¿Tamaño del universo después de la inflación?

Wikipedia establece que el período de inflación fue de 10 − 36 segundo a alrededor 10 − 33 segundo o 10 − 32 segundo después del Big Bang, pero no dice cuál era el tamaño del universo cuando terminó la inflación. Acabo de ver un programa de Brian Greene en el Multiverso y creo que lo escuché decir que el tamaño era escalas galácticas cuando terminó la inflación. Sin embargo, también he leído que el tamaño era sobre una pelota de baloncesto.

¿Hay múltiples teorías con diferentes tamaños resultantes? ¿'Tamaño' incluso significa algo en este contexto?

A menos que me esté perdiendo algo, no parece haber un consenso. Sin embargo, la pregunta todavía me parece sensata: en el momento del Big Bang, todo era muy pequeño y comenzó a expandirse. ¿Por qué no puedes saber el volumen antes de inflar y después?

Respuestas (5)

Con la definición adecuada del "tamaño" del universo, esta pregunta tiene sentido. El modelo estándar de cosmología diría que el universo es infinito y por lo tanto no tiene un "tamaño". Sin embargo, si tenemos en cuenta que el big bang ocurrió 13.7 ± 0.17 hace mil millones de años podemos definir un tamaño significativo para el universo observable. Podría, por ejemplo, definir el tamaño del universo observable como la distancia que podría haber viajado un fotón desde el Big Bang.

Considere, por ejemplo, un fotón de fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés) que se emitió como luz visible unos 379 000 años después del Big Bang y ahora está llegando a nuestros detectores de microondas (el corrimiento al rojo es z = 1089): ese fotón ha estado viajando durante 13,7 mil millones de años por lo que ha viajado una distancia de 13,7 mil millones de años luz. Así que puedes imaginar que el radio actual del universo observable es de 13.700 millones de años luz. Sin embargo, durante este tiempo el universo se ha estado expandiendo, por lo que la posición actual de la materia que emitió ese fotón estará ahora a 46.500 millones de años luz de distancia. (Por ahora, el pequeño 10 − 5 las protuberancias en el CMB se habrán condensado en galaxias y estrellas a esa distancia). Esto da un diámetro del universo observable actual de 93 mil millones de años luz . Tenga en cuenta que a medida que pasa el tiempo, el tamaño del universo observable aumentará. De hecho, aumentará significativamente más de dos (para convertir el radio en diámetro) años luz por año debido a la expansión continua (acelerada) del universo. También tenga en cuenta que no podremos usar fotones (luz) para explorar el universo antes de 379 000 años después del Big Bang, ya que el universo era opaco a los fotones en ese momento. Sin embargo, en el futuro posiblemente podríamos usar neutrinos o telescopios de ondas gravitacionales para explorar el universo anterior.

Entonces, dado el tamaño del universo observable actual, podemos preguntar qué tan grande fue ese volumen en un momento particular en el pasado. Según este artículo, al final de la inflación, el factor de escala del universo era de aproximadamente 10 − 30 más pequeño de lo que es hoy, por lo que daría un diámetro para el universo actualmente observable al final de la inflación de 0,88 milímetros , que es aproximadamente del tamaño de un grano de arena (ver cálculo en WolframAlpha ).

Se cree que la inflación necesitaba expandir el universo en al menos un factor de 60 e-foldings (que es un factor de mi 60 ). Entonces, usando WolframAlpha nuevamente , encontramos que el diámetro del universo antes de la inflación habría sido 7.7 × 10 − 30 metros que es sólo alrededor de 480.000 longitudes de Planck .

Quizás Brian Greene estaba hablando del tamaño del universo observable en el momento en que los fotones CMB comenzaron a viajar hacia nosotros. Eso sucedió 379.000 años después del Big Bang con un corrimiento al rojo de 1098, lo que significa que el universo tenía unos 84,6 millones de años luz de diámetro que, según WolframAlpha , es aproximadamente la mitad del diámetro del supercúmulo local de galaxias o unas 840 veces el diámetro de nuestro galaxia.

