Pregúntele a Ethan: ¿De qué tamaño era el universo recién nacido?

Usted, tal vez, imagina el Universo infinito y, francamente, realmente puede llegar a ser así, pero no creo que lo sepamos nunca. Gracias al Big Bang, el hecho de que el Universo cumple años y que no podemos rebobinar el tiempo indefinidamente, y el hecho de que la velocidad de la luz es finita, estamos limitados en qué parte del Universo podemos observar. Habiendo sobrevivido hasta nuestros días, la parte observable del Universo, de 13.8 mil millones de años, se extiende por más de 46.1 mil millones de años luz en todas las direcciones. Entonces, ¿de qué tamaño era, hace 13.800 millones de años? Joe Muscarella pregunta:

Leí explicaciones muy diferentes sobre el tamaño del universo justo después del final de la inflación cósmica. Una fuente afirma que tenía un tamaño de 0,77 cm, otra, del tamaño de una pelota de fútbol, ​​y una tercera, que es más grande que el universo observable. Entonces, ¿cuál es la respuesta correcta?

Un buen año resultó ser para preguntas sobre el trabajo de Einstein y la naturaleza del espacio-tiempo. Esto es consistente con el centenario de la teoría general de la relatividad. Comencemos discutiendo el universo que vemos.



Observando galaxias distantes hasta donde nuestros telescopios pueden mirar, podemos medir fácilmente algunos parámetros de una galaxia en particular, a saber:

• La magnitud de su desplazamiento al rojo, es decir, el cambio de la luz emitida por ellos desde el sistema de reposo inercial,
• Brillo o cantidad visible luz que nos llega a larga distancia,
• El tamaño aparente, o tamaño en grados angulares, que ocupa en el cielo.

Esto es muy importante, porque si conocemos la velocidad de la luz (una de las pocas cosas que sabemos con certeza) y el brillo intrínseco o el tamaño de un objeto (creemos que nos son conocidos), entonces podemos calcular qué tan lejos está este objeto de nosotros.



De hecho, solo podemos estimar el brillo y el tamaño del objeto utilizando algunos supuestos. Si ve una explosión de supernova en una galaxia distante, asume su propio brillo en función de la supernova observada una vez más cercana, pero también asume que esa supernova tenía el mismo entorno, era el mismo, y no había entre usted y nada que pueda cambiar la señal que recibes. Los astrónomos llaman a estos tres supuestos los efectos de la evolución (si el objeto más antiguo / más distante es diferente), el entorno (si estos objetos no están ubicados en el lugar donde pensamos) y la extinción (si algo bloquea la luz), además de esos efectos, sobre cuya influencia no sospechamos.



Si adivinamos correctamente el brillo intrínseco (o tamaño) de un objeto visible, entonces, en base a una relación simple de brillo a distancia, podemos determinar la distancia a ellos. Además, midiendo el desplazamiento al rojo, puede descubrir cuánto se expandió el Universo durante el tiempo en que la luz nos estaba llegando. Y dado que existe una relación muy definida entre materia / energía y espacio-tiempo, lo que nos brinda la relatividad general de Einstein, podemos usar esta información para determinar las diferentes combinaciones de todas las formas de materia y energía presentes en el Universo.

¡Pero eso no es todo!



Si sabe en qué consiste su Universo, y aquí lo tenemos:

• 0.01% - radiación (fotones)
• 0.1% - neutrinos (un millón de veces menos masivo que los electrones)
• 4.9% - materia ordinaria, incluyendo planetas, estrellas, galaxias, gas, polvo, plasma, agujeros negros
• 27% - materia oscura, interactuando gravitacionalmente con ordinaria, pero diferente de todas las partículas del Modelo Estándar
• 68% - energía oscura, que causa expansión Universo para acelerar,

entonces puede usar este conocimiento para revertir la extrapolación en el tiempo a cualquier punto en el pasado del Universo, y descubrir qué mezcla de densidades de energía era en ese momento y de qué tamaño era en cualquier momento.

Entonces, especialmente para ti, Joe, hice todos los cálculos. Y los observó en una escala logarítmica, como más informativos.



Se puede ver que aunque la contribución de la energía oscura es grande hoy, esta situación ha surgido recientemente. Durante la mayor parte de los primeros 9 mil millones de años de la historia del Universo, la materia, una combinación de materia normal y oscura, fue el componente principal del Universo. ¡Pero los primeros miles de años, la radiación (en forma de fotones y neutrinos) fue aún más importante que la materia!

