravitational waves, researchers announced today. The finding is direct proof of the theory of inflation, the idea that the universe expanded extremely quickly in the first fraction of a nanosecond after it was born. What&rsquos more, the signal is coming through much more strongly than expected, ruling out a large class of inflation models and potentially pointing the way toward new theories of physics, experts say.

&ldquoThis is huge,&rdquo says Marc Kamionkowski, professor of physics and astronomy at Johns Hopkins University, who was not involved in the discovery but who predicted back in 1997 how these gravitational wave imprints could be found. &ldquoIt&rsquos not every day that you wake up and find out something completely new about the early universe. To me this is as Nobel Prize&ndashworthy as it gets.&rdquo

The Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) experiment at the South Pole found a pattern called primordial B-mode polarization in the light left over from just after the big bang, known as the cosmic microwave background (CMB). This pattern, basically a curling in the polarization, or orientation, of the light, can be created only by gravitational waves produced by inflation. &ldquoIt looks like a swirly pattern on the sky,&rdquo says Chao-Lin Kuo, a physicist at Stanford University, who designed the BICEP2 detector. &ldquoWe&rsquove found the smoking gun evidence for inflation and we&rsquove also produced the first image of gravitational waves across the sky.&rdquo

Such a groundbreaking finding requires confirmation from other experiments to be truly believed, physicists say. Nevertheless, the result has won praise from many leaders in the field. &ldquoThere&rsquos a chance it could be wrong, but I think it&rsquos highly probable that the results stand up,&rdquo says Alan Guth of the Massachusetts Institute of Technology, who first predicted inflation in 1980. &ldquoI think they&rsquove done an incredibly good job of analysis.&rdquo The BICEP2 detectors found a surprisingly strong signal of B-mode polarization, giving them enough data to surpass the &ldquo5-sigma&rdquo statistical significance threshold for a true discovery. In fact, the researchers were so startled to see such a blaring signal in the data that they held off on publishing it for more than a year, looking for all possible alternative explanations for the pattern they found. Finally, when BICEP2&rsquos successor at the same location, the Keck Array, came online and began showing the same result, the scientists felt confident. &ldquoThat played a major role in convincing us this is something real,&rdquo Kuo says.

The cosmic microwave background is a faint glow that pervades the entire sky, dating back to just 380,000 years after the big bang. Before then the baby universe was too hot and dense for light to travel far without bumping into matter. When it cooled to the point that neutral atoms could form, light was freed to fly through space unimpeded, and it became the CMB. This glow was discovered accidentally 1964 by Arno Penzias and Robert Wilson, who initially mistook it for interference caused by pigeon droppings on their antenna. Eventually, the scientists realized they had discovered an imprint from the primordial universe, a finding that won them the 1978 Nobel Prize in Physics. &ldquoIt&rsquos amazing what&rsquos come out of the CMB,&rdquo Wilson says. &ldquoInitially I didn&rsquot realize anywhere near how much information there might be coming from it. From my point of view, it&rsquos been a wonderful ride.&rdquo

BICEP2 uses about 250 thumbnailsize polarization detectors to look for a difference in the CMB light from a small patch of sky coming through its telescope in two perpendicular orientations. The instrument collected data between January 2010 and December 2012 at the Amundsen&ndashScott South Pole Station, where the cold, dry air offers especially stable viewing conditions. Another experiment there, the South Pole Telescope, reported finding B-mode polarization last year, although the signal it saw was at a different angular scale across the sky and was clearly due to the known process of gravitational lensing (a warping of light caused by massive objects) of the CMB by large galaxies, rather than the primordial gravitational waves seen here.

BICEP2 has plenty of competition in searching for B-mode polarization in the CMB: other projects include the Atacama B-mode Search (ABS) led by Princeton University the POLARBEAR experiment led by the University of California, Berkeley the high-altitude balloon&ndashborne E and B Experiment (EBEX) run by the University of Minnesota the Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) led by Johns Hopkins University and numerous others. Given that the BICEP2 team saw such a clear signal, these searches should easily confirm the results if they are real. &ldquoRight now it&rsquos just the tip of the iceberg,&rdquo Kamionkowski says. &ldquoIn the coming years we&rsquore going to be able to extract a huge amount from these measurements. It&rsquos a great thing, not just for the guys who found it but also for the people they scooped&rdquo because the different experiments should collect complementary data.

