Astronomia

In che modo lo spazio-tempo differisce all'interno di una galassia?

In che modo lo spazio-tempo differisce all'interno di una galassia?

Non è la stessa domanda ma è simile ad altri duplicati contrassegnati. Quanta dilatazione del tempo può esistere il centro di una galassia e sostenere la vita umana dal nostro punto di vista? Quale sarebbe un giorno uguale al punto di vista dell'altro guardandosi l'un l'altro?

Non sto chiedendo di spostare i corpi celesti che si muovono l'uno dall'altro, ma la differenza nei pozzi di gravità dal centro della nostra galassia è generalmente più densa del bordo di una galassia.


Questo è un altro modo per chiedere se non sono stato chiaro sopra la linea. Per non invalidare alcuna risposta.

Il punto 1 è vicino al centro della galassia e il punto 2 al limite più alto della galassia. Di quanto le differenze nel punto 1 della gravità delle galassie sono più profonde al centro rispetto al punto 2 il tempo dell'effetto del bordo?


Il fattore di spostamento verso il rosso gravitazionale e anche il fattore per il quale si verifica la dilatazione temporale in un campo gravitazionale è approssimativamente $GM/Rc^2$. Qui, $R$ sarebbe il raggio da cui è stata emessa la luce e $M$ è la quantità di massa entro raggio $R$ (facendo l'assunzione grossolana della simmetria sferica).

Quindi, per un osservatore esterno, la luce emessa da un raggio di 10 kpc, potrebbe avere $M sim 10^{11} M_{odot}$ nella galassia mostrata. Il fattore redshift/dilatazione temporale è solo $5 imes 10^{-7}$ ed è praticamente trascurabile.

Questo potrebbe forse aumentare di un ordine di grandezza man mano che ci si avvicina al rigonfiamento centrale più denso, ma è ancora molto piccolo.

Gli unici effetti apprezzabili di spostamento verso il rosso e dilatazione del tempo arriveranno nelle immediate vicinanze di qualsiasi buco nero supermassiccio. Per immediato intendo entro un centinaio di raggi Schwarzschild, dove $R_s = 2GM/c^2$. Nella nostra Galassia ciò significherebbe entro un miliardo chilometri.


Abbastanza semplice,

in entrambi i casi l'effetto è assolutamente minimo.

Ecco la tua confusione di base, sia su questa che sull'altra domanda simile:

  1. oggetti molto pesanti causano la dilatazione del tempo
  2. una galassia è solo totalmente tosto pesante
  3. hai naturalmente pensato che le galassie causassero la dilatazione del tempo
  4. Sorprendentemente, questo è semplicemente Non corretto.

La ragione? Le galassie sono molto grandi. Vale a dire molto sottile. Hanno una densità incredibilmente bassa. Per questo motivo non c'è semplicemente alcuna dilatazione.

(Beh, solo una quantità minuscola - ma questo è vero semplicemente, diciamo, in piedi sulla Terra.)

Questa è la storia!


Quanto dura un anno galattico?

Gli esseri umani sono abituati a tenere il tempo misurando il movimento della Terra rispetto al sole. Ma mentre i viaggi della Terra intorno alla sua stella sono degni di nota per la vita sul nostro punto blu pallido, quel viaggio è piuttosto insignificante se confrontato con l'epico viaggio che porta il sole - e il nostro intero sistema solare — intorno al centro della Via Lattea.

In orbita intorno alla Via Lattea, il sole richiede solo una volta da circa 220 milioni a 230 milioni Terra anni, secondo Keith Hawkins, assistente professore di astronomia all'Università del Texas ad Austin.

In altre parole, se dovessimo misurare il tempo con questo "orologio" galattico, la Terra sarebbe circa 16 anni (negli anni galattici o cosmici), il sole si sarebbe formato circa 20 anni fa, e l'universo sarebbe solo circa 60 Anni.

Il viaggio del sistema solare intorno alla galassia assomiglia all'orbita della Terra intorno al sole. Ma invece di orbitare attorno a una stella, il sole circonda il supermassiccio buco nero che si trova al centro della Via Lattea, ha detto Hawkins. Esercita un'enorme quantità di gravità sugli oggetti vicini al centro della galassia, ma è la gravità esercitata collettivamente dal materiale nella stessa Via Lattea che mantiene il sole nella sua orbita.

"Il sole si sta muovendo con una velocità sufficiente - circa 230 chilometri al secondo, circa l'equivalente di 500.000 miglia all'ora - da continuare a ruotare attorno al centro della galassia in una sorta di cerchio" invece di essere trascinato verso il buco nero, Egli ha detto.


In che modo lo spazio-tempo differisce all'interno di una galassia? - Astronomia

Questa è una questione di semantica più che di cosmologia. Si dice che il nostro universo sia "omogeneo e isotropo" (su scale abbastanza grandi). La parola "omogeneo" non implica o include "isotropo" per impostazione predefinita?

Nessuna parola implica l'altra deve essere vera è possibile avere qualcosa di omogeneo ma non isotropo (es. strisce equidistanti che hanno sicuramente una direzione preferita) ed è anche possibile avere qualcosa di isotropo ma non omogeneo (es. anelli concentrici che sembrano molto diversi a seconda di dove ti trovi, ma sono isotropi se sei nel mezzo).

Questa pagina è stata aggiornata l'ultima volta il 27 giugno 2015.

