Pergunte a Ethan: Qual era o tamanho do Universo recém-nascido?

Você, talvez, imagine o Universo infinito e, francamente, ele pode realmente ser assim - mas acho que nunca saberemos sobre isso. Graças ao Big Bang - o fato de o Universo ter um aniversário e de não podermos retroceder o tempo indefinidamente - e o fato de a velocidade da luz ser finita, estamos limitados em que parte do Universo podemos observar. Tendo sobrevivido até hoje, a parte observável do Universo, 13,8 bilhões de anos, se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções. Então, qual era o tamanho, 13,8 bilhões de anos atrás? Joe Muscarella pergunta:

Li explicações muito diferentes sobre o tamanho do universo logo após o fim da inflação cósmica. Uma fonte afirma que tinha 0,77 cm de tamanho, outra - o tamanho de uma bola de futebol e uma terceira - que é maior que o universo observável. Então, qual é a resposta correta?

Acabou sendo um bom ano para perguntas sobre o trabalho de Einstein e a natureza do espaço-tempo. Isso é consistente com o centésimo aniversário da Teoria Geral da Relatividade. Vamos começar discutindo o universo que vemos.



Observando galáxias distantes até onde nossos telescópios podem olhar, podemos medir facilmente alguns parâmetros de uma galáxia em particular, a saber:

• A magnitude de seu desvio para o vermelho, ou seja, a mudança da luz emitida por elas a partir do sistema de descanso inercial,
• Brilho visível ou quantidade a luz chega até nós a uma longa distância.
• O tamanho aparente, ou tamanho em graus angulares, ocupado por ela no céu.

Isso é muito importante, porque se sabemos a velocidade da luz (uma das poucas coisas que sabemos com certeza) e o brilho ou tamanho intrínseco de um objeto (acreditamos que eles são conhecidos por nós), podemos calcular a que distância esse objeto está de nós



De fato, só podemos estimar o brilho e o tamanho do objeto usando algumas suposições. Se você vê uma explosão de supernova em uma galáxia distante, assume seu próprio brilho com base na supernova observada mais próxima, mas também assume que essa supernova tinha o mesmo ambiente, era o mesmo, e não havia entre você e ele nada que mudaria o sinal que você recebe. Os astrônomos chamam essas três suposições de efeitos da evolução (se o objeto mais antigo / mais distante é diferente), o ambiente (se esses objetos não estão localizados onde pensamos) e a extinção (se algo bloquear a luz), além desses efeitos, sobre cuja influência não suspeitamos.



Se adivinhamos corretamente o brilho (ou tamanho) intrínseco de um objeto visível, com base em uma simples proporção de brilho / distância, podemos determinar a distância a eles. Além disso, medindo o desvio para o vermelho, você pode descobrir quanto o Universo se expandiu durante o tempo em que a luz estava nos alcançando. E como existe uma relação muito definida entre matéria / energia e espaço-tempo - o que a relatividade geral de Einstein nos fornece - podemos usar essas informações para determinar as diferentes combinações de todas as formas de matéria e energia presentes no Universo.

Mas isso não é tudo!



Se você sabe em que consiste o seu Universo, e aqui temos:

• 0,01% - radiação (fótons)
• 0,1% - neutrinos (um milhão de vezes menos massivo que os elétrons)
• 4,9% - matéria comum, incluindo planetas, estrelas, galáxias, gás, poeira, plasma, buracos negros
• 27% - matéria escura, interagindo gravitacionalmente com a comum, mas diferente de todas as partículas do Modelo Padrão
• 68% - energia escura, que causa expansão Universo para acelerar,

então você pode usar esse conhecimento para reverter a extrapolação no tempo para qualquer ponto do passado do Universo e descobrir qual era a mistura de densidades de energia na época e qual o tamanho a qualquer momento.

Então, especialmente para você, Joe, fiz todos os cálculos. E ele os observou em escala logarítmica, como mais informativo.



Pode-se ver que, embora a contribuição da energia escura seja grande hoje, essa situação surgiu recentemente. Durante a maioria dos primeiros 9 bilhões de anos da história do Universo, a matéria - uma combinação de matéria normal e escura - foi o principal componente do Universo. Mas nos primeiros milhares de anos, a radiação (na forma de fótons e neutrinos) foi ainda mais importante que a matéria!

