¿Por qué es tan grande el universo observable?

Esta pregunta se refiere implícitamente al universo visible , pero deberíamos decirlo explícitamente, ya que de lo contrario la pregunta no tiene ningún sentido.

Puede parecer que no deberíamos poder ver a más de 13,7 mil millones de años luz (13,7 giga años luz o glyrs) de distancia, pero ese razonamiento omite la expansión del espacio-tiempo según la Relatividad General. Un fotón emitido desde algún lugar cerca del comienzo del Universo habría viajado casi 13,7 glyrs si hubiera medido cada año luz justo cuando el fotón lo cruzaba, pero dado que esos años luz que midió se han expandido desde que pasó el fotón, eso la distancia ahora suma alrededor de 80 glyrs.

El radio del universo observable es de unos 46 mil millones de años luz, que es considerablemente mayor que su edad de unos 14 mil millones de años. Dado que el radio del universo observable está definido por la mayor distancia desde la que la luz habría tenido tiempo de alcanzarnos desde el Big Bang, se podría pensar que se encontraría a una distancia de sólo 14 mil millones de años luz, ya que$x=ct$para el movimiento a una velocidad constante$c$. Sin embargo, una relación como$x=ct$sólo es válido en relatividad especial. Cuando escribimos tal relación, imaginamos un sistema de coordenadas cartesianas$(t,x,y,z)$, que en la mecánica newtoniana estaría asociado con el marco de referencia de un observador particular. En relatividad general, la contraparte de esto sería un marco de coordenadas de Minkowski, pero tales marcos solo existen localmente. No es posible hacer un único marco de referencia que abarque tanto nuestra galaxia como una galaxia cosmológicamente distante. La relatividad general es capaz de describir la cosmología utilizando modelos cosmológicos, y esta descripción logra coincidir con las observaciones con un alto nivel de precisión. En particular, no se observan objetos cuyas edades aparentes sean inconsistentes con sus distancias de nosotros.

Una forma de describir esta diferencia entre la relatividad especial$x=ct$y la relación distancia-tiempo real es que podemos pensar que el espacio entre las galaxias se expande. En esta descripción verbal, podemos imaginar que a medida que un rayo de luz viaja de la galaxia A a la galaxia B, se crea espacio adicional entre A y B, de modo que cuando llega la luz, la distancia es mayor que$ct$.

Nada de esto tiene nada que ver con la inflación. La inflación hace ciertas predicciones comprobables sobre las observaciones cosmológicas (p. ej., predice que el universo es espacialmente plano), pero es irrelevante para comprender por qué el radio del universo observable tiene el tamaño que tiene en comparación con la edad del universo. Es posible que la inflación ni siquiera sea correcta. Si resulta que la inflación nunca ha ocurrido, no tendrá ningún efecto sobre esta pregunta en particular.

Resulta que podemos obtener una estimación sorprendentemente buena del tamaño del universo observable usando un modelo cosmológico FRW simplificado que consiste solo en polvo, es decir, materia no relativista. La aproximación es buena porque el universo ha pasado la mayor parte de su historia dominado por la materia, con solo un período muy corto al principio dominado por la radiación, y otra era bastante reciente dominada por la constante cosmológica. De acuerdo con los datos de observación actuales, hacemos una segunda aproximación, que es que el universo es espacialmente plano. En un modelo FRW espacialmente plano, el$r-t$parte de la métrica es de la forma$ds^2=dt^2-a^2dr^2$, donde la función de escala$a$depende del tiempo Para un fotón,$ds=0$, y entonces podemos mostrar que la distancia adecuada recorrida por un fotón desde poco después del Big Bang viene dada por$L=a \int dt/a$. Para una solución dominada por materia,$a$es proporcional a$t^{2/3}$, y encontramos$L=3t$. Esto está bastante cerca de la$L/t$relación de alrededor de 3,3 dada por los modelos más realistas. También tiene sentido que el resultado sea algo mayor que 3, porque el universo ahora ha entrado en una era en la que su expansión se está acelerando. En el futuro,$L/t$se hará más y más grande.

El universo se define comúnmente como la totalidad de todo lo que existe, incluida toda la materia y la energía físicas, los planetas, las estrellas, las galaxias y el contenido del espacio intergaláctico.

Nadie sabe si el universo es infinitamente grande, o incluso si el nuestro es el único universo que existe.