Circa l'autore

Karen Masters

Karen è stata una studentessa laureata alla Cornell dal 2000 al 2005. Ha continuato a lavorare come ricercatrice nelle indagini sul redshift della galassia presso l'Università di Harvard e ora è alla Facoltà dell'Università di Portsmouth nel suo paese d'origine, il Regno Unito. La sua ricerca ultimamente si è concentrata sull'utilizzo della morfologia delle galassie per fornire indizi sulla loro formazione ed evoluzione. È la Project Scientist per il progetto Galaxy Zoo.


Spazio tempo

I nostri redattori esamineranno ciò che hai inviato e determineranno se rivedere l'articolo.

Spazio tempo, nelle scienze fisiche, concetto unico che riconosce l'unione di spazio e tempo, proposto per la prima volta dal matematico Hermann Minkowski nel 1908 come modo per riformulare la teoria della relatività ristretta di Albert Einstein (1905).

L'intuizione comune in precedenza non supponeva alcuna connessione tra spazio e tempo. Lo spazio fisico era ritenuto un continuum piatto e tridimensionale, cioè una disposizione di tutte le possibili posizioni dei punti, a cui si sarebbero applicati i postulati euclidei. A una tale varietà spaziale, le coordinate cartesiane sembravano più naturalmente adatte e le linee rette potevano essere adattate convenientemente. Il tempo era considerato indipendente dallo spazio, come un continuum unidimensionale separato, completamente omogeneo lungo la sua estensione infinita. Qualsiasi "ora" nel tempo potrebbe essere considerato come un'origine da cui prendere la durata passata o futura a qualsiasi altro istante temporale. Sistemi di coordinate spaziali che si muovono uniformemente attaccati a continui temporali uniformi rappresentavano tutti i movimenti non accelerati, la classe speciale dei cosiddetti sistemi di riferimento inerziali. L'universo secondo questa convenzione era chiamato newtoniano. In un universo newtoniano, le leggi della fisica sarebbero le stesse in tutti i sistemi inerziali, così che non se ne potrebbe individuare uno come rappresentante di uno stato di quiete assoluto.

Nell'universo Minkowski, la coordinata temporale di un sistema di coordinate dipende sia dalle coordinate temporali che spaziali di un altro sistema relativamente mobile secondo una regola che costituisce l'alterazione essenziale richiesta per la teoria della relatività ristretta di Einstein secondo la teoria di Einstein non esiste una cosa del genere come “simultaneità” in due diversi punti dello spazio, quindi nessun tempo assoluto come nell'universo newtoniano. L'universo Minkowski, come il suo predecessore, contiene una classe distinta di sistemi di riferimento inerziali, ma ora le dimensioni spaziali, la massa e le velocità sono tutte relative al sistema inerziale dell'osservatore, seguendo leggi specifiche formulate per la prima volta da H.A. Lorentz, e in seguito formando le regole centrali della teoria di Einstein e la sua interpretazione di Minkowski. Solo la velocità della luce è la stessa in tutti i frame inerziali. Ogni insieme di coordinate, o particolare evento spazio-temporale, in un tale universo è descritto come un "qui-ora" o un punto del mondo. In ogni sistema di riferimento inerziale, tutte le leggi fisiche rimangono invariate.

La teoria della relatività generale di Einstein (1916) fa ancora uso di uno spazio-tempo quadridimensionale, ma incorpora gli effetti gravitazionali. La gravità non è più pensata come una forza, come nel sistema newtoniano, ma come causa di una “deformazione” dello spazio-tempo, effetto descritto esplicitamente da un insieme di equazioni formulate da Einstein. Il risultato è uno spazio-tempo "curvo", in contrapposizione allo spazio-tempo "piatto" di Minkowski, dove le traiettorie delle particelle sono linee rette in un sistema di coordinate inerziale. Nello spazio-tempo curvo di Einstein, un'estensione diretta della nozione di spazio curvo di Riemann (1854), una particella segue una linea di universo, o geodetica, in qualche modo analoga al modo in cui una palla da biliardo su una superficie deformata seguirebbe un percorso determinato dalla deformazione o curvatura della superficie. Uno dei principi fondamentali della relatività generale è che all'interno di un contenitore che segue una geodetica dello spazio-tempo, come un ascensore in caduta libera, o un satellite in orbita attorno alla Terra, l'effetto sarebbe lo stesso di una totale assenza di gravità. I percorsi dei raggi luminosi sono anche geodetiche dello spazio-tempo, di un tipo speciale, chiamate "geodetiche nulle". La velocità della luce ha di nuovo la stessa velocità costante c.

Sia nella teoria di Newton che in quella di Einstein, il percorso dalle masse gravitazionali ai percorsi delle particelle è piuttosto tortuoso. Nella formulazione newtoniana, le masse determinano la forza gravitazionale totale in qualsiasi punto, che per la terza legge di Newton determina l'accelerazione della particella. Il percorso effettivo, come nell'orbita di un pianeta, si trova risolvendo un'equazione differenziale. Nella relatività generale, si devono risolvere le equazioni di Einstein per una data situazione per determinare la struttura corrispondente dello spazio-tempo, e poi risolvere una seconda serie di equazioni per trovare il percorso di una particella. Tuttavia, invocando il principio generale dell'equivalenza tra gli effetti della gravità e dell'accelerazione uniforme, Einstein riuscì a dedurre alcuni effetti, come la deviazione della luce al passaggio di un oggetto massiccio, come una stella.