Listo tudo isso porque diferentes componentes, radiação, matéria, energia escura, afetam a expansão do Universo de maneiras diferentes. Embora saibamos que hoje o Universo se estende por mais de 46,1 bilhões de anos-luz em qualquer direção, para calcular seu tamanho em um determinado momento, precisamos saber a combinação exata do que era em cada época no passado. Aqui está como fica.



Alguns marcos interessantes no passado:

• O diâmetro da Via Láctea é de 100.000 anos-luz. O universo observável tinha um raio tão grande aos 3 anos de idade.
• Quando o universo tinha um ano, era muito mais quente e denso do que é hoje. Isso significa que a temperatura do universo excedeu 2 milhões de Kelvin.
• Com um segundo de idade, ela estava com muito calor para que núcleos estáveis ​​aparecessem nela. Prótons e nêutrons estavam em um mar de plasma quente. Além disso, todo o Universo observável tinha um raio tal que, se o delinássemos em torno do nosso Sol atual, incluiria apenas sete dos sistemas estelares mais próximos , o mais distante dos quais é Ross 154 [ 9,6 anos-luz - aprox. perev. ]
• Uma vez que o raio do Universo era igual à distância da Terra ao Sol, era envelhecido $$10 - 12 seg. A taxa de expansão do então Universo estava em$10^{-12}$$$10 29 vezes mais do que hoje. Podemos ir e voltar para onde a inflação terminou pela primeira vez, dando origem ao Big Bang. Gostaríamos de extrapolar o universo de volta ao ponto da singularidade, mas a inflação elimina essa necessidade. Ele o substitui por um período de expansão exponencial de duração indefinida e termina com o nascimento de um estado quente, denso e expansivo que associamos ao início do Universo. Estamos nos conectando com a última pequena parcela da inflação em algum lugar entre$10^{29}$

$$10 - 30 a$10^{-30}$$$10 - 35 segundos. Sempre que isso acontece exatamente, precisamos calcular exatamente o tamanho do Universo, no final da inflação e no início do Big Bang.A imagem está um pouco desatualizada - a idade do Universo é de 13,8 bilhões de anos e, novamente, estamos falando do tamanho do Universo observado. O verdadeiro "tamanho do universo" é provavelmente muito maior do que podemos ver, mas não sabemos quanto. Nossas melhores observações, o Sloan Digital Sky Survey e o Planck Space Observatory, deixam claro que, mesmo que o Universo se dobre, fechando-se em algum lugar, a parte que vemos é tão indistinguível de um Universo plano que todo o Universo deveria ser pelo menos 250 vezes maior que o raio de sua parte observada.$10^{-35}$






Em princípio, geralmente pode ser infinito, pois não temos consciência do que fez nos estágios iniciais da inflação. Tudo o que aconteceu até a última fração de segundo na história da inflação foi esclarecido, a julgar pelo que podemos dizer sobre a inflação com base em observações. Mas se falarmos sobre o tamanho do Universo observado e considerarmos que só podemos alcançar a lacuna entre$$10 - 30 e$10^{-30}$$$10 - 35 segundos a inflação antes do Big Bang, então nós sabemos que quando observável Universo era do tamanho de 17 cm (para$10^{-35}$$$10 - 35 ) até 168 metros (para$10^{-35}$$$10 - 30 de ), e que esse era antes do início do estado quente e denso, que chamamos de Big Bang. A resposta de cerca de 17 cm, a propósito, corresponde aproximadamente ao tamanho de uma bola de futebol! Portanto, se você estava se perguntando qual das suposições acima estava mais próxima da correta, você pode usar isso. Menos de um centímetro é muito pequeno, temos restrições decorrentes da radiação relíquia, dizendo que a inflação não poderia terminar com energias tão altas, ou seja, é excluído um tamanho do Universo no início do Big Bang. A resposta sobre um tamanho maior que o Universo de hoje, aparentemente, está relacionada a estimativas do tamanho de todo o Universo não observável, o que provavelmente está correto, mas ainda não é possível medi-lo.$10^{-30}$





Então, qual era o tamanho do universo quando ele nasceu? Se nossos melhores modelos de inflação são verdadeiros, então, do tamanho de uma cabeça humana a um quarteirão com arranha-céus. E se a partir desse momento você esperar um pouco, apenas 13,8 bilhões de anos, terá todo o nosso universo hoje.