Artista de la escala logarítmica de la concepción del universo observable. Las galaxias dan paso a la gran escala… estructura y el plasma caliente y denso del Big Bang en las afueras. Este «borde» es un límite solo en el tiempo.
Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo de Wikimedia Commons)
Si fueras tan lejos en el espacio como puedas imaginar, ¿qué encontrarías? ¿Habría un límite a lo lejos que podría llegar, o podría viajar una distancia ilimitada? Tendría que regresar a su punto de partida, o continuar para recorrer el espacio que nunca había encontrado antes? En otras palabras, ¿tiene el Universo una ventaja, y si es así, dónde está?
Lo creas o no, en realidad hay tres maneras diferentes de pensar sobre esta pregunta, y cada una tiene una respuesta diferente. Si consideras lo lejos que podrías llegar si:
- se fue hoy en un cohete arbitrariamente poderoso,
- consideró todo lo que podría ponerse en contacto con nosotros o ser contactado por nosotros desde el inicio del Big Bang caliente,
- o usó su imaginación solo para acceder a todo el Universo, incluso más allá de lo que jamás será observable,
puede averiguar cuán lejos está el borde. En cada caso, la respuesta es fascinante.
A menudo visualizamos el espacio como una cuadrícula 3D, a pesar de que esto es una simplificación excesiva dependiente del marco… consideramos el concepto de espacio-tiempo. En realidad, el espacio-tiempo está curvado por la presencia de materia y energía, y las distancias no son fijas, sino que pueden evolucionar a medida que el Universo se expande o se contrae.
ReunMedia/Storyblocks
El concepto clave a tener en cuenta es que el espacio no es como lo concebimos normalmente. Convencionalmente, pensamos en el espacio como un sistema de coordenadas, una cuadrícula tridimensional, donde la distancia más corta entre dos puntos es una línea recta, y donde las distancias no cambian con el tiempo.
Pero ambas suposiciones, tan buenas en nuestra vida cotidiana, fallan espectacularmente cuando comenzamos a mirar el Universo a mayor escala más allá de nuestro propio planeta. Para empezar, la idea de que la distancia más corta entre dos puntos es una línea recta se desmorona tan pronto como empiezas a introducir masas y cuantos energéticos en tu Universo. Debido a que el espacio-tiempo está sujeto a la curvatura, de la cual la presencia de materia y energía es la causa, la distancia más corta entre dos puntos depende inherentemente de la forma del Universo entre esos puntos.
En lugar de una cuadrícula tridimensional vacía, en blanco, colocar una masa hacia abajo causa lo que habría sido… las líneas ‘rectas’ en su lugar se curvan en una cantidad específica. En la Relatividad General, tratamos el espacio y el tiempo como continuos, pero todas las formas de energía, incluyendo pero no limitado a la masa, contribuyen a la curvatura del espacio-tiempo. Si reemplazáramos a la Tierra con una versión más densa, hasta e incluyendo una singularidad, la deformación espacio-tiempo mostrada aquí sería idéntica; solo dentro de la propia Tierra se notaría una diferencia.
Christopher Vitale de Networkologies y el Instituto Pratt
Además de eso, el tejido del espacio-tiempo en sí no permanece estático a lo largo del tiempo. En un Universo lleno de materia y energía, un Universo estático e inmutable (donde las distancias entre puntos permanecen iguales con el tiempo) es inherentemente inestable; el Universo debe evolucionar expandiéndose o contrayéndose. Si la teoría General de la Relatividad de Einstein es correcta, esto es obligatorio.
Observacionalmente, la evidencia de que nuestro Universo se está expandiendo es abrumadora: una validación espectacular de las predicciones de Einstein. Pero esto conlleva una serie de consecuencias para los objetos separados por distancias cósmicas, incluyendo que la distancia entre ellos se expande con el tiempo. Hoy en día, los objetos más distantes que podemos ver están a más de 30 mil millones de años luz de distancia, a pesar del hecho de que solo han pasado 13,8 mil millones de años desde el Big Bang.
Cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se expande lejos de nosotros y más aparece su luz… corrimiento. Una galaxia que se mueve con el Universo en expansión estará incluso a un mayor número de años luz de distancia, hoy en día, que el número de años (multiplicado por la velocidad de la luz) que tomó la luz emitida de ella para alcanzarnos. Pero solo podemos entender los corrimientos al rojo y al azul si los atribuimos a una combinación de contribuciones de movimiento (relativista especial) y del tejido en expansión del espacio (relativista general).
