La imagen del telescopio Hubble muestra un grupo masivo de galaxias PLCK_G308.3-20.2 que brillan intensamente en la oscuridad. Así es como se ven las grandes secciones del Universo distante. Pero, ¿hasta dónde se extiende el Universo conocido, incluida la parte que no podemos observar?Hace 13.800 millones de años hubo un Big Bang. El Universo estaba lleno de materia, antimateria, radiación y existía en un estado supercaliente y superdenso, pero en expansión y enfriamiento. Hasta la fecha, su volumen, incluido el Universo que estamos observando, se ha expandido hasta el punto de que su radio es de 46 mil millones de años luz, y la luz que hoy llega a nuestros ojos por primera vez cumple con los límites de lo que podemos medir. Y que sigue? ¿Qué pasa con la parte no observable del universo? Esto es exactamente lo que nuestro lector quiere saber:
Conocemos el tamaño del Universo observado, porque sabemos su edad (al menos desde el momento de la transición de fase) y sabemos cómo se propaga la luz. Mi pregunta es ¿por qué las matemáticas que describen la radiación relicta y otras predicciones no pueden decirnos el tamaño del universo? Sabemos lo caliente que estaba y lo fría que está ahora. ¿La escala no afecta estos cálculos?
Oh, si tan solo fuera así de simple.
La historia del Universo está definida, así como qué tan lejos en el pasado podemos mirar con la ayuda de varios instrumentos y telescopios. Pero podemos decir, recurriendo a la tautología, que nuestras observaciones solo pueden brindarnos información sobre sus partes observadas. Todo lo demás tiene que ser adivinado, y estas suposiciones son tan buenas como las suposiciones subyacentes.Hoy el Universo está frío y lleno de bultos, y también se está expandiendo y tiene un efecto gravitacional. Mirando hacia el espacio, no solo miramos largas distancias, sino que también vemos el pasado distante, debido a la velocidad finita de la luz. Las partes remotas del Universo son menos grumosas y más homogéneas, tenían menos tiempo para la formación de estructuras más grandes y complejas bajo la influencia de la gravedad.
El Universo temprano quitado de nosotros también fue más caliente. El Universo en expansión conduce a un aumento en la longitud de onda de la luz que se propaga a través de él. Con su extensión, la luz pierde energía, se enfría. Esto significa que en el pasado distante el Universo estaba más caliente, y confirmamos este hecho al observar las propiedades de las partes distantes del Universo.
Un estudio de 2011 (puntos rojos) proporciona la mejor evidencia disponible hoy de que la temperatura de CMB fue más alta en el pasado. Las propiedades espectrales y de temperatura de la luz proveniente de lejos confirman el hecho de que vivimos en un espacio en expansión.Podemos medir la temperatura del Universo de hoy, 13.8 mil millones de años después del Big Bang, estudiando la radiación que queda de ese estado temprano cálido y denso. Hoy, se manifiesta en la parte de microondas del espectro y se conoce como radiación reliquia. Encaja en el espectro de emisión de un cuerpo completamente negro y tiene una temperatura de 2.725 K, y es bastante fácil demostrar que estas observaciones coinciden con una precisión sorprendente con las predicciones del modelo Big Bang para nuestro Universo.
Luz real del sol (izquierda, curva amarilla) y un cuerpo completamente negro (gris). Debido al grosor de la fotosfera del sol, se refiere más a los cuerpos negros. A la derecha está la verdadera radiación relicta, que coincide con la radiación del cuerpo negro, medida por el satélite COBE. Tenga en cuenta que el error extendido en el gráfico de la derecha es sorprendentemente pequeño (alrededor de 400 sigma). La coincidencia de teoría y práctica es histórica.Además, sabemos cómo cambia la energía de esta radiación con la expansión del Universo. La energía del fotón es inversamente proporcional a la longitud de onda. Cuando el Universo era dos veces más pequeño, los fotones que quedaban del Big Bang tenían dos veces más energía; Cuando el tamaño del Universo era del 10% de su corriente, la energía de estos fotones era 10 veces mayor. Si queremos volver al momento en que el tamaño del Universo era 0.092% de su corriente, encontramos que el Universo era 10
89 veces más caliente que hoy: aproximadamente 3000 K. A estas temperaturas, el Universo puede ionizar todos los átomos contenidos en él. En lugar de sustancias sólidas, líquidas o gaseosas, toda la materia en todo el Universo estaba en forma de plasma ionizado.
