Pergunte a Ethan: Qual o tamanho de todo o universo não observável como um todo?

A imagem do telescópio Hubble mostra um aglomerado maciço de galáxias PLCK_G308.3-20.2 que brilham intensamente no escuro. É assim que as enormes seções do universo distante se parecem. Mas até que ponto o Universo conhecido se estende, incluindo a parte que não podemos observar?

13,8 bilhões de anos atrás, houve um Big Bang. O Universo estava cheio de matéria, antimatéria, radiação e existia em um estado super quente e super denso, mas em expansão e resfriamento. Até a presente data, seu volume, incluindo o Universo que estamos observando, expandiu-se a tal ponto que seu raio é de 46 bilhões de anos-luz, e a luz que hoje entra em nossos olhos pela primeira vez atende aos limites do que podemos medir. E o que vem depois? E a parte não observável do universo? É exatamente isso que nosso leitor deseja saber:

Conhecemos o tamanho do Universo observado, porque sabemos sua idade (pelo menos a partir do momento da transição de fase) e sabemos como a luz se espalha. Minha pergunta é por que a matemática que descreve a radiação relíquia e outras previsões não pode nos dizer o tamanho do universo? Sabemos o quão quente ela estava e o quão fria ela está agora. A escala não afeta esses cálculos?

Oh, se fosse assim tão simples.


A história do Universo é definida, bem como o quanto podemos olhar para o passado com a ajuda de vários instrumentos e telescópios. Mas podemos dizer, recorrendo à tautologia, que nossas observações podem nos fornecer informações apenas sobre suas partes observadas. Tudo o mais precisa ser adivinhado, e essas suposições são tão boas quanto as suposições subjacentes a elas.

Hoje o Universo está frio e irregular, e também está se expandindo e tem um efeito gravitacional. Olhando para o espaço, não apenas observamos longas distâncias, mas também vemos o passado distante, devido à velocidade finita da luz. As partes remotas do Universo são menos irregulares e mais homogêneas, tinham menos tempo para a formação de estruturas maiores e mais complexas sob a influência da gravidade.

O Universo primitivo removido de nós também foi mais quente. O Universo em expansão leva a um aumento no comprimento de onda da luz que se propaga através dele. Com sua extensão, a luz perde energia, esfria. Isso significa que, no passado distante, o Universo era mais quente - e confirmamos esse fato observando as propriedades das partes distantes do Universo.


Um estudo de 2011 (pontos vermelhos) fornece as melhores evidências disponíveis hoje de que a temperatura do CMB era mais alta no passado. As propriedades espectrais e de temperatura da luz que vêm de longe confirmam o fato de que vivemos em um espaço em expansão.

Podemos medir a temperatura do Universo de hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, estudando a radiação que resta daquele estado inicial quente e denso. Hoje, ele se manifesta na parte de microondas do espectro e é conhecido como radiação de relíquia. Ele se encaixa no espectro de emissão de um corpo absolutamente preto e tem uma temperatura de 2.725 K, e é bastante fácil mostrar que essas observações coincidem com uma precisão surpreendente com as previsões do modelo do Big Bang para o nosso Universo.


Luz real do Sol (esquerda, curva amarela) e um corpo completamente preto (cinza). Devido à espessura da fotosfera do sol, refere-se mais a corpos negros. À direita está a radiação real, que coincide com a radiação do corpo negro, medida pelo satélite COBE. Observe que o erro espalhado no gráfico à direita é surpreendentemente pequeno (cerca de 400 sigma). A coincidência da teoria e da prática é histórica.

Além disso, sabemos como a energia dessa radiação muda com a expansão do Universo. A energia do fóton é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Quando o Universo era duas vezes menor, os fótons que restavam do Big Bang tinham duas vezes mais energia; quando o tamanho do universo era 10% de sua corrente, a energia desses fótons era 10 vezes maior. Se quisermos voltar ao momento em que o tamanho do Universo era 0,092% de sua corrente, descobrimos que o Universo era 10 ⁸⁹ vezes mais quente do que hoje: cerca de 3000 K. Nessas temperaturas, o Universo é capaz de ionizar todos os átomos nele contidos. Em vez de substâncias sólidas, líquidas ou gasosas, toda a matéria em todo o Universo estava na forma de plasma ionizado.


Um universo no qual elétrons e prótons livres colidem com fótons se transforma em um neutro, transparente para fótons, à medida que esfria e se expande. À esquerda, o plasma ionizado antes da emissão da radiação CMB; à direita, o Universo neutro, transparente aos fótons.

Chegamos ao tamanho do universo de hoje, entendendo três questões relacionadas:

1. Com que rapidez o universo está se expandindo hoje - podemos medir isso de várias maneiras.
2. Quão quente o Universo está hoje - podemos descobrir estudando a radiação relíquia.
3. No que o Universo consiste - incluindo matéria, radiação, neutrinos, antimatéria, matéria escura, energia escura, etc.

Usando o estado atual do Universo, podemos extrapolar de volta aos estágios iniciais do Big Bang quente e chegar a valores para a idade e o tamanho do Universo.


Uma trama logarítmica do tamanho do Universo observado, em anos-luz, sobre a quantidade de tempo que se passou desde o Big Bang. Tudo isso se aplica apenas ao universo observável.

De todo o conjunto de observações disponíveis, incluindo radiação de relíquia, dados de supernova, observações de estruturas em grande escala e oscilações acústicas de bárions, obtemos uma imagem descrevendo nosso Universo. 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, seu raio é de 46,1 bilhões de anos-luz. Este é o limite do observado. Tudo o que está mais longe, mesmo se movendo na velocidade da luz a partir do momento do quente Big Bang, não terá tempo suficiente para chegar até nós. Com o tempo, a idade e o tamanho do universo aumentam, e sempre haverá um limite para o que podemos ver.