The BICEP2 researchers have reported a surprisingly large number for r, the ratio of the gravitational wave fluctuations in the CMB to the fluctuations caused by perturbations in the density of matter. This value was previously estimated to be less than 0.11 based on all-sky CMB maps from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the Planck satellite. BICEP2&rsquos value, however, is around 0.20. &ldquoEverything hinges on this little r,&rdquo Guth says, &ldquoand this measurement changes things quite a bit. In fact, the models that looked like they were ruled out last week are now the models that are favored this week.&rdquo Such a high value of r, for instance, indicates that inflation began even earlier than some models predicted, at one trillionth of a trillionth of a trillionth of a second after the big bang.

The timing of inflation, in turn, tells physicists about the energy scale of the universe when inflation was going on. BICEP2&rsquos value of r suggests that this was the same energy scale at which all the forces of nature except gravity (the electromagnetic, strong and weak forces) might have been unified into a single force&mdashan idea called grand unified theory. The finding bolsters the idea of grand unification and rules out a number of inflation models that do not feature such an energy scale. &ldquoThis really collapses the space of plausible inflationary models by a huge amount,&rdquo Kamionkowski says. &ldquoInstead of looking for a needle in a haystack, we&rsquoll be looking for a needle in a bucket of sand.&rdquo Grand unified theories suggest the existence of new fields that act similarly to the Higgs field associated with the Higgs boson particle discovered in 2012. These new fields, in turn, would indicate that other, heavier Higgs boson particles also exist, although with masses so high they would be impossible to create in any traditional particle accelerator. &ldquoThis measurement is allowing us to use the early universe as a lab for new physics in energy ranges that are otherwise inaccessible to us,&rdquo Kamionkowski says.


Space Ripples Reveal Big Bang’s Smoking Gun

CAMBRIDGE, Mass. — One night late in 1979, an itinerant young physicist named Alan Guth, with a new son and a year’s appointment at Stanford, stayed up late with his notebook and equations, venturing far beyond the world of known physics.

He was trying to understand why there was no trace of some exotic particles that should have been created in the Big Bang. Instead he discovered what might have made the universe bang to begin with. A potential hitch in the presumed course of cosmic evolution could have infused space itself with a special energy that exerted a repulsive force, causing the universe to swell faster than the speed of light for a prodigiously violent instant.

If true, the rapid engorgement would solve paradoxes like why the heavens look uniform from pole to pole and not like a jagged, warped mess. The enormous ballooning would iron out all the wrinkles and irregularities. Those particles were not missing, but would be diluted beyond detection, like spit in the ocean.

“SPECTACULAR REALIZATION,” Dr. Guth wrote across the top of the page and drew a double box around it.

On Monday, Dr. Guth’s starship came in. Radio astronomers reported that they had seen the beginning of the Big Bang, and that his hypothesis, known undramatically as inflation, looked right.

Reaching back across 13.8 billion years to the first sliver of cosmic time with telescopes at the South Pole, a team of astronomers led by John M. Kovac of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics detected ripples in the fabric of space-time — so-called gravitational waves — the signature of a universe being wrenched violently apart when it was roughly a trillionth of a trillionth of a trillionth of a second old. They are the long-sought smoking-gun evidence of inflation, proof, Dr. Kovac and his colleagues say, that Dr. Guth was correct.

Inflation has been the workhorse of cosmology for 35 years, though many, including Dr. Guth, wondered whether it could ever be proved.

If corroborated, Dr. Kovac’s work will stand as a landmark in science comparable to the recent discovery of dark energy pushing the universe apart, or of the Big Bang itself. It would open vast realms of time and space and energy to science and speculation.

Confirming inflation would mean that the universe we see, extending 14 billion light-years in space with its hundreds of billions of galaxies, is only an infinitesimal patch in a larger cosmos whose extent, architecture and fate are unknowable. Moreover, beyond our own universe there might be an endless number of other universes bubbling into frothy eternity, like a pot of pasta water boiling over.