La prima soluzione esatta delle equazioni di Einstein, per una singola massa sferica, fu effettuata da un astronomo tedesco, Karl Schwarzschild (1916). Per le cosiddette piccole masse, la soluzione non differisce troppo da quella offerta dalla legge gravitazionale di Newton, ma abbastanza da spiegare l'entità dell'avanzata del perielio di Mercurio, prima inspiegabile. Per masse "grandi" la soluzione di Schwarzschild prevede proprietà insolite. Le osservazioni astronomiche delle stelle nane alla fine portarono i fisici americani J. Robert Oppenheimer e H. Snyder (1939) a postulare stati superdensi della materia. Queste e altre ipotetiche condizioni di collasso gravitazionale sono state confermate in successive scoperte di pulsar, stelle di neutroni e buchi neri.

Un successivo lavoro di Einstein (1917) applica la teoria della relatività generale alla cosmologia, e di fatto rappresenta la nascita della cosmologia moderna. In esso, Einstein cerca modelli dell'intero universo che soddisfino le sue equazioni sotto adeguate ipotesi sulla struttura su larga scala dell'universo, come la sua "omogeneità", il che significa che lo spazio-tempo sembra lo stesso in qualsiasi parte come qualsiasi altra parte (il “principio cosmologico”). Sotto queste ipotesi, le soluzioni sembravano implicare che lo spazio-tempo si stesse espandendo o contraendo, e per costruire un universo che non avesse né l'una né l'altra, Einstein aggiunse un termine in più alle sue equazioni, la cosiddetta "costante cosmologica". Quando in seguito le prove osservative rivelarono che l'universo sembrava effettivamente espandersi, Einstein ritirò tale suggerimento. Tuttavia, un'analisi più approfondita dell'espansione dell'universo durante la fine degli anni '90 ha portato ancora una volta gli astronomi a credere che una costante cosmologica dovesse effettivamente essere inclusa nelle equazioni di Einstein.

Gli editori dell'Enciclopedia Britannica Questo articolo è stato recentemente rivisto e aggiornato da Adam Augustyn, caporedattore, Reference Content.


Oggi nella scienza: Edwin Hubble e l'universo in espansione

20 novembre 1889. Buon compleanno, Edwin Hubble! Il telescopio spaziale Hubble prende il nome da questo astronomo, perché il lavoro di Hubble ha contribuito a definire il nostro moderno cosmologia, la nostra idea dell'universo nel suo insieme.

Hubble ha aiutato gli astronomi a vedere che viviamo in un universo in espansione, in cui ogni galassia si sta allontanando l'una dall'altra. Se leggi un libro introduttivo sulle galassie o segui un corso introduttivo su di esse, probabilmente incontrerai quella che è nota come legge di Hubble. Nella sua forma più semplice, afferma che, più la galassia è lontana, più velocemente si allontana da noi. Questo concetto è al centro della nostra moderna cosmologia, in cui si pensa che l'intero universo – spazio, tempo e materia – sia nato in un Big Bang.

Nel 2018, l'Unione Astronomica Internazionale, o IAU, ha votato per rinominare la legge di Hubble come legge Hubble-Lemaître. Maggiori informazioni su questa modifica di seguito.

Quindi cosa ha fatto Edwin Hubble per meritare un posto così speciale nella storia dell'astronomia?

Questa immagine è Hubble eXtreme Deep Field, rilasciata nel 2012. Quasi ogni granello di luce qui è una galassia separata, oltre la nostra Via Lattea. Leggi di più su questa immagine qui.

Considera che la maggior parte degli astronomi 100 anni fa credeva che il nostro intero universo fosse costituito da una sola galassia, la nostra Via Lattea. Negli anni '20, Hubble fu tra i primi a riconoscere che esiste un universo di galassie situato oltre i confini della nostra Via Lattea.

Durante gli anni '20, Edwin Hubble osservò stelle che variano di luminosità in una macchia di luce nota all'epoca come Nebulosa di Andromeda. Sapeva che queste stelle cambiavano di luminosità in un modo che dipendeva dalla loro vera luminosità. Poi vide quanto apparivano brillanti per trovare la distanza dalla nebulosa di Andromeda.

All'epoca, molti astronomi credevano che la nebulosa di Andromeda fosse un sistema solare in formazione, situato all'interno dei confini della Via Lattea. Hubble ha mostrato che questa macchia di luce era davvero una galassia separata - quella che oggi conosciamo come la galassia di Andromeda - la grande galassia a spirale più vicina oltre la nostra Via Lattea.

Oggi sappiamo che questa grande galassia a spirale più vicina, la galassia di Andromeda, si trova a 2,2 milioni di anni luce oltre la nostra Via Lattea. Sappiamo anche che altre galassie si estendono intorno a noi nello spazio per molti miliardi di anni luce. Ma per le persone degli anni '20 fu una rivelazione! Appena il nebulose a spirale – come la galassia di Andromeda – è stata rivelata separata galassie, l'universo conosciuto è diventato molto più grande!

La galassia di Andromeda e due galassie satellite viste attraverso un potente telescopio. All'epoca di Hubble, gli astronomi credevano che questo oggetto risiedesse all'interno della nostra galassia, la Via Lattea. Hubble ha usato una classe di stelle variabili chiamate variabili Cefeidi per mostrare che la galassia di Andromeda è un'isola di stelle nello spazio, esterna alla nostra Via Lattea. Immagine tramite NOAO.

Ma questo enorme universo era stazionario? O si stava espandendo o contraendosi?

