Demandez à Ethan: Quelle était la taille de l'Univers nouveau-né?

Vous imaginez peut-être l'Univers infini, et, franchement, il peut vraiment se révéler comme ça - mais je ne pense pas que nous le saurons jamais. Grâce au Big Bang - le fait que l'Univers a un anniversaire et que nous ne pouvons pas rembobiner le temps indéfiniment - et le fait que la vitesse de la lumière est finie, nous sommes limités dans quelle partie de l'Univers nous pouvons observer. Ayant survécu à ce jour, la partie observable de l'Univers, âgée de 13,8 milliards d'années, s'étend sur 46,1 milliards d'années-lumière dans toutes les directions depuis nous. Alors, quelle était sa taille à l'époque, il y a 13,8 milliards d'années? Joe Muscarella demande:

J'ai lu des explications très différentes sur la taille de l'univers juste après la fin de l'inflation cosmique. Une source prétend qu'il mesurait 0,77 cm, une autre - la taille d'un ballon de football et une troisième - qui est plus grande que l'univers observable. Quelle est donc la bonne réponse?

Une bonne année s'est avérée être pour les questions sur le travail d'Einstein et la nature de l'espace-temps. Cela est cohérent avec le 100e anniversaire de la théorie générale de la relativité. Commençons par discuter de l'univers que nous voyons.



En observant des galaxies éloignées dans la mesure où nos télescopes peuvent regarder, nous pouvons facilement mesurer certains paramètres d'une galaxie particulière, à savoir:

• L'amplitude de son décalage vers le rouge, c'est-à-dire le décalage de la lumière émise par eux depuis le système de repos inertiel,
• La luminosité ou la quantité visible la lumière nous atteignant sur une longue distance,
• La taille apparente, ou la taille en degrés angulaires, qu'elle occupe dans le ciel.

Ceci est très important, car si nous connaissons la vitesse de la lumière (l'une des rares choses que nous savons avec certitude), et la luminosité ou la taille intrinsèque d'un objet (nous pensons qu'elles nous sont connues), alors nous pouvons calculer à quelle distance cet objet est de nous



En fait, nous ne pouvons estimer la luminosité et la taille de l'objet qu'en utilisant certaines hypothèses. Si vous voyez une explosion de supernova dans une galaxie éloignée, vous supposez sa propre luminosité basée sur la supernova observée une fois plus proche, mais vous supposez également que cette supernova avait le même environnement, c'était la même chose, et il n'y avait pas entre vous et elle rien qui puisse changer le signal que vous recevez. Les astronomes appellent ces trois hypothèses les effets de l'évolution (si l'objet plus ancien / plus éloigné est différent), l'environnement (si ces objets ne se trouvent pas du tout là où nous pensons) et l'extinction (si quelque chose bloque la lumière), en plus de ces effets, à propos de dont nous ne soupçonnons pas l'influence.



Si nous avons correctement deviné la luminosité (ou la taille) intrinsèque d'un objet visible, puis sur la base d'un simple rapport de la luminosité à la distance, nous pouvons déterminer la distance à eux. De plus, en mesurant le décalage vers le rouge, vous pouvez découvrir à quel point l'Univers s'est étendu pendant que la lumière nous atteignait. Et puisqu'il existe une relation très définie entre matière / énergie et espace-temps - ce que la relativité générale d'Einstein nous donne - nous pouvons utiliser ces informations pour déterminer les différentes combinaisons de toutes les formes de matière et d'énergie présentes dans l'Univers.

Mais ce n'est pas tout!



Si vous savez en quoi consiste votre Univers, et nous l'avons ici:

• 0,01% - rayonnement (photons)
• 0,1% - neutrinos (un million de fois moins massif que les électrons)
• 4,9% - matière ordinaire, y compris les planètes, les étoiles, les galaxies, le gaz, la poussière, le plasma, les trous noirs
• 27% - matière noire, en interaction gravitationnelle avec l'ordinaire, mais différente de toutes les particules du modèle standard
• 68% - énergie sombre, qui provoque une expansion Univers pour accélérer,

vous pouvez utiliser cette connaissance pour inverser l'extrapolation dans le temps à tout moment dans le passé de l'Univers, et découvrir quel mélange de densités d'énergie était alors, et quelle taille il était à tout moment.

Donc, spécialement pour toi, Joe, j'ai fait tous les calculs. Et il les a notés sur une échelle logarithmique, comme plus informatifs.



On peut voir que bien que la contribution de l'énergie sombre soit grande aujourd'hui, cette situation est apparue récemment. Pendant la majeure partie des 9 premiers milliards d'années de l'histoire de l'Univers, la matière - une combinaison de matière normale et sombre - a été la principale composante de l'Univers. Mais les premiers milliers d'années, le rayonnement (sous forme de photons et de neutrinos) était encore plus important que la matière!