‘As Big as It Gets’

In our own universe, it would serve as a window into the forces operating at energies forever beyond the reach of particle accelerators on Earth and yield new insights into gravity itself. Dr. Kovac’s ripples would be the first direct observation of gravitational waves, which, according to Einstein’s theory of general relativity, should ruffle space-time.

Marc Kamionkowski of Johns Hopkins University, an early-universe expert who was not part of the team, said, “This is huge, as big as it gets.”

He continued, “This is a signal from the very earliest universe, sending a telegram encoded in gravitational waves.”

The ripples manifested themselves as faint spiral patterns in a bath of microwave radiation that permeates space and preserves a picture of the universe when it was 380,000 years old and as hot as the surface of the sun.

Dr. Kovac and his collaborators, working in an experiment known as Bicep, for Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, reported their results in a scientific briefing at the Center for Astrophysics here on Monday and in a set of papers submitted to The Astrophysical Journal.

Dr. Kovac said the chance that the results were a fluke was only one in 10 million.

Dr. Guth, now 67, pronounced himself “bowled over,” saying he had not expected such a definite confirmation in his lifetime.

“With nature, you have to be lucky,” he said. “Apparently we have been lucky.”

The results are the closely guarded distillation of three years’ worth of observations and analysis. Eschewing email for fear of a leak, Dr. Kovac personally delivered drafts of his work to a select few, meeting with Dr. Guth, who is now a professor at Massachusetts Institute of Technology (as is his son, Larry, who was sleeping that night in 1979), in his office last week.

“It was a very special moment, and one we took very seriously as scientists,” said Dr. Kovac, who chose his words as carefully as he tended his radio telescopes.

Andrei Linde of Stanford, a prolific theorist who first described the most popular variant of inflation, known as chaotic inflation, in 1983, was about to go on vacation in the Caribbean last week when Chao-Lin Kuo, a Stanford colleague and a member of Dr. Kovac’s team, knocked on his door with a bottle of Champagne to tell him the news.

Confused, Dr. Linde called out to his wife, asking if she had ordered anything.

“And then I told him that in the beginning we thought that this was a delivery but we did not think that we ordered anything, but I simply forgot that actually I did order it, 30 years ago,” Dr. Linde wrote in an email.

Calling from Bonaire, the Dutch Caribbean island, Dr. Linde said he was still hyperventilating. “Having news like this is the best way of spoiling a vacation,” he said.

By last weekend, as social media was buzzing with rumors that inflation had been seen and news spread, astrophysicists responded with a mixture of jubilation and caution.

Max Tegmark, a cosmologist at M.I.T., wrote in an email, “I think that if this stays true, it will go down as one of the greatest discoveries in the history of science.”

John E. Carlstrom of the University of Chicago, Dr. Kovac’s mentor and head of a competing project called the South Pole Telescope, pronounced himself deeply impressed. “I think the results are beautiful and very convincing,” he said.

Paul J. Steinhardt of Princeton, author of a competitor to inflation that posits the clash of a pair of universes as the cause of genesis, said that if true, the Bicep result would eliminate his model, but he expressed reservations about inflation.

Lawrence M. Krauss of Arizona State and others also emphasized the need for confirmation, noting that the new results exceeded earlier estimates based on temperature maps of the cosmic background by the European Space Agency’s Planck satellite and other assumptions about the universe.

“So we will need to wait and see before we jump up and down,” Dr. Krauss said.

Corroboration might not be long in coming. The Planck spacecraft will report its own findings this year. At least a dozen other teams are trying similar measurements from balloons, mountaintops and space.

Spirals in the Sky

Gravity waves are the latest and deepest secret yet pried out of the cosmic microwaves, which were discovered accidentally by Arno Penzias and Robert Wilson at Bell Labs 50 years ago. They won the Nobel Prize.

Dr. Kovac has spent his career trying to read the secrets of these waves. He is one of four leaders of Bicep, which has operated a series of increasingly sensitive radio telescopes at the South Pole, where the thin, dry air creates ideal observing conditions. The others are Clement Pryke of the University of Minnesota, Jamie Bock of the California Institute of Technology and Dr. Kuo of Stanford.

“The South Pole is the closest you can get to space and still be on the ground,” Dr. Kovac said. He has been there 23 times, he said, wintering over in 1994. “I’ve been hooked ever since,” he said.