Buena respuesta. Además, según las escalas APOD del universo ( apod.nasa.gov/apod/ap120312.html ), un óvulo humano mide más como 0,12 milímetros. No es que importe... Simplemente me gusta el applet. :)
@AdamRedwine Gracias. Wikipedia está de acuerdo con APOD, así que cambié la comparación a un grano de arena.
Esta respuesta está utilizando una mala noción del radio del universo observable. Debe medir el radio a lo largo de un cono de luz pasado, sin extrapolación al "ahora", la extrapolación no es la forma correcta de describir la física. El universo tenía 380.000 años luz de diámetro en el momento del desacoplamiento de fotones, medido a lo largo del cono de luz posterior, y este es el tamaño físico, y es el tamaño de una galaxia. Las extrapolaciones del "ahora" no son físicas y son arbitrarias.
@RonMaimon - Lo siento, pero no estoy de acuerdo. Estamos detectando fotones CMB que fueron emitidos por átomos reales y mientras los fotones estaban en camino aquí durante los últimos 13.7 Blyr, podemos decir con confianza que esos átomos han formado galaxias y estrellas que ahora están a unos 46 Blyrs de nosotros. Tomando el factor de escala a(t) en el tiempo, cuando el universo tenía 379,000 años, el universo tenía 1/1098 de su tamaño actual, por lo que esos mismos átomos, en ese momento, estaban dispersos en un volumen con un radio de 42Mlyrs. (...continúa...)
(...continuación...) Sí, los átomos de mi cuerpo, en ese momento, solo habrían tenido un cono de luz pasado de tamaño 379,000 años luz, pero los otros átomos existieron, lo cual podemos decir porque tienen AHORA entra en nuestro cono de luz pasado. Hay un universo fuera del universo observable y todo lo que estamos haciendo es tomar el universo ACTUALMENTE observable y calcular la historia de esos átomos/quarks/cuerdas actualmente observables en el tiempo para decir dónde estaban entonces.
@FrankH: Esta es una extrapolación a un intervalo de tiempo actual, y es la forma incorrecta de hablar sobre horizontes. Si no usa un cono de luz pasado, también podría usar una solución completamente extendida y decir que el universo es infinito, y olvidarse de la distancia al horizonte. No hay un corte sensato en el segmento de tiempo t=const, su heurística de seguir átomos dentro del horizonte hasta "ahora" no funciona, falla incluso para el espacio puro deSitter.
Por favor, perdóname, soy un humilde programador de computadoras interesado en la física, ¿puedes explicar qué quieres decir con que el universo tiene solo 0,88 mm al final de la inflación? ¿Estás diciendo eso después de aprox. 400000 años de inflación (que en mi opinión es parte de la explosión del big bang) que este es el tamaño del universo? Lo siento si esta es una pregunta estúpida.
@Monkieboy - ¿De dónde sacaste 400000 años de inflación? La inflación terminó alrededor de 10 − 32 segundos después del Big Bang, es decir, cuando el universo tenía solo 0,88 mm. La edad de 400 000 años es cuando el universo se expandió y se enfrió lo suficiente como para volverse transparente, es decir, cuando los fotones CMB comenzaron a viajar hacia nosotros hace 13 700 millones de años. En ese momento el universo tenía unos 42 millones de años luz de diámetro.
@FrankH: gracias, leí mal la pregunta donde dice: '... el período de inflación fue de 10 − 36 segundo a alrededor 10 − 33 segundo o 10 − 32 segundo después de Big Bang' para ser que se aproximó a haber comenzado en esos momentos, no que comenzó en 10 − 36 segundo y terminó en 10 − 32 segundos
@FrankH: En su segundo párrafo, creo que está equivocado cuando dice que el universo observable crecerá en tamaño debido a la expansión acelerada del universo. Un fluido que viola la energía fuerte, como la energía oscura, la era de la dominación hace que la Esfera de Hubble (es decir, el universo observable) se reduzca de tamaño. Entonces, el universo observable se está volviendo más pequeño, no más grande. A medida que la tasa de expansión de alguna galaxia distante se acelera a una tasa de expansión que es más rápida que la velocidad límite de la luz, dejamos de poder observar dicha galaxia.
@ Flint72: estoy de acuerdo en que la cantidad de materia en el universo observable se reducirá a medida que aumente la expansión acelerada, que creo que es lo que quieres decir. ¿Lo es? Entonces, digamos, 100 mil millones de años después del Big Bang, todavía habrá fotones CMB que se desplazarán hacia el rojo hasta una longitud de onda muy larga. Esos fotones viajaron a lo largo de nuestro pasado cono de luz desde una distancia de 100 mil millones de años luz, ¿verdad?
@ Flint72 ... Ahora, en el marco de descanso de esos fotones CMB, la materia que emitió esos fotones ahora estará a una distancia que está a mucho más de 100 mil millones de años luz de nosotros en nuestro momento actual. Nunca se observarán debido a la expansión acelerada (si DE=0 eventualmente regresarían a nuestro volumen de Hubble). Así que eso es lo que quise decir. ¿Es esto correcto?