La risposta riguardava la luce delle galassie nel loro insieme. Gli astronomi hanno osservato che la luce delle galassie lontane è stata spostata verso l'estremità rossa dello spettro luminoso. Questo spostamento verso il rosso è stato interpretato come un segno che le galassie si stanno allontanando da noi. Hubble e i suoi colleghi hanno confrontato le stime della distanza con le galassie con i loro spostamenti verso il rosso. E – il 15 marzo 1929 – Hubble pubblicò la sua osservazione secondo cui le galassie più lontane si stanno allontanando più velocemente di quelle più vicine.

Questa è l'intuizione che divenne nota come Legge di Hubble.

Si dice che Albert Einstein fosse euforico nel sentire parlare del lavoro di Hubble. La teoria della relatività di Einstein implicava che l'universo doveva espandersi o contrarsi. Ma lo stesso Einstein respinse questa nozione a favore dell'idea accettata che l'universo fosse stazionario ed fosse sempre esistito. Quando Hubble ha presentato la sua prova dell'espansione dell'universo, Einstein ha abbracciato l'idea. Ha definito la sua adesione alla vecchia idea "il mio più grande errore".

Hubble era un uomo dai molti talenti. Sebbene si fosse laureato in scienze come studente universitario all'Università di Chicago, una promessa fatta al padre morente gli fece intraprendere uno studio di legge. Era anche un pugile dilettante dei pesi massimi e secondo quanto riferito ha rifiutato la possibilità di combattere professionalmente. Tornò alla scienza come studente laureato presso l'Osservatorio Yerkes nel Wisconsin. Nel 1919, accettò una posizione presso il prestigioso Osservatorio di Mount Wilson in California, dove rimase fino alla sua morte nel 1953. Poco prima della sua morte, Hubble divenne il primo astronomo ad utilizzare il nuovo, famoso, allora gigante da 200 pollici ( Telescopio Hale con riflettore di 5,1 metri) presso l'Osservatorio di Palomar vicino a San Diego, in California.

Edwin Hubble nella gabbia dell'osservatore in cima al tubo del telescopio da 200 pollici sul monte Palomar. Il telescopio era considerato una meraviglia della tecnologia quando fu inaugurato nel 1948, proprio come lo è oggi il telescopio spaziale Hubble – intitolato a Edwin Hubble–. Immagine gentilmente concessa da Mount Wilson e Palomar Observatories/AIP.

Rinominare la legge di Hubble come legge di Hubble-Lemaître. Alla fine di ottobre 2018, i membri dell'Unione Astronomica Internazionale, più nota tra i non astronomi per aver declassato Plutone dallo status di pianeta maggiore nel 2006, hanno votato per cambiare il nome della legge Hubble in onore del sacerdote e astronomo belga Georges. Lemaître.

D'ora in poi, raccomandava l'IAU, la legge Hubble sarebbe stata conosciuta come la legge Hubble-Lemaître. Dei 4.060 astronomi che hanno votato (su circa 11.072 membri aventi diritto), il 78 percento era favorevole a questo cambiamento.

Infatti, negli anni '20, Georges Lemaître descrisse, in lingua francese, come l'espansione dell'universo avrebbe fatto sì che le galassie si allontanassero dalla Terra a velocità proporzionali alla loro distanza. Ha descritto la relazione tra la velocità di recessione di una galassia e la sua distanza circa due anni prima di Edwin Hubble.

Tra gli astronomi professionisti e gli studenti di storia della scienza, il nome di Lemaître è noto da tempo e onorato per il suo successo. Ora l'IAU ha votato un riconoscimento del contributo di Lemaître. Scrivendo in Natura il 30 ottobre 2018, Elizabeth Gibney ha dichiarato:

La mossa sembra essere la prima volta che un'organizzazione ha votato per modificare il nome di una legge scientifica, anche se alcuni scienziati dubitano che il cambiamento verrà notato. L'IAU è l'arbitro dei nomi dei pianeti e delle lune dal 1919 e sovrintende al catalogo ufficiale dei nomi delle stelle degli astronomi, ma non ha un mandato formale sui nomi delle leggi scientifiche.

Piero Benvenuti è un ex segretario generale IAU che ha proposto il cambio di nome. Disse Natura che la nuova terminologia è solo una raccomandazione, dicendo:

Se le persone continueranno a usare la denominazione della legge Hubble, nessuno si opporrà.

Resta da vedere se gli astronomi e i loro studenti passeranno lentamente all'uso del nome Legge Hubble-Lematre, invece di legge di Hubble. Controllando un motore di ricerca di Google oggi (novembre 2018), stiamo trovando 119.000 risultati per questo nuovo nome.

Vedremo cosa è successo tra un anno o due, quando controlleremo di nuovo!

Il prete e astronomo belga Georges Lemaître pubblicò un articolo sull'espansione dell'universo nel 1927. Immagine via Emilio Segre Visual Archives/AIP/SPL/Nature.

In conclusione: il compleanno di Edwin Hubble è il 20 novembre 1889. Hubble ha mostrato che ci sono galassie separate oltre la nostra Via Lattea e che più la galassia è lontana, più velocemente si allontana da noi. Il telescopio spaziale Hubble prende il nome da lui.


Un universo di 10 dimensioni

Quando qualcuno menziona "dimensioni diverse", tendiamo a pensare a cose come universi paralleli, "realtà alternative che esistono parallelamente alle nostre, ma dove le cose funzionano o sono accadute in modo diverso". Tuttavia, la realtà delle dimensioni e il modo in cui giocano un ruolo nell'ordinamento del nostro Universo è davvero molto diversa da questa caratterizzazione popolare.