Enumero todo esto porque diferentes componentes, radiación, materia, energía oscura, afectan la expansión del Universo de diferentes maneras. Aunque sabemos que hoy el Universo se extiende más de 46.1 mil millones de años luz en cualquier dirección, para calcular su tamaño en un momento dado, necesitamos saber la combinación exacta de lo que fue en cada una de las eras en el pasado. Así es como se ve.



Algunos hitos interesantes en el pasado:

• El diámetro de la Vía Láctea es de 100,000 años luz. El Universo observable tenía tal radio cuando tenía 3 años.
• Cuando el universo tenía un año, era mucho más cálido y denso de lo que es hoy. Esto significa que la temperatura del universo superó los 2 millones de Kelvin.
• A la edad de un segundo, estaba demasiado caliente para que aparecieran núcleos estables en ella. Los protones y los neutrones estaban en un mar de plasma caliente. Además, todo el Universo observable tenía un radio tal que si lo delimitáramos alrededor de nuestro Sol actual, incluiría solo siete de los sistemas estelares más cercanos , el más alejado de los cuales es Ross 154 [ 9.6 años luz - aprox. perev. ]
• Una vez que el radio del Universo era igual a la distancia de la Tierra al Sol, se envejeció $$10 - 12 seg. La tasa de expansión del entonces Universo estaba en$10^{-12}$$$10 29 veces más que hoy. Podemos ir y venir a donde la inflación terminó por primera vez, dando lugar al Big Bang. Nos gustaría extrapolar el universo de vuelta al punto de la singularidad, pero la inflación elimina esta necesidad. Lo reemplaza con un período de expansión exponencial de duración indefinida, y termina con el nacimiento de un estado caliente, denso y en expansión que asociamos con el comienzo del Universo. Nos estamos conectando con la última pequeña proporción de inflación en algún lugar entre$10^{29}$

$$10 - 30 de a$10^{-30}$$$10 - 35 segundos. Siempre que esto suceda exactamente, necesitamos calcular el tamaño del Universo precisamente en ese momento, al final de la inflación y al comienzo del Big Bang.La imagen está un poco desactualizada: la edad del Universo es de 13.800 millones de años, y nuevamente, estamos hablando del tamaño del Universo observado. El verdadero "tamaño del universo" es probablemente mucho más grande de lo que podemos ver, pero no sabemos cuánto. Nuestras mejores observaciones, el Sloan Digital Sky Survey y el Planck Space Observatory, nos dejan en claro que si el Universo se dobla, cerrándose en algún lugar, entonces la parte que vemos es tan indistinguible de un Universo plano que todo el Universo debería ser al menos 250 veces más grande que el radio de su parte observada.$10^{-35}$






En principio, generalmente puede ser infinito, ya que no somos conscientes de lo que hizo en las primeras etapas de la inflación. Todo lo que sucedió hasta la última fracción de segundo en la historia de la inflación ha sido aclarado, a juzgar por lo que podemos decir sobre la inflación en base a observaciones. Pero si hablamos del tamaño del Universo observado, y consideramos que solo podemos lograr la brecha entre$$10 - 30 de y$10^{-30}$$$10 - 35 segundos de inflación antes del Big Bang, entonces sabemos que cuando Universo observable era del tamaño de 17 cm (para$10^{-35}$$$10 - 35 ) a 168 metros (para$10^{-35}$$$10 - 30 de ), y que esa era antes del comienzo del estado caliente y denso, lo que llamamos el Big Bang. ¡La respuesta de unos 17 cm, por cierto, corresponde aproximadamente al tamaño de una pelota de fútbol! Entonces, si se preguntaba cuál de los supuestos anteriores estaba más cerca del correcto, puede usar esto. Menos de un centímetro es demasiado pequeño, tenemos restricciones derivadas de la radiación relicta, que dice que la inflación no podría terminar con energías tan altas, es decir, que tal tamaño del Universo al comienzo del Big Bang está excluido. La respuesta sobre un tamaño más grande que el Universo de hoy, aparentemente, se relaciona con las estimaciones del tamaño de todo el Universo no observable, lo que probablemente sea correcto, pero aún no es posible medirlo.$10^{-30}$





Entonces, ¿de qué tamaño era el universo cuando acababa de nacer? Si nuestros mejores modelos de inflación son ciertos, entonces, desde el tamaño de una cabeza humana hasta una manzana con rascacielos. Y si desde ese momento esperas un poco, solo 13.8 mil millones de años, hoy tendrás todo nuestro universo.