Del orden 10 metros.

El tamaño del Universo se puede calcular integrando la ecuación de Friedman , que es una función de las densidades de los componentes del Universo (radiación, materia, energía oscura, curvatura, así como componentes más exóticos), así como sus ecuaciones. de Estado. En general, no hay un resultado analítico, pero en ciertas épocas de la historia del Universo, su dinámica está completamente dominada por uno o dos de estos componentes.

El Universo primitivo estaba dominado por materia relativista, es decir, radiación y neutrinos (la materia primitiva también era relativista, pero no contribuía significativamente a la densidad de energía). En este caso, la integración produce la siguiente relación entre el factor de escala a (es decir, relación entre longitudes en ese momento y hoy) y tiempo t :

a ( t ) ≃ ( 2 Ω r , 0 H 0 t ) 1 / 2 ,
dónde Ω r , 0 es el valor actual de la densidad de energía de la radiación en relación con la densidad crítica, y H 0 es la constante de Hubble. Para una colaboración de Planck et al. (2016) cosmología, en t ∼ 10 − 32 s , esto produce 2 × 10 − 26 .

Es decir, si la inflación terminó después de 10 − 32 s , todo fue 5 × 10 25 veces más cerca el uno del otro, o aproximadamente 60 e-folding † .

El Universo total puede o no ser infinito, pero a lo que solemos referirnos cuando hablamos de Universo, es al Universo observable , que es la parte del Universo desde la cual la luz ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros desde el Big Bang. El Universo tiene 13,8 Glyr de antigüedad, pero debido a que se ha expandido mientras tanto, el Universo observable tiene un radio de más de 13,8 Glyr; de hecho R 0 = 46.3 GRAMO yo y r .

Por lo tanto, el radio de lo que comprende "nuestro" Universo hoy , fue en el momento t solamente R ( t ) = a ( t ) R 0 , por lo que al final de la inflación

r ( 10 − 32 s ) = a ( 10 − 32 s ) R 0 = 2 × 10 − 26 × 46.3 GRAMO yo y r = 9 metro .

Si crees que la inflación ya terminó después 10 − 33 s , obtendrás r = 3 metro en cambio.

† Coincidentemente (creo) aproximadamente la misma cantidad de plegados electrónicos que la inflación misma.

creo que estas usando mal t . Su fórmula necesita el tiempo transcurrido desde la singularidad del modelo no inflacionario, que es mucho menor que la duración real de la inflación. En un modelo de juguete con expansión dominada por radiación desde una singularidad seguida de mi H t seguido por dominado por la radiación de nuevo, la correcta t es en realidad el momento del inicio de la inflación, ya que es igual a 1 / ( 2 H ) y el tiempo del fin no lo es.
De todos modos, no estoy seguro de que ninguno de los tiempos sea confiable: la última vez que escuché no se conoce la escala de energía de la inflación, ni la duración, y el "momento del inicio de la inflación" puede que ni siquiera sea significativo si el universo fuera no es FLRW...
Pero mi tiempo es solo el tiempo "regular", extrapolado justo después de la inflación. No me preocupa lo que sucedió durante o antes de la inflación. No entiendo por qué eso no es apropiado, pero me encantaría ver tu cálculo sobre esto (por escrito, esto parece un sarcástico " Solo escribe tu propia maldita respuesta ", pero no es así como lo digo en serio :)) . Y sí, asumo un universo FLRW convencional (en parte porque este sitio es convencional, pero principalmente porque no soy lo suficientemente cosmólogo para hacer lo contrario).