Per scomporre, le dimensioni sono semplicemente le diverse sfaccettature di ciò che percepiamo come realtà. Siamo immediatamente consapevoli delle tre dimensioni che ci circondano quotidianamente: quelle che definiscono la lunghezza, la larghezza e la profondità di tutti gli oggetti nei nostri universi (rispettivamente gli assi x, y e z).

Al di là di queste tre dimensioni visibili, gli scienziati ritengono che potrebbero essercene molte altre. In effetti, il quadro teorico della Teoria delle Superstringhe postula che l'universo esista in dieci diverse dimensioni. Questi diversi aspetti sono ciò che governa l'universo, le forze fondamentali della natura e tutte le particelle elementari in esso contenute.

Il prima dimensione, come già notato, è quello che gli dà la lunghezza (ovvero l'asse x). Una buona descrizione di un oggetto unidimensionale è una linea retta, che esiste solo in termini di lunghezza e non ha altre qualità riconoscibili. Aggiungilo a seconda dimensione, l'asse y (o altezza) e ottieni un oggetto che diventa una forma bidimensionale (come un quadrato).

Il terza dimensione coinvolge la profondità (l'asse z) e dà a tutti gli oggetti un senso di area e una sezione trasversale. L'esempio perfetto di questo è un cubo, che esiste in tre dimensioni e ha una lunghezza, larghezza, profondità e quindi volume. Al di là di queste tre si trovano le sette dimensioni che non ci sono immediatamente evidenti, ma che possono ancora essere percepite come aventi un effetto diretto sull'universo e sulla realtà come la conosciamo.

La linea temporale dell'universo, a partire dal Big Bang. Secondo la teoria delle stringhe, questo è solo uno dei tanti mondi possibili. Credito: NASA

Gli scienziati ritengono che il quarta dimensione è il tempo, che governa le proprietà di tutta la materia conosciuta in un dato punto. Insieme alle altre tre dimensioni, conoscere la posizione di un oggetto nel tempo è essenziale per tracciare la sua posizione nell'universo. Le altre dimensioni sono dove entrano in gioco le possibilità più profonde, e spiegare la loro interazione con le altre è dove le cose si fanno particolarmente complicate per i fisici.

Secondo la Teoria delle Superstringhe, la quinta e la sesta dimensione sono dove sorge la nozione di mondi possibili. Se potessimo vedere fino al quinta dimensione, vedremmo un mondo leggermente diverso dal nostro che ci darebbe un mezzo per misurare la somiglianza e le differenze tra il nostro mondo e altri possibili.

Nel sesto, vedremmo un piano di mondi possibili, dove potremmo confrontare e posizionare tutti i possibili universi che iniziano con le stesse condizioni iniziali di questo (cioè il Big Bang). In teoria, se potessi padroneggiare la quinta e la sesta dimensione, potresti viaggiare indietro nel tempo o andare in futuri diversi.

Nel settima dimensione, hai accesso ai mondi possibili che iniziano con condizioni iniziali diverse. Mentre nel quinto e nel sesto le condizioni iniziali erano le stesse e le azioni successive erano diverse, qui tutto è diverso dall'inizio del tempo. Il ottava dimensione di nuovo ci dà un piano di tali possibili storie dell'universo, ognuna delle quali inizia con diverse condizioni iniziali e si ramifica all'infinito (ecco perché sono chiamate infiniti).

Nel nona dimensione, possiamo confrontare tutte le possibili storie dell'universo, partendo da tutte le diverse possibili leggi della fisica e dalle condizioni iniziali. Nel decima e ultima dimensione, si arriva al punto in cui si copre tutto il possibile e l'immaginabile. Al di là di questo, nulla può essere immaginato da noi umili mortali, il che ne fa il limite naturale di ciò che possiamo concepire in termini di dimensioni.

L'esistenza di dimensioni extra è spiegata usando la varietà di Calabi-Yau, in cui sono nascoste tutte le proprietà intrinseche delle particelle elementari. Credito: A Hanson.

L'esistenza di queste sei dimensioni aggiuntive che non possiamo percepire è necessaria per la Teoria delle Stringhe affinché la loro natura sia coerente. Il fatto che possiamo percepire solo quattro dimensioni dello spazio può essere spiegato da uno dei due meccanismi: o le dimensioni extra sono compattate su scala molto piccola, oppure il nostro mondo può vivere su una sottovarietà tridimensionale corrispondente a una brana, su quale tutte le particelle conosciute oltre alla gravità sarebbero limitate (aka. teoria brane).

Se le dimensioni extra sono compattate, le sei dimensioni extra devono essere sotto forma di una varietà di Calabi-Yau (mostrata sopra). Sebbene impercettibili per quanto riguarda i nostri sensi, avrebbero governato la formazione dell'universo fin dall'inizio. Ecco perché gli scienziati credono che guardando indietro nel tempo, usando i telescopi per individuare la luce dell'universo primordiale (cioè miliardi di anni fa), potrebbero essere in grado di vedere come l'esistenza di queste dimensioni aggiuntive potrebbe aver influenzato l'evoluzione del cosmo.