Larry McNish de RASC Calgary Center
Cuando medimos cuán distantes están una variedad de objetos de sus propiedades físicas y luminosas, junto con la cantidad de luz que ha sido desplazada por la expansión del Universo, podemos llegar a comprender de qué está hecho el Universo. Nuestro cóctel cósmico, en la actualidad, consiste en:
- 0,01% de radiación en forma de fotones,
- 0,1% de neutrinos, una partícula esquiva de baja masa casi tan numerosa como los fotones,
- 4,9% de materia normal, hecha principalmente de la misma materia que: protones, neutrones y electrones,
- 27% de materia oscura, una sustancia desconocida que gravita pero no emite ni absorbe luz,
- y 68% de energía oscura, que es la energía inherente al espacio que hace que los objetos distantes se aceleren en su recesión de nosotros.
Cuando combinas estos efectos, obtienes una predicción única e inequívoca de lo lejos que está, en todo momento pasado y presente, hasta el borde del Universo observable.
Un gráfico del tamaño y la escala del Universo observable vs el paso del tiempo cósmico. Esto es… se muestra en una escala log-log, con algunos hitos importantes de tamaño/tiempo identificados. Nótese la era temprana dominada por la radiación, la era reciente dominada por la materia y la era actual y futura en expansión exponencial.
E. Siegel
Esta es una gran oferta! La mayoría de la gente asume que si el Universo ha existido durante 13,8 mil millones de años desde el Big Bang, entonces el límite de lo lejos que podemos ver será de 13,8 mil millones de años luz, pero eso no es del todo correcto.
Solo si el Universo fuera estático y no se expandiera, esto sería cierto, pero el hecho es que: cuanto más lejos miramos, más rápidamente los objetos distantes parecen alejarse de nosotros. La velocidad de esa expansión cambia de una manera predecible basada en lo que hay en el Universo, y a su vez, saber lo que hay en el Universo y observar qué tan rápido se expanden los objetos nos dice cuán lejos están. Cuando tomamos todos los datos disponibles juntos, llegamos a un valor único para todo juntos, incluida la distancia al horizonte cósmico observable: 46,1 mil millones de años luz.
El Universo observable podría ser de 46 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista… pero ciertamente hay más, Universo inobservable, tal vez incluso una cantidad infinita, al igual que el nuestro más allá de eso. Con el tiempo, podremos ver más de ella, revelando eventualmente aproximadamente 2,3 veces más galaxias de las que podemos ver actualmente.
Frédéric MICHEL y Andrew Z. Colvin, anotados por E. Siegel
Este límite, sin embargo, no es un «borde» del Universo en ningún sentido convencional de la palabra. No es un límite en el espacio en absoluto; si nos encontráramos en cualquier otro punto del espacio, aún podríamos detectar y observar todo lo que nos rodea dentro de esa esfera de 46,1 mil millones de años luz centrada en nosotros.
Esto se debe a que ese «borde» es un límite en el tiempo, en lugar de en el espacio. Este borde representa el límite de lo que podemos ver porque la velocidad de la luz, incluso en un Universo en expansión gobernado por la Relatividad General, solo permite que las señales viajen hasta cierto punto a lo largo de los 13,8 mil millones de años de historia del Universo. Esta distancia es superior a 13.8 mil millones de años luz debido a la expansión del Universo, pero sigue siendo finito. Sin embargo, no podemos alcanzarlo todo.
El tamaño de nuestro Universo visible (amarillo), junto con la cantidad que podemos llegar (magenta). Si nosotros… acelerados a 9,8 m / s^2 durante aproximadamente 22,5 años y luego girados y desacelerados durante otros 22,5 años, podríamos alcanzar cualquier galaxia dentro del círculo magenta, incluso en un Universo con energía oscura, pero nada fuera de él.
E. Siegel, basado en el trabajo de los usuarios de Wikimedia Commons Azcolvin 429 y Frédéric MICHEL
Más allá de cierta distancia, podemos ver parte de la luz que ya se emitió hace mucho tiempo, pero nunca veremos la luz que se está emitiendo ahora: 13,8 mil millones de años después del Big Bang. Más allá de una cierta distancia específica, calculada (por mí) a aproximadamente 18 mil millones de años luz de distancia en la actualidad, incluso una señal que se mueve a la velocidad de la luz nunca nos alcanzará.