Un universo en el que los electrones y protones libres colisionan con los fotones se convierte en un neutral, transparente para los fotones, a medida que se enfría y se expande. A la izquierda está el plasma ionizado antes de la emisión de la radiación CMB, a la derecha está el Universo neutral, transparente a los fotones.Llegamos al tamaño del Universo de hoy, entendiendo tres cuestiones relacionadas:
- Qué tan rápido se está expandiendo el universo hoy en día: podemos medir esto de varias maneras.
- Qué tan caliente está hoy el Universo: podemos averiguarlo estudiando la radiación relicta.
- En qué consiste el Universo, incluyendo materia, radiación, neutrinos, antimateria, materia oscura, energía oscura, etc.
Usando el estado actual del Universo, podemos extrapolar de vuelta a las primeras etapas del Big Bang y llegar a valores para la edad y el tamaño del Universo.
Una gráfica logarítmica del tamaño del Universo observado, en años luz, sobre la cantidad de tiempo que ha pasado desde el Big Bang. Todo esto se aplica solo al Universo observable.Del conjunto completo de observaciones disponibles, incluida la radiación relicta, datos de supernovas, observaciones de estructuras a gran escala y oscilaciones acústicas de bariones, obtenemos una imagen que describe nuestro Universo. 13.8 mil millones de años después del Big Bang, su radio es de 46.1 mil millones de años luz. Este es el límite de lo observado. Todo lo que esté más lejos, incluso moviéndose a la velocidad de la luz desde el momento del Big Bang, no tendrá tiempo suficiente para alcanzarnos. Con el tiempo, la edad y el tamaño del universo aumentan, y siempre habrá un límite para lo que podemos ver.
Representación artística del Universo observable a escala logarítmica. Tenga en cuenta que estamos limitados en cuanto podemos mirar hacia el pasado, la cantidad de tiempo que ha pasado desde el gran Big Bang. Esto es 13.8 mil millones de años, o (dada la expansión del universo) 46 mil millones de años luz. Todos los que viven en nuestro universo, en cualquier momento, verán casi la misma imagen.¿Qué podemos decir sobre esa parte del Universo que está más allá del alcance de nuestras observaciones? Solo podemos especular sobre la base de las leyes de la física y lo que podemos medir en nuestra parte observable. Por ejemplo, vemos que el Universo a gran escala es espacialmente plano: no está curvado ni positiva ni negativamente, con una precisión de 0.25%. Si asumimos que nuestras leyes físicas están formuladas correctamente, podemos evaluar qué tan grande puede ser el Universo hasta que se cierre por sí mismo.
Las magnitudes de las secciones calientes y frías y sus escalas indican la curvatura del Universo. Con qué precisión podemos medir, se ve perfectamente plano. Las oscilaciones acústicas bariónicas proporcionan otro método para imponer restricciones a la curvatura y conducen a resultados similares.El estudio digital del cielo de Sloan y el satélite
Planck nos brindan los mejores datos de hoy. Dicen que si el Universo incluso se dobla, cerrándose sobre sí mismo, entonces esa parte que podemos ver es tan indistinguible de la plana que su radio no debe ser menos de 250 veces el radio de la parte observada.
