¿Cómo es que el tamaño del universo es mayor que su edad?
Sabemos que la edad del Universo es de 13.8 mil millones de años, pero el tamaño del Universo observado es de 46 mil millones de años luz. ¿Cómo es esto posible?
La naturaleza requiere que no superemos la velocidad de la luz. Todo lo demás es opcional.
- Robert Brolt
Uno de los descubrimientos más sorprendentes del siglo XX se debió al estudio de enormes nebulosas espirales dispersas por todo el cielo nocturno.
Rápidamente se hizo evidente que estos objetos son galaxias similares a nuestra Vía Láctea, ubicada a miles de años luz de nosotros. Además, la mayoría de ellos se están moviendo en la dirección de nosotros. Lo que es aún más interesante es que cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, (en promedio) se aleja más rápido. Pocos años después, se descubrieron tanto el mecanismo como la ley que rige este fenómeno.
No hubo dificultades con la ley: midió la velocidad de la galaxia en función del cambio espectral y calculó la distancia a ella utilizando varios métodos, incluidas las velas estándar. Como resultado, aunque todavía tiene errores, recibirá datos sobre la eliminación de galaxias y la velocidad de su escape. La relación entre estos dos parámetros se conoce como la ley de Hubble y determina cómo se mueven las galaxias distantes en relación con nosotros.El mecanismo del fenómeno que ocurrió resultó ser más interesante.
Existe una fuerte tentación de suponer que la causa del fenómeno observado (los objetos más distantes se alejan más rápido) está en algún tipo de explosión que sucedió en el pasado. Si esto fuera así, entonces las galaxias que recibieron menos que la "energía de explosión inicial" estarían más cerca unas de otras y volarían más lentamente, y las galaxias alejadas de nosotros recibirían más energía para volar tan rápido.Si esto fuera así, estaríamos muy cerca del centro de la explosión, y la densidad de las galaxias a nuestro lado sería mucho mayor que lejos de nosotros. En este caso, el espacio sería estático, como una red tridimensional fija. Pero esta no es la única oportunidad.
También es posible que en lugar del Universo estático que se origina en la explosión, pueda obedecer una decisión más poderosa de GR: ¡puede expandirse! En lugar de comenzar debido a una explosión catastrófica en un universo estático, la estructura del cosmos puede expandirse con el tiempo en proporción a la cantidad de energía contenida en él.En este caso, el número de galaxias debería ser en promedio igual en volúmenes iguales de espacio, la velocidad de expansión debería aumentar en una dependencia predecible de la distancia, el Universo debería haber estado más caliente en el pasado y el cúmulo de galaxias debería haber formado una estructura similar a una red en la que todas las regiones del espacio se vean casi iguales a gran escala
En el caso de la primera opción, con una explosión y espacio estático, y en el caso de la edad finita del Universo, podríamos mirar la distancia a una distancia determinada por esta edad. En una edad estática del Universo de 5 años, pudimos ver la luz proveniente de objetos ubicados a no más de 5 años luz de nosotros. En un universo estático de 13.8 mil millones de años, podríamos ver luz proveniente de objetos ubicados a no más de 13.8 mil millones de años luz de nosotros.Pero todas nuestras observaciones refutan esta posibilidad y nos dirigen a la idea de un espacio en expansión en el que el contenido de energía en el Universo determina la velocidad de expansión y, por lo tanto, qué tan lejos están los objetos de nosotros.
¡Lo que es menos intuitivo es que en un Universo en expansión, podemos ver más allá de lo que esto determina su simple edad! Es simplemente un deber. Considere el diagrama anterior, en el que varios cúmulos de galaxias se alejan entre sí debido a la expansión del universo. Imagine que estamos en un grupo central y observamos un grupo en la esquina inferior izquierda.Cuando la luz sale del grupo en la esquina inferior izquierda (izquierda), este grupo está a 87 años luz de nosotros. La luz comienza su viaje hacia nosotros, pero el Universo se está expandiendo. Es decir, el espacio entre este grupo y el nuestro está aumentando, como un pedazo de masa para hornear, pan futuro. La luz sigue llegando a nosotros, pero con el aumento de la distancia, tiene que pasar más de 87 años luz para alcanzarnos. Pero cuando la luz llega a su destino (a la derecha), este grupo ya está a 173 años luz de nosotros.La pregunta clave es: ¿hasta dónde llegó realmente la luz? ¡La respuesta es más de 87 años luz, pero menos de 173 años luz!
Aplica este principio a todo el universo.Hace 13.800 millones de años, el Universo era irrealmente caliente y denso y estaba lleno de una gran variedad de fuentes de energía: radiación (fotones), materia (protones, neutrones, electrones) y la energía inherente del espacio (energía oscura). Si el Universo en expansión se llenara con solo uno de estos tres tipos de energía, y preguntaras qué tan lejos está el objeto, la luz de la que nos acaba de llegar, recibirías tres respuestas diferentes. Por qué
¡Porque la densidad de energía en cualquier momento de la historia determina la historia de la expansión del Universo, y la radiación, la materia y la energía inherente del espacio evolucionan de manera diferente! Y aquí está el resultado final para el Universo con 13.800 millones de años:Si el Universo estuviera lleno solo de radiación, un objeto cuya luz solo nos alcanzaría después de un viaje de 13.8 mil millones de años estaría a una distancia de 27.6 mil millones de años luz de nosotros.Si el Universo estuviera lleno solo de materia, un objeto cuya luz solo nos alcanzaría después de un viaje de 13.8 mil millones de años estaría a 41.4 mil millones de años luz de nosotros.Si el Universo estuviera lleno solo de energía oscura, ninguna luz nos alcanzaría, ya que la expansión sería exponencial y después de ese tiempo simplemente no veríamos nada.Pero ninguno de estos ejemplos corresponde al Universo real, en el que estas energías se mezclan y esta mezcla cambia con el tiempo.
En las primeras etapas del universo en los primeros miles de años, la radiación dominó, principalmente en forma de fotones y neutrinos. Luego se produjo una transición de fase y la materia (normal y oscura) se convirtió en el componente predominante durante miles de millones de años. Y más recientemente, después de la formación del sistema solar y la Tierra, la energía oscura se ha convertido en la dominante. Dado que la energía oscura no fue (y no será) la única fuente de energía para el Universo, nunca nos encontraremos en una situación en la que la luz no nos alcance. Pero es suficiente para empujar los límites del Universo más allá que en la versión solo con materia: hasta 46.1 mil millones de años luz.Esto es contradictorio, pero debes recordar: ¡hace 13.800 millones de años, todo el Universo observable era más pequeño que nuestro sistema solar actual!
La expansión del universo comenzó muy rápidamente y disminuyó con el tiempo. Continúa desacelerándose, pero tiende asintóticamente no a cero, sino a un valor finito, aunque grande. Esto significa que la luz de un objeto muy distante, arrastrado por la expansión del Universo a más de 40 mil millones de años luz de nosotros, puede alcanzarnos hoy, haciendo un viaje a través del Universo comparable a toda la historia de su existencia.Y cuando nos llegue, veremos la luz emitida en un momento en que el Universo era extremadamente joven.La única diferencia es el desplazamiento al rojo espectral, que nos permite determinar la edad y la lejanía de este objeto.¡Es por eso que en un universo de 13.8 mil millones de años, los objetos visibles más distantes están a una distancia de 46 mil millones de años luz de nosotros!Source: https://habr.com/ru/post/es397063/
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