Aunque nuestra visión del universo es limitada, nuestra imaginación no lo es. Los astrónomos tienen evidencia indirecta de que el universo de las galaxias se extiende mucho más allá de la región que podemos ver . Pero nadie sabe si todo el universo es infinitamente grande , más allá del límite.

De acuerdo con las principales teorías, otras partes del universo pueden verse muy diferentes a la nuestra, e incluso pueden tener diferentes leyes de la naturaleza. Es posible que nunca podamos saberlo con seguridad. Pero es posible que las pistas de la respuesta estén a la vista, ¡esperando ser descubiertas!

Debo señalar también que los "80 mil millones de años luz de diámetro" no cuentan como una contradicción. No sé cuál es tu referencia pero creo que se trata de la región que aún podemos ver de este Universo.

Puedes viajar tan cerca de la velocidad de la luz como quieras, pero (asumiendo que estás hecho de materia) no puedes viajar a la velocidad de la luz o más rápido.

Así que no hay razón por la que las galaxias no puedan alejarse unas de otras al 99,9999% de la velocidad de la luz. Sin embargo, esta no es toda la historia, ya que la expansión del espacio-tiempo puede hacer cosas divertidas. El universo en realidad no se está expandiendo como cabría esperar de la vida cotidiana, como lo haría una explosión, y no había un "punto único" que pudiera señalar y decir "ahí es donde ocurrió el big bang", sucedió donde estás sentado, y en el lado oscuro de la luna, ya la vuelta de la esquina de Alpha Centauri... en todas partes, de hecho.

Imagine un gráfico: los puntos en el gráfico no se alejan entre sí (es decir, el punto A va de (1,1) a (2,2) y el punto B va de (5,5 a 7,7)) - en cambio, todo el gráfico, con el papel y todo, se está estirando.

Se permite que este estiramiento suceda más rápido que la velocidad de la luz, ya que en realidad tiene que cambiar las coordenadas para que suceda.

En relación con el título de su pregunta, la mejor respuesta es preguntar "¿comparado con qué?".

Esto no es una contracción. La Relatividad Especial no dice que nada pueda viajar más rápido que la velocidad de la luz. Más bien, dice que ninguna materia regular puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. Por lo tanto, en lugar de pensar que las galaxias se alejan unas de otras, piensa que el espacio entre ellas es cada vez mayor. Eso significaría que el espacio mismo puede superar la velocidad de la luz.

Brevemente...

Considere un fotón emitido hace 13,8 Gly (Gly = mil millones de años luz). A medida que viaja por el espacio, no solo se aleja más de su fuente debido a que viaja a la velocidad de la luz$c$, pero la distancia de los fotones también aumenta a medida que crece el universo.

Técnicamente...

Para ponernos técnicos, la expansión del universo es capturada por el factor de escala.$a(t)$que se rige por la ecuación de Friedmann:

donde la constante de Hubble$H_0 = 67.8 \frac{\text{km}/\text{s}}{\text{Mpc}} = 0.0693 /\text{Gyr}$, el valor actual de la densidad de radiación$\Omega _{\text{R0}} = 0.0000905$, el valor actual de la densidad de la materia$\Omega _{\text{M0}} = 0.308$(que consisten principalmente en materia oscura), el valor actual de la densidad de curvatura$\Omega _{\text{$\kappa $0}} = 1 - (\Omega _{\text{R0}} + \Omega _{\text{M0}} + \Omega _{\text{$\Lambda $0}}) = 1$, y el valor presente de la constante cosmológica$\Omega _{\text{$\Lambda $0}} = 0.692$. Estos valores son de Plank Collaboration 2015 . Esta ecuación solo se puede resolver numéricamente. La siguiente figura muestra el factor de escala en función del tiempo:

En cosmología, la cantidad de distancia que un fotón puede viajar en un tiempo dado se conoce como la distancia de comovimiento o el horizonte de comovimiento denotado por$\eta$:

que nuevamente tiene que ser evaluado numéricamente. Integrando numéricamente desde hace 13.799 Glyr hasta la actualidad se obtiene un horizonte de partículas de 43.5 Glyr que son los radios del universo observable. Uno debe tomar este valor con un grano de sal, ya que es muy sensible a$H_0$.

biológicamente...