Esto significa que el Universo no observable, si no hay rarezas topológicas en él, debe tener un diámetro de al menos 23 billones de años luz, y su volumen debe ser al menos 15 millones de veces mayor que el observado por nosotros. Pero si nos permitimos argumentar teóricamente, podemos demostrar de manera convincente que los tamaños del Universo no observable deberían exceder significativamente incluso estas estimaciones.
El Universo observado puede tener un tamaño de 46 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nuestra ubicación, pero más allá de estos límites definitivamente existe una gran parte de él, no observable, posiblemente incluso infinito, similar al que vemos. Con el tiempo, podremos ver un poco más, pero no todo.El gran Big Bang puede marcar la aparición del Universo observable que conocemos, pero no marca el origen del espacio y el tiempo en sí. Antes del Big Bang, el Universo pasó por un período de inflación cósmica. No estaba lleno de materia y radiación, y no estaba caliente, pero:
- estaba lleno de la energía inherente al espacio mismo,
- expandido a una tasa constante y exponencial,
- y creó un nuevo espacio tan rápido que la menor longitud posible, <a
Longitud de Planck [1.6 × 10
-35 m], estirada al tamaño del Universo observado hoy cada 10
-32 segundos.
La inflación hace que el espacio se expanda exponencialmente, lo que puede conducir rápidamente al hecho de que el espacio curvo o no liso se verá plano. Si el universo es curvo, el radio de su curvatura es al menos cientos de veces mayor de lo que podemos observar.En nuestra parte del universo, la inflación realmente ha llegado a su fin. Pero tres preguntas, de las cuales no sabemos las respuestas, afectan en gran medida el tamaño real del Universo y si es infinito:
- ¿Cuán grande es la sección del universo después de la inflación que generó nuestro Big Bang?
- ¿Es cierta la idea de la inflación perpetua, según la cual el Universo se expande infinitamente, al menos en algunas regiones?
- ¿Cuánto duró la inflación hasta que se detuvo y engendró el caliente Big Bang?
Es posible que la parte del Universo donde ocurría la inflación pudiera crecer a un tamaño no mucho mayor de lo que podemos observar. Es posible que en cualquier momento haya evidencia de la existencia de un "margen" en el que terminó la inflación. Pero también es posible que el Universo en
Google sea más grande que el observable. Sin responder estas preguntas, no obtendremos una respuesta a la principal.
La gran cantidad de regiones individuales en las que ocurrió el Big Bang es compartida por un espacio que crece constantemente como resultado de la inflación perpetua. Pero no tenemos idea de cómo probar, medir u obtener acceso a lo que se encuentra más allá de nuestro Universo observable.Más allá de los límites de lo que podemos ver, lo más probable es que haya incluso un Universo más grande, el mismo que el nuestro, con las mismas leyes de la física, con las mismas estructuras cósmicas y las mismas posibilidades de una vida compleja. Además, la "burbuja" en la que terminó la inflación debe tener un tamaño finito, a pesar del hecho de que un número exponencialmente grande de tales burbujas está contenido en un espacio-tiempo más grande y en expansión. Pero incluso si todo este Universo, o Multiverso, puede ser increíblemente grande, puede que no sea infinito. De hecho, a menos que la inflación continúe indefinidamente, o el Universo no haya nacido infinitamente grande, debe ser finito.
No importa cuán grande sea la parte del Universo que observemos, no importa cuán lejos podamos mirar, todo esto constituye solo una pequeña fracción de lo que debería existir allí, afuera.El mayor problema es que no tenemos suficiente información para una respuesta específica a la pregunta. Solo sabemos cómo acceder a la información disponible dentro de nuestro Universo observable: estos 46 mil millones de años luz en todas las direcciones. La respuesta a la pregunta más importante, sobre la finitud o infinidad del Universo, puede ocultarse en el Universo mismo, pero no podemos conocer una parte lo suficientemente grande como para saberlo con certeza. Y hasta que lidiemos con esto, o lleguemos a un astuto esquema para expandir los límites de las posibilidades de la física, solo tendremos probabilidades.