om du skulle gå så långt ut i rymden som du kan föreställa dig, vad skulle du stöta på? Skulle det finnas en gräns för hur långt du kan gå, eller kan du resa ett obegränsat avstånd? Skulle du så småningom återvända till din utgångspunkt, eller skulle du fortsätta att korsa utrymme som du aldrig hade stött på tidigare? Med andra ord, har universum en kant, och i så fall, var är det?

tro det eller ej, det finns faktiskt tre olika sätt att tänka på denna fråga, och var och en har ett annat svar. Om du funderar på hur långt du kan gå om du:

• vänster idag i en godtyckligt kraftfull raket,
• ansåg allt som någonsin kunde kontakta oss eller kontaktas av oss från början av den heta Big Bang,
• eller använde din fantasi ensam för att komma åt hela universum, inklusive bortom vad som någonsin kommer att observeras,

Du kan räkna ut hur långt det är till kanten. I varje fall är svaret fascinerande.

nyckelbegreppet att tänka på är att rymden inte är hur vi normalt tänker på det. Konventionellt tänker vi på rymden som ett koordinatsystem — ett tredimensionellt rutnät-där det kortaste avståndet mellan två punkter är en rak linje och där avstånden inte förändras över tiden.men båda dessa antaganden, så grundligt bra i vår vardag, misslyckas spektakulärt när vi börjar titta på det större universum bortom vår egen planet. Till att börja med faller tanken att det kortaste avståndet mellan två punkter är en rak linje så snart du börjar introducera massor och energiska kvanta i ditt universum. Eftersom rymdtid är föremål för krökning, som närvaron av materia och energi är orsaken till, är det kortaste avståndet mellan två punkter i sig beroende av universums form mellan dessa punkter.

utöver det förblir tyget i rymdtiden inte statiskt över tiden. I ett universum fyllt med Materia och energi är ett statiskt, oföränderligt universum (där avstånden mellan punkter förblir desamma över tiden) i sig instabil; universum måste utvecklas genom att antingen expandera eller dra ihop sig. Om Einsteins allmänna relativitetsteori är korrekt är detta obligatoriskt.

observationellt är bevisen att vårt universum expanderar överväldigande: en spektakulär validering för Einsteins förutsägelser. Men detta medför en rad konsekvenser för objekt åtskilda av kosmiska avstånd, inklusive att avståndet mellan dem expanderar över tiden. Idag är de mest avlägsna föremålen vi kan se mer än 30 miljarder ljusår bort, trots att endast 13, 8 miljarder år har gått sedan Big Bang.

När vi mäter hur avlägsna en mängd olika objekt är från deras fysiska och lysande egenskaper — tillsammans med den mängd som deras ljus har skiftats av universums expansion — kan vi förstå vad universum är gjord av. Vår kosmiska cocktail består för närvarande av:

• 0.01% strålning i form av fotoner,
• 0.1% neutrinor, en svårfångad partikel med låg massa nästan lika många som fotoner,
• 4.9% normal Materia, gjord mestadels av samma saker som vi är: protoner, neutroner och elektroner,
• 27% Mörk materia, ett okänt ämne som gravitates men varken avger eller absorberar ljus,
• och 68% mörk energi, vilket är den energi som är inneboende i rymden som får avlägsna föremål att accelerera i sin recession från oss.

När du kombinerar dessa effekter tillsammans får du en unik och entydig förutsägelse för hur långt det är, hela tiden tidigare och nuvarande, till kanten av det observerbara universum.

detta är en stor sak! De flesta antar att om universum har funnits i 13,8 miljarder år sedan Big Bang, så är gränsen för hur långt vi kan se 13,8 miljarder ljusår, men det är inte helt rätt.

bara om universum var statiskt och inte expanderade skulle detta vara sant, men faktum är detta: ju längre bort vi tittar, desto snabbare avlägsna föremål verkar snabba bort från oss. Graden av den expansionen förändras på ett sätt som är förutsägbart baserat på vad som finns i universum, och i sin tur att veta vad som finns i universum och observera hur snabbt objekt expanderar berättar hur långt de är. När vi tar alla tillgängliga data tillsammans, kommer vi till ett unikt värde för allt tillsammans, inklusive avståndet till den observerbara kosmiska horisonten: 46, 1 miljarder ljusår.