Me gustaría centrarme en "¿Por qué el universo observable es tan grande?" desde diferente perspectiva. Alternativamente, podemos preguntar por qué el universo observable tiene 13,8 Gyr. Esta no es una pregunta tan extraña si la formulamos de la siguiente manera: "¿Por qué nosotros, como observadores, miramos el universo 13,8 Gyr después del Big Bang?" Dado que la vida inteligente en la Tierra tardó ~3,5 Gyr en surgir y que las condiciones del universo fueron demasiado duras para permitir la evolución de la vida durante los primeros ~10 Gyrs, se podría esperar que la mayoría de los grupos de observadores inteligentes se formaran y estudiaran el universo ~15 Gyr después del Big Bang. Sin embargo, es muy sorprendente encontrarnos en los albores de la formación de la vida dado que la vida florecería durante muchos giga-años por venir.

Sí, esto suena como si fuera una contradicción, pero en realidad no lo es. Es porque el universo se ha estado expandiendo rápidamente en todas direcciones desde el Big Bang y nuestras observaciones están limitadas por la velocidad de la luz.

Por ejemplo, si observamos un quásar distante que parece estar a 10 000 millones de años luz, la luz del quásar tiene 10 000 millones de años (es por eso que los quásares son conocidos por ser algunos de los fenómenos más antiguos del universo). En el tiempo que tardó esa luz en llegar hasta nosotros, el universo se ha ido expandiendo. De hecho, la expansión se ha estado acelerando todo ese tiempo, por lo que la distancia entre nosotros y ese cuásar es en este momento considerablemente mayor que 10 mil millones de años luz.

Si tuviéramos un medio para observar los objetos distantes tal como aparecen en este momento, no solo tendríamos un tipo de máquina del tiempo, sino que podríamos observar que el universo tiene 80 mil millones de años luz de diámetro, aunque no puedo garantizar la precisión de la Cifra de 80 mil millones de años luz dada en la página de wikipedia.

Los astrónomos y los físicos también luchan con la cuestión de "en qué se expande el universo". ¿Se está expandiendo hacia el espacio vacío y, de ser así, hay algo que se encuentra más allá de nuestro universo a una gran distancia? Si es así, el universo puede ser infinito.

¿O el universo se pliega sobre sí mismo en algún plano dimensional superior, es decir, si tuviéramos un medio hipotético para viajar más rápido que la tasa de expansión del universo y viajáramos en línea recta, eventualmente terminaríamos de regreso en el mismo lugar? ? En este escenario, el universo tendría un límite teórico en cualquier momento.

La pregunta se refiere a los bordes opuestos del universo observable, pero es un caso especial de una pregunta más general:

¿Cómo pueden dos objetos que se alejan de un punto común por un tiempo$Δt$terminar mas que$2cΔt$¿aparte?

No necesitas entender la relatividad general para entender la respuesta a esta pregunta, ya que puede ocurrir incluso en la relatividad especial. Para el resto de mi respuesta, asumiré una familiaridad básica con la relatividad especial.

Alice y Bob ponen a cero sus cronómetros en un lugar y hora comunes, luego se alejan el uno del otro durante 1 segundo según lo medido por los cronómetros (o según lo medido diciendo "una patata"). ¿A qué distancia están al final? Es decir, ¿cuál es el intervalo de espacio-tiempo entre los dos eventos de los cronómetros que marcan 1 segundo?

Es fácil demostrar* que si ambos se mueven inercialmente, entonces el intervalo al final es$\sqrt{2(γ{-}1)}$segundos luz, donde$γ$es el factor gamma de su velocidad relativa. Ya que$γ$puede ser arbitrariamente grande, al igual que la distancia. Supera los 2 segundos luz cuando$γ>3$($v \gtrsim 0.94c)$, y excede cualquier valor finito para una velocidad relativa lo suficientemente grande (subluz).

En el espacio-tiempo de Minkowski, la desigualdad del triángulo solo se cumple cuando los tres lados del triángulo son similares al espacio. En otros casos, la longitud del tercer lado no está restringida en absoluto por las longitudes de los otros dos. Nuestro experimento mental es el caso en el que dos de los lados son temporales y el tercero es espacial. El caso en el que los tres lados son similares al tiempo es la paradoja de los gemelos: el gemelo que se queda en casa puede tener una edad arbitraria cuando el gemelo que viaja regresa de su excursión de dos segundos.