Proprio come altri candidati per una grande teoria unificante - ovvero la Teoria del Tutto (TOE) - la convinzione che l'universo sia composto da dieci dimensioni (o più, a seconda del modello di teoria delle stringhe che usi) è un tentativo di conciliare il modello standard della fisica delle particelle con l'esistenza della gravità. In breve, è un tentativo di spiegare come interagiscono tutte le forze conosciute all'interno del nostro universo e come potrebbero funzionare altri possibili universi.

Ci sono anche altre ottime risorse online. C'è un grande video che spiega in dettaglio le dieci dimensioni. Puoi anche guardare il sito web della PBS per lo show televisivo Elegant Universe. Ha una grande pagina sulle dieci dimensioni.

Puoi anche ascoltare Astronomy Cast. Potresti trovare piuttosto interessante l'episodio 137 The Large Scale Structure of the Universe.


Le dimensioni delle cose

Ora sappiamo abbastanza per tracciare le dimensioni delle cose nel Poteri di dieci film, utilizzando una scala logaritmica con un fattore di 10 5 tra i segni:

A prima vista questo ci mostra dove la scala fisica con cui abbiamo familiarità si inserisce nell'Universo nel suo insieme: siamo circa 10 21 volte più piccoli delle galassie e 10 9 volte più piccoli delle stelle, ma 10 10 volte più grandi degli atomi.


In che modo lo spazio-tempo differisce all'interno di una galassia? - Astronomia

Beh, in generale, sto cercando di conciliare due concetti. Quindi, fondamentalmente, la mia domanda è come appare il bordo dell'universo rispetto a "aree" di spazio relativamente più vicine? È più denso o meno denso? Le mappe dell'universo che ho visto mostrano che la densità delle galassie diminuisce a distanze molto grandi, ma sappiamo anche qualcos'altro - mentre guardiamo più lontano guardiamo "più tempo fa" e più vicino al big bang - e quelle immagini sembrano più dense. Quindi questo significa che le galassie più distanti, o gli ammassi di galassie, sono "più densi" delle galassie e degli ammassi di galassie più vicini. ma ci sono solo meno galassie e ammassi di galassie che possiamo vedere molto lontano? E non tutte le schegge di spazio che mappeamo mostrano le galassie più lontane? O ha semplicemente a che fare con l'interdipendenza tra luce e tempo? Significa che vediamo qualcosa di diverso da quello che estrapoliamo matematicamente per mappare? Sono solo curioso di sapere come si conciliano questi fatti. Se non capisci! e la domanda, dimmi solo che non sono stato chiaro e lo riformulerò. Ma ad essere onesti, sto semplicemente cercando di riconciliare le immagini alle pagine 22,37,40 e 72 di Hawking's Universe in a Nutshell.

La risposta breve è che è più difficile vedere cose che sono più lontane. Quindi, mentre possiamo vedere quasi tutte le galassie vicine, possiamo vedere solo quelle molto luminose lontane. Questo effetto travolge tutto il resto ed è responsabile della densità delle galassie in quelle mappe che cadono a grandi distanze. Quindi, se guardi una di quelle mappe, puoi immaginare che in realtà ci siano molte più galassie alla periferia, ma non riusciamo a vederle.

E se non fossi limitato da questo effetto? E se potessi vedere *tutto* fino al confine dell'universo osservabile? Se guardassi il confine dell'universo, vedresti l'universo in un momento in cui era molto giovane. Vedresti i pezzi di quelle che alla fine sarebbero diventate galassie. Questi sembrerebbero più densamente distanziati tra loro rispetto alle galassie odierne perché ce ne sono di più (non hanno avuto la possibilità di fondersi insieme per ridurne il numero). C'è anche il fatto che l'universo era fisicamente più piccolo in questo primo momento, perché non aveva avuto tanto tempo per espandersi. Ci si potrebbe aspettare che questo si traduca in una densità apparente ancora più elevata, ma in realtà non è così. Le "mini-galassie" sono proiettate nel cielo in modo tale che ciò non accada. (Una distanza apparente proiettata sul cielo risulta essere diversa da quella che ci si aspetterebbe dalla geometria euclidea.)

La risposta in questa pagina è un po' confusa. Probabilmente per l'uso della parola "apparente". Non sono sicuro di quale sia la differenza tra "densità apparente" e solo densità regolare.

Se definiamo la "densità di galassie" come il numero di galassie per unità di volume, allora la densità di fatto diminuisce con il passare del tempo (era maggiore in passato di quanto lo sia ora). Ma la domanda riguardava specificamente ciò che osserviamo nei cataloghi di galassie. Riesci a dire che la densità dell'universo era maggiore in passato di quanto lo sia ora osservando la distribuzione degli oggetti nel cielo? No. Perché no?

Immagina di guardare una galassia molto lontana in una parte del cielo, e poi confrontala con un'altra galassia molto lontana in un'altra parte del cielo. La separazione angolare di queste due galassie può essere molto grande. Quindi potresti dire che "sembra" che siano distanti miliardi di anni luce. Eppure in un passato molto lontano, quando l'universo era molto molto più piccolo di quanto lo sia ora, erano fisicamente molto vicini tra loro. Quindi non puoi davvero misurare la densità dell'universo in quel periodo iniziale contando le galassie e dividendo per il volume che sembrano occupare proprio come faresti in un universo che non si stava espandendo. L'espansione dell'universo significa che gli oggetti che erano molto vicini tra loro nel momento in cui emettevano la luce che vediamo ora sono sparsi nel cielo in un modo che non accadrebbe in un universo che non si sta espandendo.

