¿El universo se curva sobre sí mismo?

En las teorías actualmente dominantes, el Universo es básicamente el mismo en todas partes, si lo miras en una escala lo suficientemente grande. Puede que no haya una estrella más alejada de la Tierra (el universo puede ser infinito) o puede ser como "el punto de la Tierra más alejado de Londres" que existe, pero no es un lugar especialmente interesante. La distinción entre esas dos posibilidades es exactamente si el universo "se curva sobre sí mismo" (en cuyo caso es finito) o no, en cuyo caso es infinito. No lo sabemos con certeza, pero cualquier curvatura es definitivamente bastante leve.

Sin embargo, para ver el universo como uniforme, tienes que mirar a una escala bastante grande (miles de millones de años luz). En escalas más pequeñas que esta, la distribución de los cúmulos de galaxias (y, por lo tanto, de las galaxias y, por lo tanto, de las estrellas) es bastante desigual, y hay lugares donde no hay estrellas lo suficientemente cerca como para verlas a simple vista. Sin embargo, con un telescopio lo suficientemente grande en uno de esos lugares aún verías estrellas dispersas en todas las direcciones.

Mencionas el Big Bang, y lo que escribes sugiere un concepto erróneo común: que el Big Bang ocurrió en medio de un gran espacio vacío en el que se expande la materia. Eso no es lo que sugiere la teoría. En cambio, todos los puntos en el espacio, cuando rastreas las cosas lo suficientemente atrás, parecen haber contenido un mar de materia muy caliente y muy denso que, hasta donde podemos extrapolar, se estaba separando, creando un nuevo espacio distribuido uniformemente por todas partes. el viejo espacio en el proceso.

no lo sabemos

La respuesta a esta pregunta depende de si el universo es abierto, plano o cerrado. Estos son términos técnicos derivados de las ecuaciones de Friedmann . Las matemáticas no son triviales, pero la esencia es que existe una llamada densidad crítica:

$\rho_c = \frac{3H^2}{8\pi G}$

Si la densidad media del universo está por encima de este valor, entonces el universo está cerrado. Todavía puedes viajar para siempre sin llegar a un borde, no muy diferente de cómo puedes viajar para siempre en la Tierra y no caerte. Si es igual a este valor, entonces el universo es plano, y si es menor que este valor, es abierto. En este último caso, el universo tiene una curvatura negativa, como la parte media de una silla de montar. En ambos casos, el universo es infinito.

Resulta que la densidad observada del universo resulta ser aproximadamente$\rho \approx \rho_c$.$^1$Este es un misterio que es una de las principales motivaciones de la teoría de la inflación cósmica .

1. si fuera exactamente $\rho_c$, eso también sería una gran sorpresa porque no hay razón para esperar un resultado exacto como este. Más exacto es decir que las restricciones actuales sobre$\rho_c$están muy cerca de$\rho_c=1$. No sé los números exactos en la parte superior de mi cabeza, pero la última vez que vi se parecían a$\rho = 0.998^{+0.004}_{-0.007}$(Por favor, no tome este número como algo exacto, solo es una ilustración). Por lo tanto, los tres universos todavía son posibles.

Durante un período suficientemente largo, todo se repite. Entonces se podría decir que el universo se curva sobre sí mismo. Actualmente, las cosmologías cíclicas están de moda. Estos describen el universo alcanzando un punto mínimo de información y por lo tanto alcanzando su estado original. Aunque la inflación cósmica no se puede observar directamente, si viajaras al final del universo terminarías donde empezaste en estas cosmologías.