Podemos hacer que esto se parezca un poco más a una cosmología presentando a Carol, Ted, etc., quienes también se alejan inercialmente del mismo punto (que llamaremos Big Bang) durante 1 segundo adecuado. Se mueven a diferentes velocidades, pero exigiremos que las velocidades relativas de los vecinos más cercanos sean similares entre sí (esta es la suposición de homogeneidad en cosmología). Además, en lugar de medir el intervalo de espacio-tiempo en línea recta entre los motores más distantes, mediremos los intervalos entre los vecinos más cercanos y los sumaremos.

Si trazas las líneas de mundo de todos los que se mueven, los puntos donde sus cronómetros marcan 1 segundo estarán en una hipérbola con la ecuación$t^2-x^2 = 1\,\text{s}^2$en coordenadas inerciales.** Las distancias que medimos son aproximaciones poligonales a distancias a lo largo de esta hipérbola. Podrías pensar que estas distancias serían más largas que las distancias en línea recta; en realidad, son más cortos, porque, como siempre, todo está al revés en el espacio-tiempo. Pero no son lo suficientemente cortos como para cambiar la conclusión fundamental de que son posibles distancias arbitrariamente largas. Siempre puede hacer una distancia mayor aumentando la velocidad relativa de los motores adyacentes o agregando más de ellos en los extremos.

Este modelo de juguete es más que una simple analogía. Si comienza con el modelo ΛCDM que describe el mundo real (después de la inflación) y toma todas las densidades continuamente a cero de manera adecuada, se transforma continuamente en este modelo de juguete. En cada modelo intermedio, los objetos suficientemente distantes están más separados que$2c$veces el tiempo cosmológico desde el big bang, y no tiene sentido en el proceso de tomar el límite en el que cambia la razón de eso. El espacio-tiempo del mundo real es curvo, pero la curvatura distinta de cero no es la razón por la que este comportamiento contrario a la intuición es posible. La verdadera razón es la firma métrica mixta del espacio-tiempo.

Además de la falla de la desigualdad del triángulo, otra razón por la que la gente encuentra esto tan confuso es probablemente el fuerte énfasis en los sistemas de coordenadas cartesianas (inerciales) cuando se enseña relatividad especial. Einstein tenía una buena razón en 1905 para construir este tipo de sistema de coordenadas: estaba tratando de establecer una conexión con la imagen newtoniana tradicional del espacio y el tiempo en beneficio de su audiencia, que aún creía en esa imagen. Hoy, 115 años después, nadie cree en esa imagen, pero aún así la enseñamos. Hay tanta perforación de coordenadas cartesianas y fórmulas relacionadas (dilatación del tiempo, contracción de la longitud, etc.) que la gente tiene la idea de que así es como funciona realmente el universo. En verdad, al universo no le importan nuestros sistemas de coordenadas. Lo más parecido en el mundo real a una red universal de relojes sincronizados son las galaxias en expansión, y no siguen una cuadrícula cartesiana, sino una especie de cuadrícula polar (aunque en una variedad curva). Si define "distancia" y "tiempo" por referencia a una cuadrícula cartesiana, entonces no puede obtener más de$Δx=2cΔt$lejos; pero si los define por referencia a la cuadrícula polar que en realidad (de alguna manera) existe, entonces puede hacerlo, incluso en el límite donde el espacio-tiempo es plano.

* Elija unidades donde 1 segundo = 1 segundo luz = 1, y coordenadas inerciales donde se encuentra el punto de partida$x=t=0$, Alice no se mueve y Bob se mueve en el eje x. Entonces la posición final de Alice es$(x,t)=(0,1)$y el de Bob es$(x,t)=(γβ,γ)$, y la distancia entre ellos es$\sqrt{(γβ-0)^2-(γ-1)^2}$=$\sqrt{2γ-2}$.

** Si agrega más dimensiones espaciales, es un hiperboloide, que en el espacio de Minkowski es una superficie de curvatura negativa constante. Este modelo es un límite de densidad cero de la cosmología FLRW, y es por eso que el espacio tiene una curvatura negativa en ese límite y no es plano como cabría esperar: las coordenadas FLRW son análogas a las coordenadas polares y el "espacio" es una esfera de constante radio (tiempo cosmológico). En un espacio euclidiano tendría una curvatura positiva constante; en el espacio-tiempo de Minkowski todo está al revés.