denna gräns är emellertid inte en” kant ” till universum i någon konventionell mening av ordet. Det är inte en gräns i rymden alls; om vi råkade vara belägna vid någon annan punkt i rymden skulle vi fortfarande kunna upptäcka och observera allt omkring oss inom den 46,1 miljarder ljusårssfären som är centrerad på oss.

detta beror på att ”edge” är en gräns i tid, snarare än i rymden. Denna kant representerar gränsen för vad vi kan se eftersom ljusets hastighet — även i ett expanderande universum som styrs av allmän relativitet — bara tillåter signaler att resa så långt över universums 13,8 miljarder års historia. Detta avstånd är längre än 13.8 miljarder ljusår på grund av universums expansion, men det är fortfarande ändligt. Men vi kan inte nå allt.

bortom ett visst avstånd kan vi se något av det ljus som redan emitterades för länge sedan, men kommer aldrig att se det ljus som emitteras just nu: 13, 8 miljarder år efter Big Bang. Utöver ett visst specifikt avstånd-beräknat (av mig) för att vara ungefär 18 miljarder ljusår bort för närvarande-kommer även en signal som rör sig med ljusets hastighet aldrig att nå oss.

På samma sätt betyder det att om vi befann oss i ett godtyckligt kraftfullt raketfartyg, skulle alla föremål som för närvarande finns inom denna 18 miljarder ljusårs radie så småningom kunna nås av oss, även när universum fortsatte att expandera och dessa avstånd fortsatte att öka. Men föremålen bortom det skulle aldrig kunna nås. Även när vi uppnådde större och större avstånd skulle de återgå snabbare än vi någonsin kunde resa, vilket hindrade oss från att besöka dem i all evighet. Redan är 94% av alla galaxer i det observerbara universum bortom vår eviga räckvidd.

och ändå finns det en annan ”kant” som vi kanske vill överväga: bortom gränserna för vad vi kan observera idag, eller till och med vad vi potentiellt kan observera godtyckligt långt in i framtiden, om vi kör vår teoretiska klocka mot oändligheten. Vi kan överväga hur stort hela universum är – det observerbara universum-och om det viks in på sig själv eller inte.

hur vi kan svara på detta är baserat på en extrapolering av vad vi observerar när vi försöker mäta universums rumsliga krökning: mängden som utrymmet är krökt i största skala kan vi eventuellt observera. Om universum är positivt krökt kommer parallella linjer att konvergera och de tre vinklarna i en triangel summeras till mer än 180 grader. Om universum är negativt krökt kommer parallella linjer att avvika och de tre vinklarna i en triangel summeras till mindre än 180 grader. Och om universum är platt, kommer parallella linjer att förbli parallella, och alla trianglar kommer att innehålla 180 grader exakt.

hur vi gör detta är att ta de mest avlägsna signalerna av alla, till exempel ljuset som är kvar från Big Bang, och undersöka i detalj hur fluktuationerna är mönstrade. Om universum är krökt i antingen en positiv eller en negativ riktning, kommer fluktuationsmönstren som vi observerar att förvrängas för att visas på antingen större eller mindre vinkelskalor, i motsats till ett platt universum.

När vi tar de bästa tillgängliga uppgifterna, som kommer från både den kosmiska mikrovågsbakgrundens fluktuationer och detaljerna om hur galaxer samlas på stora skalor på olika avstånd, kommer vi fram till en oundviklig slutsats: universum är oskiljbart från perfekt rumslig planhet. Om den är böjd är den på en nivå som inte är mer än 0.4%, vilket innebär att om universum är krökt som en hypersfär, är dess radie minst ~250 gånger större än den del som är observerbar för oss.

om du definierar universums kant som det längsta objektet vi någonsin kunde nå om vi började vår resa omedelbart, är vår nuvarande gräns bara ett avstånd på 18 miljarder ljusår, som omfattar bara 6% av volymen av vårt observerbara universum. Om du definierar det som gränsen för vad vi kan observera en signal från — vem vi kan se och vem kan se oss — går kanten ut till 46, 1 miljarder ljusår. Men om du definierar det som gränserna för det obemärkliga universum, är den enda gränsen vi har att det är minst 11 500 miljarder ljusår i storlek, och det kan vara ännu större.

detta betyder inte nödvändigtvis att universum är oändligt. Det kan vara platt och fortfarande kurva tillbaka på sig själv, med en munkliknande form som matematiskt kallas en torus. Så stort och expansivt som det observerbara universum är, är det fortfarande ändligt, med en begränsad mängd information att lära oss. Utöver det är de ultimata kosmiska sanningarna fortfarande okända för oss.