J'énumère tout cela parce que différents composants, le rayonnement, la matière, l'énergie sombre, affectent l'expansion de l'Univers de différentes manières. Bien que nous sachions qu'aujourd'hui l'Univers s'étend sur 46,1 milliards d'années-lumière dans n'importe quelle direction, pour calculer sa taille à un moment donné, nous devons connaître la combinaison exacte de ce qu'il était à chaque époque du passé. Voici à quoi ça ressemble.



Quelques jalons intéressants dans le passé:

• Le diamètre de la Voie lactée est de 100 000 années-lumière. L'univers observable avait un tel rayon quand il avait 3 ans.
• Quand l'univers avait un an, il était beaucoup plus chaud et plus dense qu'aujourd'hui. Cela signifie que la température de l'univers a dépassé 2 millions de Kelvin.
• À l'âge d'une seconde, elle était trop chaude pour que des noyaux stables apparaissent en elle. Les protons et les neutrons étaient dans une mer de plasma chaud. De plus, l'Univers observable entier avait un rayon tel que si nous le décrivions autour de notre Soleil actuel, il ne comprendrait que sept des systèmes stellaires les plus proches , dont le plus éloigné est Ross 154 [ 9,6 années-lumière - env. perev. ]
• Une fois que le rayon de l'Univers était égal à la distance de la Terre au Soleil, il a vieilli $$10 - 12 secondes. Le taux d'expansion de l'Univers d'alors était en$10^{-12}$$$10 29 fois plus qu'aujourd'hui. Nous pouvons aller et venir là où l'inflation s'est arrêtée pour la première fois, donnant lieu au Big Bang. Nous voudrions extrapoler l'univers au point de singularité, mais l'inflation élimine ce besoin. Il le remplace par une période d'expansion exponentielle de durée indéfinie, et il se termine par la naissance d'un état chaud, dense et en expansion que nous associons au début de l'Univers. Nous nous connectons avec la dernière petite part de l'inflation quelque part entre$10^{29}$

$$10 - 30 au$10^{-30}$$$10 - 35 secondes. Chaque fois que cela se produit exactement, nous devons calculer la taille de l'Univers avec précision, à la fin de l'inflation et au début du Big Bang.L'image est légèrement dépassée - l'âge de l'Univers est de 13,8 milliards d'années. Et encore une fois, nous parlons de la taille de l'Univers observé. La véritable "taille de l'univers" est probablement beaucoup plus grande que ce que nous pouvons voir, mais nous ne savons pas combien. Nos meilleures observations, le Sloan Digital Sky Survey et le Planck Space Observatory, nous montrent clairement que si l'Univers se plie, se fermant quelque part, alors la partie que nous voyons est tellement indiscernable d'un Univers plat que l'Univers entier devrait être au moins 250 fois plus grand que le rayon de sa partie observée.$10^{-35}$






En principe, elle peut généralement être infinie, car nous ne savons pas ce qu'elle a fait aux premiers stades de l'inflation. Tout ce qui s'est passé jusqu'à la dernière fraction de seconde de l'histoire de l'inflation a été effacé, à en juger par ce que nous pouvons dire sur l'inflation sur la base des observations. Mais si nous parlons de la taille de l'Univers observé, et considérons que nous ne pouvons combler l'écart entre$$10 - 30 et$10^{-30}$$$10 - 35 secondes inflation avant le Big Bang, alors nous savons que lorsqueunivers observable était la taille de 17 cm (pour$10^{-35}$$$10 - 35 ) jusqu'à 168 mètres (pour$10^{-35}$$$10 - 30 ), et que ce qu'il était avant le début de l'état chaud et dense, que nous appelons le Big Bang. La réponse d'environ 17 cm, soit dit en passant, correspond à peu près à la taille d'un ballon de football! Donc, si vous vous demandez laquelle des hypothèses ci-dessus était plus proche de la bonne, vous pouvez l'utiliser. Moins d'un centimètre est trop petit, nous avons des restrictions découlant du rayonnement relique, disant que l'inflation ne pouvait pas se terminer à des énergies aussi élevées, c'est-à-dire qu'une telle taille de l'Univers au début du Big Bang est exclue. La réponse concernant une taille plus grande que l'Univers actuel, apparemment, était liée aux estimations de la taille de l'Univers entier non observable, ce qui est probablement correct, mais il n'est toujours pas possible de la mesurer.$10^{-30}$





Alors, quelle était la taille de l'univers quand il venait de naître? Si nos meilleurs modèles d'inflation sont vrais, alors quelque part de la taille d'une tête humaine à un pâté de maisons avec des gratte-ciel. Et si à partir de ce moment vous attendez un peu, seulement 13,8 milliards d'années, alors vous aurez tout notre univers aujourd'hui.