Questa pagina è stata aggiornata l'ultima volta il 27 giugno 2015.

Circa l'autore

Cristoforo Springob

Chris studia la struttura su larga scala dell'universo utilizzando le peculiari velocità delle galassie. Ha conseguito il dottorato di ricerca presso la Cornell nel 2005 e ora è Research Assistant Professor presso la University of Western Australia.


5 febbraio: movimento nello spazio

Data: 5 febbraio 2009

Titolo: Movimento attraverso lo spazio

Podcast: James A. Brown

Descrizione: Questo episodio esplora le varietà di modi in cui quelli di noi sulla Terra si muovono nello spazio, dalla rotazione della Terra al movimento della nostra galassia. Potrebbe essere una sorpresa scoprire quanto velocemente ci muoviamo davvero ogni giorno.

Biografia: Sono James A. Brown di Rockwall, Texas. Mi piace conoscere la scienza, l'astronomia e l'esplorazione dello spazio e non vedo l'ora di vedere gli umani colonizzare Marte.

Sponsor di oggi: Questo episodio di � Days of Astronomy” è sponsorizzato dal Palomar Observatory, un centro di ricerca astronomica di prim'ordine di proprietà e gestito dal California Institute of Technology. Scopri di più su http://www.astro.caltech.edu/palomar/

Ciao, sono James Brown di Rockwall, Texas, e a meno che tu non stia ascoltando questo podcast in macchina, in treno o in aereo, probabilmente pensi di non muoverti mentre lo ascolti. Certamente non lo fa sentire come se stessi andando da qualche parte. Ma in realtà, tu e tutti gli altri sul pianeta vi muovete molto velocemente. Ci stiamo anche muovendo in diverse direzioni, tutte allo stesso tempo. Come è possibile? Cominciamo con il pianeta Terra.

La massa di terra su cui ti trovi in ​​piedi o seduto si sta muovendo. La superficie della Terra è ricoperta da placche tettoniche che scivolano lentamente sul magma sottostante. Ma le placche tettoniche sono grandi e pesanti. Mentre nel tempo, questo è abbastanza per sbattere i continenti intorno e spingere le montagne verso il cielo, non è molto veloce su scala umana, è circa 8217 velocemente come crescono le nostre unghie. Quindi consideriamo alcune velocità di movimento che sono più interessanti.

Innanzitutto, la Terra ruota sul proprio asse, proprio come una palla da basket che gira sul dito di un giocatore. Questo movimento è chiamato rotazione. Mentre la terra ruota, andiamo avanti per il viaggio, aderiti alla superficie del nostro pianeta dalla forza di gravità. Quindi a che velocità ci muoviamo nella rotazione?

Bene, la risposta dipende da dove ti trovi sulla superficie terrestre. If you stand directly on the Earth’s North or South Pole, you aren’t really moving–you’re just spinning around in a circle once every twenty-four hours. But, what if you stand directly on the equator? The equator is an imaginary line that is equidistant from both of the Earth’s poles and divides the planet into the Northern and Southern Hemispheres. Stand on the equator, and you’re clocking speeds of sixteen-hundred seventy kilometers per hour with reference to the background stars. That’s almost twice as fast as a commercial airliner travels. If we could fly a plane at that speed, we could travel around the entire planet in a single day. In fact, that’s what we call a day, a single rotation of the Earth on its axis.

Not only is the Earth spinning on its axis, it’s also moving through space on a huge nearly-circular course around the sun. This is called a revolution or an orbit, and our planet’s orbit lasts exactly one year. How fast is the Earth revolving around the sun?

Well, it’s a simple calculation. The earth’s average distance from the sun is one-hundred-fifty million kilometers. Multiply that by two times pi, and you come up with a circumference of nine-hundred-forty-two million kilometers. Divide that by the number of hours in a year, and we come up with over one-hundred-seven-thousand kilometers per hour. To keep the numbers simpler, think of that as the Earth pushing through space at thirty kilometers every second.

If we could build an airplane that traveled at that speed, we could fly from New York to Los Angeles in less than three minutes. Or we could fly around the world in less than twenty-two minutes. And yet the Earth has been cruising at that speed for over four billion years and shows no signs of slowing down.

But that’s not all of the motion we are experiencing. Not only is the earth moving around the sun, but the sun is moving too. Our sun is moving through space, dragging its planets, the asteroids, the comets and everything else that orbits the sun along with it. So how fast is the sun moving through space?

Well, the answer depends on your point of reference, so a better question might be, how fast is the sun moving-compared to what? In this case, we’re comparing the sun’s motion to stars nearby, located within just a few light years. Later we’ll take a look at the motion of the galaxy itself, but for now, we’re just comparing our sun’s motion with nearby stars. To help picture this, you might think of measuring the relative speed of a sailboat in a race against other sailboats. One sailboat might be sailing slightly faster than the sailboat next to it, but we ignore the motion of the ocean’s current that carries both sailboats along.

Compared to our neighboring stars, the sun is traveling at twenty kilometers every second. This might seem strange at first glance because that is only about two-thirds the speed of the earth’s orbit. Why is the earth moving faster than the sun?

Imagine the sun as a king walking down a city street. Now picture the planets as the king’s servants walking along with him. The servants may have faster velocities than the king as they attend to him. One servant may run ahead to remove a branch out of the path, and another servant may run behind the king to lift his cloak out of a mud puddle. So while the servants may be darting quickly back and forth at high speeds, together as a group they all move forward at the king’s slow stately pace. Likewise, the planets are spinning around the sun at high speeds–Mercury especially–but together the entire solar system cruises through space at twenty kilometers per second.