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In 2002, he was part of a team that discovered that the microwave radiation was polarized, meaning the light waves had a slight preference to vibrate in one direction rather than another.

This was a step toward the ultimate goal of detecting the gravitational waves from inflation. Such waves, squeezing space in one direction and stretching it in another as they go by, would twist the direction of polarization of the microwaves, theorists said. As a result, maps of the polarization in the sky should have little arrows going in spirals.

Detecting those spirals required measuring infinitesimally small differences in the temperature of the microwaves. The group’s telescope, Bicep2, is basically a giant superconducting thermometer.

“We had no expectations what we would see,” Dr. Kovac said.

The strength of the signal surprised the researchers, and they spent a year burning up time on a Harvard supercomputer, making sure they had things right and worrying that competitors might beat them to the breakthrough.

A Special Time

The data traced the onset of inflation to a time that physicists like Dr. Guth, staying up late in his Palo Alto house 35 years ago, suspected was a special break point in the evolution of the universe.

Physicists recognize four forces at work in the world today: gravity, electromagnetism, and strong and weak nuclear forces. But they have long suspected that those are simply different manifestations of a single unified force that ruled the universe in its earliest, hottest moments.

As the universe cooled, according to this theory, there was a fall from grace, like some old folk mythology of gods or brothers falling out with each other. The laws of physics evolved, with one force after another splitting away.

That was where Dr. Guth came in.

Under some circumstances, a glass of water can stay liquid as the temperature falls below 32 degrees, until it is disturbed, at which point it will rapidly freeze, releasing latent heat.

Similarly, the universe could “supercool” and stay in a unified state too long. In that case, space itself would become imbued with a mysterious latent energy.

Inserted into Einstein’s equations, the latent energy would act as a kind of antigravity, and the universe would blow itself up. Since it was space itself supplying the repulsive force, the more space was created, the harder it pushed apart.

What would become our observable universe mushroomed in size at least a trillion trillionfold — from a submicroscopic speck of primordial energy to the size of a grapefruit — in less than a cosmic eye-blink.

Almost as quickly, this pulse would subside, relaxing into ordinary particles and radiation. All of normal cosmic history was still ahead, resulting in today’s observable universe, a patch of sky and stars billions of light-years across. “It’s often said that there is no such thing as a free lunch,” Dr. Guth likes to say, “but the universe might be the ultimate free lunch.”

Make that free lunches. Most of the hundred or so models resulting from Dr. Guth’s original vision suggest that inflation, once started, is eternal. Even as our own universe settled down to a comfortable homey expansion, the rest of the cosmos will continue blowing up, spinning off other bubbles endlessly, a concept known as the multiverse.

So the future of the cosmos is perhaps bright and fecund, but do not bother asking about going any deeper into the past.

We might never know what happened before inflation, at the very beginning, because inflation erases everything that came before it. All the chaos and randomness of the primordial moment are swept away, forever out of our view.

“If you trace your cosmic roots,” said Abraham Loeb, a Harvard-Smithsonian astronomer who was not part of the team, “you wind up at inflation.”


Does space have a shape?

Three theories that are instrumental in understanding the shape of the universe are the big bang, the theory of gravity e Einstein’s theory of general relativity. Cosmologists consider all of these theories when forming hypotheses about the shape of space. But what exactly do these theories try to explain?

The big bang theory is an attempt to describe the beginning of the universe. Through observation and analysis, astronomers determined that the universe is expanding. They have also detected and studied light that originated billions of years ago back when the universe was very young. They theorized that at one time, all the matter and energy in the universe was contained in an incredibly tiny point. Then, the universe expanded suddenly. Matter and energy exploded outward at millions of light years every fraction of a second. These became the building blocks for the universe as we know it.

The theory of gravity states that every particle of matter has an attraction to every other particle of matter. Specifically, particles will attract one another with a force proportional to their masses and inversely proportional to the square of the distance between them. The equation looks like this:

F is the force of gravitational attraction. The M and m represent the masses of the two objects in question. The r 2 is the distance between the two objects squared. So what’s the G? It’s the gravitational constant. It represents the constant proportionality between any two objects, no matter what their masses. The gravitational constant is 6.672 x 10 -11 N m 2 kg -2 [source: World of Physics]. That’s a very small number, and it explains why objects don’t just stick to each other all the time. It takes objects of great mass to have anything more than a negligible gravitational effect on other objects.

