¿Cambia alguna vez la masa del universo observable?

Sí, la masa del Universo observable siempre está aumentando.

Materia

Incluso si solo te refieres a la materia "ordinaria" (como estrellas, gas y bicicletas) y la materia oscura , la masa del Universo observable aumenta, no porque se esté creando masa, sino porque el tamaño del Universo observable aumenta Dentro de mil millones de años, podremos ver cosas que hoy están demasiado lejos para que la luz nos alcance, por lo que su radio ha aumentado. Dado que la masa$M$es igual a la densidad$\rho_\mathrm{M}$veces el volumen$V$,$M$aumenta

Como menciona called2voyage, tenemos varias formas de medir la densidad, y sabemos que está cerca de$\rho_\mathrm{M}\simeq 2.7\times10^{-30}\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$( Colaboración Planck et al. 2020 ). el radio es$R = 4.4\times10^{28}\,\mathrm{cm}$, entonces la masa es

$$M = \rho_\mathrm{M} \times V = \rho_\mathrm{M} \times \frac{4\pi}{3}R^3 \simeq 10^{57}\,\mathrm{g},$$ o$5\times10^{23}M_\odot$(masas solares).

Aumento de masa de la materia

Cada segundo, el radio del Universo observable aumenta en$dR = c\,dt = 300\,000\,\mathrm{km}$, además de la expansión. Aquí,$c$es la velocidad de la luz y$dt$es el intervalo de tiempo que elijo que sea de 1 segundo. Eso significa que su masa (actualmente) aumenta en

$$\begin{array}{rcl} dM & = & A \times dR \times \rho_\mathrm{M}\\ & = & 4\pi R^2 \times c\,dt \times \rho_\mathrm{M}\\ & \sim & 10^6\,M_\odot\,\text{per second,} \end{array}$$ dónde$A=4\pi R^2$es el área superficial del Universo.

Energía oscura

Sin embargo, otro factor contribuye al aumento de masa, a saber, la llamada energía oscura , que es una forma de energía atribuida al espacio vacío. Y dado que se crea un nuevo espacio a medida que el Universo se expande, se crea energía oscura todo el tiempo. Actualmente, la densidad de energía de la energía oscura, expresada como densidad de masa a través de$E=mc^2$, es más del doble que la materia ($\rho_\Lambda \simeq 6\times10^{-30}\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$).

La tasa a la que crece el Universo observable debido a la expansión se puede calcular a partir de la ley de Hubble , que dice que los objetos a una distancia$d$de nosotros se aleja a una velocidad

$$v = H_0 \, d,$$ dónde$H_0\simeq 70\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$es la constante de Hubble. Por lo tanto, la expansión hace que el borde del Universo observable retroceda en$v=H_0 R = 3.2c$(sí, más de tres veces la velocidad de la luz), además del factor de$1c$que viene de más luz que nos llega (como arriba).

Aumento de masa de energía oscura

Por lo tanto, cada segundo el radio "total" del Universo observable (es decir, expansión + más luz) aumenta en$dR = (3.2c + 1c)\times dt$, tal que el aumento de masa/energía de la energía oscura es

$$\begin{array}{rcl} dM & = & A \times dR \times \rho_\Lambda\\ & = & 4\pi R^2 \times (3.2c + 1c)dt \times \rho_\Lambda\\ & \sim & 10^7\,M_\odot\,\text{per second,} \end{array}$$ un orden de magnitud mayor que el de la materia regular/oscura.

La masa del universo observable se puede derivar de su densidad.

Según el Dr. Jagadheep D. Pandian:

La densidad de la materia en el universo se puede medir por varios medios, que son demasiado técnicos para entrar en este punto: las personas miden la densidad estudiando las fluctuaciones en el Fondo Cósmico de Microondas, los supercúmulos, la nucleosíntesis del Big Bang, etc.

Usando la densidad y el tamaño del universo observable, la masa puede derivarse en 3 x 10 ⁵⁵ g. Esta cifra incluye tanto la materia oscura como la materia tradicional.

Me imagino que una desviación histórica en la masa podría detectarse si fuera significativa, pero no puedo imaginar qué podría causar una desviación que sería detectable en la escala de la que estamos hablando.

Fuente:

• ¿Cuál es la masa del Universo? (Intermedio) - Universidad de Cornell, Pregúntele a un astrónomo

La densidad aparente del universo es inconsistente con las observaciones disponibles. Debido a la velocidad relativamente lenta de la luz, las observaciones no reflejan las distribuciones reales.

Ahora se están observando galaxias en posiciones y tamaños de hace miles de millones de años. Mientras que nuestra propia Vía Láctea tiene una dispersión de tiempo computacional durante millones de años.

Agregue a esto que las galaxias se están separando unas de otras a una velocidad mayor que la de la luz, lo que significa que hay galaxias que se alejan de nosotros a velocidades mayores que la velocidad de la luz y es probable que no se detecten debido a su firma débilmente dispersa.

Es probable que el universo observable esté sesgado con suficiente variabilidad en evidencia confiable, lo que hace que medir la densidad universal sea poco práctico y poco confiable.

Queda una cuestión de semántica, que es simplemente qué se entiende por "universo observable". El hecho es que diferentes personas van a querer decir cosas diferentes con esa misma frase. De hecho, la Wiki sobre el "universo observable" se contradice en su primer párrafo, afirmando primero que "El universo observable es una región esférica del Universo que comprende toda la materia que se puede observar desde la Tierra en la actualidad, porque la luz y otros las señales de estos objetos han tenido tiempo de llegar a la Tierra desde el comienzo de la expansión cosmológica", pero luego, cuatro oraciones después, cambia su significado, diciendo "Cada ubicación en el Universo tiene su propio universo observable, que puede o no superponerse con el uno centrado en la Tierra". Así que parecen elegir una edad universal particular para su significado, pero no necesariamente un punto de vista particular. Pero tenga en cuenta que en este sentido, no hay forma de responder cómo cambia con el tiempo, ya que existe solo en un momento único.

Este significado nos da varias opciones sobre cómo extender el "universo observable" hacia adelante y hacia atrás en el tiempo. Por ejemplo, podríamos tomar todas las cosas en el "universo observable" actual de la Tierra y preguntar dónde estarán esas cosas en el futuro y dónde estaban en el pasado. Entonces podemos usar un lenguaje como "cuando el universo observable era del tamaño de una toronja", etc., pero observe la ambigüedad: cuando se aplica al futuro, como "¿cómo será el universo observable en tal o cual momento, "Invariablemente imaginamos actualizar lo que podrían ver los seres del día, pero cuando se aplica al pasado, generalmente no imaginamos que haya ningún ser en absoluto, por lo que no actualizamos cuál sería su universo observable, nosotros toma el nuestro y simplemente encógelo.

Entonces, francamente, el término es realmente un poco confuso, por lo que para responder a su pregunta, necesitaríamos aclarar qué significado está tomando. Supongamos que te refieres al "universo observable" que actualiza constantemente lo que los seres hipotéticos podrían observar si hubieran existido en la Tierra en ese momento, entonces tenemos una masa dependiente del tiempo. A medida que la Tierra envejezca, habrá más tiempo para que la luz nos llegue, por lo que el universo observable aumentará de tamaño, pero no necesariamente de masa. Suponiendo que la aceleración continúe como se esperaba, la masa observable del universo aumentará en algo así como un factor de 2, alcanzará un máximo y luego comenzará a disminuir. Su tamaño siempre aumentará con el tiempo, pero luego su masa disminuirá.