En el modelo más simple del universo, la métrica FLRW, el universo es infinito y siempre ha sido infinito desde el Big Bang. La inflación no cambia esta suposición.

Así que tiene sentido preguntar, por ejemplo, qué tan grande se volvió un volumen de Planck durante la inflación, pero no tiene sentido preguntar qué tan grande es el universo entero. (Dependiendo de lo que se tome como el factor de escala de inflación, un volumen de Planck terminó alrededor de 10 − 27 metro 3 y esto es mucho más pequeño que una pelota de baloncesto.)

Habiendo dicho esto, Don Page ha sugerido un límite inferior para el tamaño de todo el universo al final de la inflación, y su respuesta es 10 10 10 122 megaparsecs cúbicos. Sin embargo, creo que debería considerar esto como extremadamente especulativo.

¿Cómo sabrías que es infinito? La métrica FLRW es solo una métrica predictiva para este parche, y cualquier extensión más allá del horizonte es especulación sobre cosas no observables.

Solo soy un humilde ingeniero aeroespacial. Pero cuando pienso en la inflación hasta cierto volumen, mi yo euclidiano dice que tenía que ser al menos lo suficientemente grande al final de la inflación para la distancia de 13.700 millones de años luz desde nuestra posición actual hasta el extremo opuesto del universo, ya que ese es el luz más lejana que hemos detectado. Si este es el caso, ¿no podemos volver a calcular el radio dada la expansión acelerada (suponiendo una tasa de aceleración constante) desde el final de la inflación? En mi opinión, si el universo tuviera un tamaño de milímetros al final de la expansión, entonces los fotones emitidos desde el "otro lado" del universo ya nos habrían pasado.

Quizás sea solo yo, pero esta respuesta realmente no parece responder la pregunta.
1) cuando terminó la inflación, la expansión continuó. 2) los confines más lejanos del universo visible están a mucho más de 13.700 millones de años luz de distancia. 3) La geometría euclidiana no es la más precisa a esa escala. Y 4) tu nombre es Jim, eres ingeniero aeroespacial y estás respondiendo preguntas sobre cosmología... ¿Eres yo? ¿Tengo razón en estar un poco asustado en este momento?

La respuesta al acertijo de la inflación es simple, está mirando a todos a la cara.

No se puede explicar el universo primitivo en términos clásicos, el tamaño/volumen en el que quieras pensar antes y después del período inflacionario es irrelevante.
El antes y el después fueron completamente diferentes entre sí, ¿por qué? Porque al principio no había nada, luego hubo algo, ese algo no vino completamente formado como vemos ahora el universo con sus múltiples dimensiones, en ese punto de inicio solo había una dimensión, lo que sucedió después en el período inflacionario fue el expansión o adición de las dimensiones adicionales, dos luego tres, y así sucesivamente, es por eso que la expansión parece tan incomprensiblemente grande y parece moverse a velocidades imposibles mucho más allá de lo que permitiría la velocidad de la luz. El número de dimensiones es infinito en una escala de infinitos más allá de la comprensión razonable, de los cuales el universo observable es solo tres y se formó completamente al final del período inflacionario, estas infinitas dimensiones nunca dejan de crecer exponencialmente.

PERO El tiempo en sí mismo es la primera dimensión, una especie de marco, en el que descansan todas las demás dimensiones, es el contenedor, no un punto, como la célula que se divide exponencialmente cuando comienza la vida humana. El tiempo no es más que una adición/crecimiento de dimensión exponencial.

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