If the big bang theory is true, then when the universe began there must have been a huge burst of energy to push matter so far so fast. It had to overcome the gravitational attraction among all the matter in the universe. What cosmologists are trying to determine now is how much matter is actually in the universe. With enough matter, the gravitational attraction will gradually slow and then reverse the universe’s expansion. Eventually, the universe could shrink into another singularity. Questo si chiama big crunch. But if there’s not enough matter, the gravitational attraction won’t be strong enough to stop the universe’s expansion, and it will grow indefinitely.

What about the theory of relativity? Besides explaining the relationship between energy and matter, it also leads to the conclusion that space is curved. Objects in space move in elliptical orbits not because of gravity, but because space itself is curved and therefore a straight line is actually a loop. In geometry, a straight line on a curved surface is a geodesic.

The three theories described above form the basis of the various theories about what the shape of space actually is. But there’s no actual consensus on which shape is the right one.

What are the theoretical shapes of space, and why don't we know which one is right? Find out in the next section.

General relativity suggests that just before the big bang, a point with zero volume and infinite density contained all the matter of the universe. This phenomenon is called a singularity. Matter that enters a black hole also enters a singularity as its volume reduces to zero and its density increases to infinity [source: Hawking].


Strength of gravity during the big bang? - Astronomia

All observations that have been made using the most powerful telescopes show that the universe looks the same in all directions.

The average density of galaxies is the same throughout the universe and does not change with distance or direction. This is called the Cosmological Principle.


On average and at large scales, the distribution of galaxies is the same throughout the universe.

Since the expansion of space occurs evenly at every point in the universe, galaxies are separating from each other at about the same pace, giving the universe a nearly uniform density and structure. As a result, the universe appears smooth at large distance scales. In scientific terms, it is said to be homogeneous and isotropic.


In the image on the left, the universe is isotropic. This means that if you stand at the center and look in every direction, the universe will look the same. In the image on the right, the universe is homogeneous. This means that if you stand in any place and look around, the universe will be the same.

Homogeneous and Isotropic: What's the Difference?

Homogeneous (usually pronounced homo-GEE-nee-us) literally means "to be the same throughout," no matter where you are in the universe. If you look at the universe from Earth or from a galaxy a million light-years away, it will look the same.

Isotropic (pronounced eye-so-TRO-pic) means to appear the same in every direction or viewing angle. This approximation breaks down when viewing the night sky from Earth since our planet is located inside of the Milky Way, but if you were able to stand at any point outside of a galaxy the universe would look the same in all directions.

Scientists are careful to distinguish between these separate concepts: uniform with respect to position (homogeneous), and uniform with respect to viewing angle (isotropic). While most intuitive examples will be both homogeneous and isotropic like our universe, in theory, there can be universes which exhibit one property and not the other.

Do Galaxies Expand?


If we expanded at the same rate as space, we would not perceive any expansion.

Planets, stars, and galaxies are bound together by gravity. On the short distance scales present in these systems the force of gravity is great enough to resist and stop the expansion of space. Gravity opposes the expansion of the universe on larger scales as well, but since the strength of gravity falls with the square of the distance according to the inverse square law, the force is not enough to halt the expansion. If every object expanded with space, including ourselves, we would not perceive any expansion at all.

What is the Universe expanding into?

The expansion of the universe is consistent with the Big Bang theory, but, what is the universe expanding into?

In short, nothing. Most cosmologists believe that the universe is infinite there is nothing outside of it. Space and time only exist within the universe. So, what happens when infinity expands? It is still infinity, just a bit bigger.

Rewinding the Universe

Think of the universe today as a movie playing. We see expansion: everything moving apart from everything else.

But what happens when we rewind the movie? Everything becomes closer and closer to everything else (and the universe becomes hotter and denser) until we reach the edge of scientific understanding: the Big Bang.


Press the "Rewind" button to go back in time!

We even have a picture that goes further back in time than this movie--to the infant universe known as the Cosmic Microwave Background.