Representação artística do Universo observável em escala logarítmica. Observe que estamos limitados em quão longe podemos olhar para o passado, a quantidade de tempo que passou desde o Big Bang quente. Isso é 13,8 bilhões de anos, ou (dada a expansão do universo) 46 bilhões de anos-luz. Todo mundo que vive em nosso universo, em qualquer ponto dele, verá quase a mesma imagem.

O que podemos dizer sobre a parte do Universo que está além do escopo de nossas observações? Só podemos especular com base nas leis da física e no que podemos medir em nossa parte observável. Por exemplo, vemos que o Universo em larga escala é espacialmente plano: não é curvo nem positivo nem negativamente, com uma precisão de 0,25%. Se assumirmos que nossas leis da física foram formuladas corretamente, podemos avaliar o tamanho do Universo até que ele se feche.


As magnitudes das seções quentes e frias e suas escalas indicam a curvatura do universo. Quão precisamente somos capazes de medir, parece perfeitamente plano. As oscilações acústicas do bárion fornecem outro método para impor restrições à curvatura e levam a resultados semelhantes.

A pesquisa digital do céu de Sloan e o satélite Planck nos fornecem os melhores dados para hoje. Eles dizem que se o Universo se dobra, fechando-se, então essa parte que podemos ver é tão indistinguível da plana que seu raio não deve ser inferior a 250 vezes o raio da parte observada.

Isso significa que o Universo não observável, se não houver esquisitices topológicas, deve ter um diâmetro de pelo menos 23 trilhões de anos-luz e seu volume deve ser pelo menos 15 milhões de vezes maior que o observado por nós. Mas se nos permitirmos argumentar teoricamente, podemos provar de maneira convincente que os tamanhos do Universo não observável devem exceder significativamente até essas estimativas.


O Universo observado pode ter um tamanho de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções a partir de nossa localização, mas além desses limites, definitivamente existe uma grande parte dele, inobservável, possivelmente até infinita, semelhante à que vemos. Com o tempo, poderemos ver um pouco mais, mas não tudo.

O Big Bang quente pode marcar a aparência do Universo observável conhecido por nós, mas não marca a origem do espaço e do tempo em si. Antes do Big Bang, o Universo passou por um período de inflação cósmica. Não estava cheio de matéria e radiação e não estava quente, mas:

• foi preenchido com a energia inerente ao próprio espaço,
• expandido a uma taxa constante e exponencial,
• e criou um novo espaço tão rápido que o menor comprimento possível, <a

Comprimento de Planck [1,6 × ^10-35 m], esticado até o tamanho do Universo observado hoje a cada 10 a ³² segundos.


A inflação faz com que o espaço se expanda exponencialmente, o que pode levar muito rapidamente ao fato de que o espaço curvo ou não liso parecerá plano. Se o Universo é curvado, o raio de sua curvatura é pelo menos centenas de vezes maior do que o que podemos observar.

Em nossa parte do universo, a inflação realmente chegou ao fim. Mas três perguntas, para as quais não sabemos as respostas, afetam muito o tamanho real do Universo e se é infinito:

1. Qual é o tamanho da seção do universo após a inflação que gerou o nosso Big Bang?
2. A idéia de inflação perpétua é verdadeira, segundo a qual o Universo está se expandindo infinitamente, pelo menos em algumas regiões?
3. Quanto tempo durou a inflação até parar e gerar o Big Bang quente?

É possível que a parte do Universo em que a inflação estava ocorrendo tenha crescido para um tamanho não muito maior do que o que podemos observar. É possível que a qualquer momento haja evidências da existência de uma "margem" na qual a inflação terminou. Mas também é possível que o Universo em googles seja maior que o observado. Sem responder a essas perguntas, não obteremos resposta para a principal.


O grande número de regiões individuais nas quais o Big Bang ocorreu é compartilhado por um espaço que cresce constantemente como resultado da inflação perpétua. Mas não temos idéia de como testar, medir ou obter acesso ao que está além do nosso universo observável.

Além dos limites do que podemos ver, provavelmente existe um universo ainda maior, igual ao nosso, com as mesmas leis da física, com as mesmas estruturas cósmicas e as mesmas chances de uma vida complexa. Além disso, a “bolha” na qual a inflação terminou deve ter um tamanho finito, apesar do fato de que um número exponencialmente grande de tais bolhas está contido em um espaço-tempo maior e em expansão. Mas mesmo que todo esse universo, ou multiverso, possa ser incrivelmente grande, pode não ser infinito. De fato, a menos que a inflação continue indefinidamente, ou o Universo não tenha nascido infinitamente grande, deve ser finito.


Não importa quão grande seja a parte do Universo que observamos, não importa quão longe possamos olhar, tudo isso constitui apenas uma pequena fração do que deveria existir lá fora.

O maior problema é que não temos informações suficientes para uma resposta específica à pergunta. Nós sabemos apenas como acessar as informações disponíveis em nosso Universo observável: esses 46 bilhões de anos-luz em todas as direções. A resposta para a maior pergunta, sobre a finitude ou infinidade do Universo, pode estar escondida no próprio Universo, mas não podemos saber uma parte grande o suficiente para ter certeza. E até lidarmos com isso, ou criar um esquema astuto para expandir os limites das possibilidades da física, teremos apenas probabilidades.