De manera similar, eso significa que si estuviéramos en un cohete espacial arbitrariamente de alta potencia, todos los objetos actualmente contenidos dentro de este radio de 18 mil millones de años luz serían eventualmente alcanzables por nosotros, incluso cuando el Universo continuara expandiéndose y estas distancias continuaran aumentando. Sin embargo, los objetos más allá de eso nunca serían alcanzables. Incluso a medida que alcanzábamos distancias cada vez mayores, retrocedían más rápido de lo que nunca podríamos viajar, impidiéndonos visitarlos por toda la eternidad. Ya, el 94% de todas las galaxias en el Universo observable están más allá de nuestro alcance eterno.
tan vasto Como nuestro Universo observable es y como mucho como podemos ver, es mucho más de lo que podemos… alcance, ya que solo el 6% del volumen que podemos observar es actualmente alcanzable. Sin embargo, más allá de lo que podemos observar, ciertamente hay más Universo; lo que podemos ver representa solo una pequeña fracción de lo que debe estar ahí afuera.
NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, and M. Mechtley (ASU), R. O’Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis),& H. Yan (tOSU)
Y, sin embargo, hay un «borde» diferente que podríamos querer considerar: más allá de los límites de lo que podemos observar hoy, o incluso lo que podemos observar potencialmente arbitrariamente en el futuro, si ejecutamos nuestro reloj teórico hacia el infinito. Podemos considerar cuán grande es el Universo entero, el Universo no observable, y si se pliega sobre sí mismo o no.
La forma en que podemos responder a esto se basa en una extrapolación de lo que observamos cuando tratamos de medir la curvatura espacial del Universo: la cantidad de espacio curvado en la escala más grande que podamos observar. Si el Universo está curvado positivamente, las líneas paralelas convergerán y los tres ángulos de un triángulo sumarán más de 180 grados. Si el Universo se curva negativamente, las líneas paralelas divergirán y los tres ángulos de un triángulo sumarán menos de 180 grados. Y si el Universo es plano, las líneas paralelas permanecerán paralelas, y todos los triángulos contendrán exactamente 180 grados.
Los ángulos de un triángulo suman diferentes cantidades dependiendo de la curvatura espacial presente. A… el universo curvado positivamente (superior), curvado negativamente (medio) o plano (inferior) tendrá los ángulos internos de un triángulo sumando más, menos o exactamente igual a 180 grados, respectivamente.
Equipo científico de NASA/WMAP
La forma en que hacemos esto es tomar las señales más distantes de todas, como la luz que queda del Big Bang, y examinar en detalle cómo se modelan las fluctuaciones. Si el Universo se curva en una dirección positiva o negativa, los patrones de fluctuación que observamos terminarán distorsionados para aparecer en escalas angulares más grandes o más pequeñas, en lugar de un Universo plano.
Cuando tomamos los mejores datos disponibles, que provienen tanto de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas como de los detalles de cómo las galaxias se agrupan a gran escala a una variedad de distancias, llegamos a una conclusión ineludible: el Universo es indistinguible de la planitud espacial perfecta. Si está curvado, está en un nivel que no es más de 0.4%, lo que significa que si el Universo está curvado como una hiperesfera, su radio es al menos ~250 veces mayor que la parte que podemos observar.
las magnitudes de Los puntos calientes y fríos, así como de sus escalas, indican la curvatura de la… Universo. En la medida de nuestras capacidades, lo medimos para que sea perfectamente plano. Las oscilaciones acústicas de barión y el CMB, juntos, proporcionan los mejores métodos para limitar esto, hasta una precisión combinada de 0,4%.
Smoot Cosmology Group/LBL
Si definimos el borde del Universo como el objeto más lejano al que podríamos llegar si comenzamos nuestro viaje de inmediato, entonces nuestro límite actual es una mera distancia de 18 mil millones de años luz, que abarca solo el 6% del volumen de nuestro Universo observable. Si lo defines como el límite de lo que podemos observar una señal, de quién podemos ver y quién nos puede ver, entonces el límite sale a 46,1 mil millones de años luz. Pero si lo definimos como los límites del Universo no observable, el único límite que tenemos es que tiene al menos 11.500 mil millones de años luz de tamaño, y podría ser aún más grande.
Esto no significa necesariamente que el Universo sea infinito, sin embargo. Podría ser plana y aún curvada sobre sí misma, con una forma similar a una rosquilla conocida matemáticamente como un toro. Por grande y expansivo que sea el Universo observable, sigue siendo finito, con una cantidad finita de información que enseñarnos. Más allá de eso, las últimas verdades cósmicas siguen siendo desconocidas para nosotros.
En un modelo hipertorus del Universo, el movimiento en línea recta te devolverá a tu original… ubicación, incluso en un espacio-tiempo sin curvar (plano). El Universo también podría estar cerrado y curvado positivamente: como una hiperesfera.
ESO y usuario de deviantART InTheStarlightGarden