But of course, that’s not all. Just like the Earth is both moving around the sun and being pulled along by the sun’s motion, the sun is also moving in a similar fashion. The Milky Way Galaxy is comprised of over two hundred billion stars, one of which is our sun. The Milky Way is a spiral galaxy with multiple arms, and we are located in what’s called the Orion arm. Our galaxy is spinning around like a pinwheel and as such we are orbiting around the galaxy’s center. How does that work?

Imagine a fish swimming in a fast-flowing river. The fish moves through the water a little bit under its own power, but the current of the river moves the fish along even more. Likewise the sun is both moving in relation to its neighboring stars but also being pulled along as the galaxy rotates. So how fast are we moving around the galaxy’s center?

Very fast. Our neck of the galaxy–us included–is cruising along at around 220 kilometers per second. That’s eleven times faster than the sun’s own motion. If we could build a rocket that fast, we could fly to the moon is less than half an hour. It took three days for the Apollo astronauts to reach the moon.

We have one more movement to consider. Just like the Earth is both rotating on its axis and revolving around the sun, the Milky Way galaxy has a similar dual motion. The galaxy is spinning like a pinwheel, but it’s also moving through space, orbiting around a common point with our nearby galaxy neighbors in a complicated gravitational dance. How fast is our galaxy moving?

Compared to the Cosmic Microwave Background, the Milky Way galaxy is trucking along at over five-hundred fifty kilometers per second, which of course dwarfs all the other motions we experience. So even sitting in a chair, we are really moving at high speeds and in different directions all at the same time. We don’t feel these speeds because the earth holds us so tightly to its surface.

At this point it would be tempting to simply add up all the motions together and come up with a grand total, but reality is more complicated than that. All of the motions we experience are in different directions, some of which might cancel each other out when it comes to determining a total distance traveled. A child swinging back and forth on a swingset might be moving very quickly but not getting anywhere. Put the swingset on a cruise ship and the child’s total change in motion becomes even more complicated.

All in all, it’s the motion of our galaxy with respect to the Cosmic Microwave Background that has the largest effect, and at five-hundred-fifty kilometers per second, it’s nothing to scoff at. That’s around the earth in just over a minute. To the moon and back in less than twelve minutes. To the sun in just over three days. Now matter how you think of it, that’s fast. In fact, by the time this podcast is over, you will have traveled through space over three hundred thousand kilometers. I sure hope you fastened your seatbelt.


WHEN GALAXIES COLLIDE!

Computer simulations of merging galaxies are amusing to watch -- they compress hundreds of millions of years into a few seconds of screen time. The Space Telescope Science Institute has both Mpeg and QuickTime videos of a computer simulation of the merger of the ``Mice''.

(2) Galaxy collisions often trigger bursts of star formation.

Although stars don't collide when two galaxies merge, the much larger gas clouds do. The clouds in the two galaxies slam into each other violently. Shock waves from the collision run through the clouds and trigger the collapse of dark nebulae to form stars. Thus, if the two colliding galaxies are rich in gas, their merger will be accompanied by a burst of star formation.

  • Infrared radiation from protostars embedded within dusty clouds. The galaxy named M82 is the galaxy with the greatest apparent brightness in the infrared. Perché? Because it is undergoing star formation after a recent collision with its neighbor M83.
  • Blue light emitted by luminous but short-lived O and B stars. The two galaxies shown below are known as the ``Antennae'' galaxies. They are in the process of merging with each other note how tidal forces have warped them into asymmetric shapes. The blue areas within the galaxies are regions where star formation is being triggered.

(3) The merger of spiral galaxies produces elliptical galaxies.

Spiral galaxies are ordered systems. All the stars in the spiral's disk go around the center on circular orbits, in the same direction.
Elliptical galaxies, by contrast, are very disordered systems. The stars in the elliptical galaxy are on orbits of all eccentricities, oriented randomly. Elliptical galaxies, in sort, are not tidy.

Galaxy mergers are like car crashes. When you collide two neat, orderly sports cars, you don't get a neat, orderly SUV. Instead you get a disordered, chaotic tangle of metal. Similarly, when you collide two neat, orderly spiral galaxies, you don't get a neat, orderly bigger spiral. Instead you get a disordered, chaotic elliptical galaxy.

Elliptical galaxies are found most frequently in rich clusters because rich clusters are crowded with many galaxies, and collisions are frequent.
Spiral galaxies are found most frequently in poor clusters because poor clusters contain few galaxies, spaced relatively far apart, and collisions are less frequent.

The giant elliptical galaxies found near the center of rich clusters are huge, containing about a trillion stars apiece. They have gradually grown to this immense size by ``cannibalizing'' smaller galaxies. In many cases, you can see the partially ``digested'' smaller galaxies as luminous spots within the giant galaxy that has engulfed it.

Collisions do occur from time to time within poor clusters. For instance, within the Local Group itself, our galaxy and the Andromeda Galaxy are falling toward each other at a speed of 300 kilometers/sec. About 3 billion years from now, they will be close enough together to distort each other tidally, producing long tails. About 4 or 5 billion years from now, they will have merged into a single (badly mis-shapen) galaxy. About 6 billion years from now, all the stars from the two galaxies, as well as the stars that formed when they merged, will have settled down into a single giant elliptical galaxy.