Pergunte a Ethan: Qual era o tamanho do universo quando nasceu?
Crédito da imagem: NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen e M. Mechtley (ASU), R. O'Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), & H. Yan (tOSU).
O que podemos ver se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções hoje. Então, quão grande era no nascimento?
Dizem que tudo começou com um grande estrondo. Mas, o que eu me pergunto é, foi um big bang ou apenas parecia grande porque não havia mais nada para abafar no momento? – Karl Pilkington
Você pode pensar no Universo como infinito e, honestamente, pode realmente estar infinito, mas achamos que nunca saberemos com certeza. Graças ao Big Bang – o fato de que o Universo teve um aniversário, ou que só podemos voltar uma quantidade finita de tempo – e o fato de que a velocidade da luz é finita, estamos limitados em quanto do Universo podemos pode ver. No momento em que você chega a hoje, o Universo observável, com 13,8 bilhões de anos, se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções de nós . Então, quão grande era naquela época, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás ? Joe Muscarella quer saber:
Li explicações muito diferentes sobre o tamanho do universo imediatamente após o término da inflação cósmica. Uma fonte diz que era cerca de 0,77 centímetros, outra diz que era do tamanho de uma bola de futebol, enquanto outra ainda diz que era maior que o tamanho do universo observável. Então, qual é, ou é outra coisa no meio?
Foi um ano muito bom para perguntas sobre Einstein e a natureza do espaço e do tempo; já que este é o 100º aniversário da Relatividade Geral, isso é bastante apropriado. Vamos começar falando sobre o Universo que podemos ver.
Crédito da imagem: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Agradecimento: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute.
Quando olhamos para as galáxias distantes, até onde nossos telescópios podem ver, há algumas coisas que são fácil para medir, incluindo:
- qual é o seu redshift, ou quanto sua luz mudou de um referencial inercial de repouso,
- quão brilhante parece ser, ou quanta luz podemos medir do objeto a nossa grande distância,
- e quão grande parece ser, ou quantos graus angulares ela ocupa no céu.
Estes são muito importantes, porque se soubermos qual é a velocidade da luz (uma das poucas coisas que sabemos exatamente), e quão intrinsecamente brilhante ou grande é o objeto que estamos olhando (o que pensar nós sabemos; mais em um segundo), então podemos usar todas essas informações juntas para saber a que distância qualquer objeto realmente está.
Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.
Na realidade, só podemos fazer estimativas de quão brilhante ou grande um objeto realmente é, porque há suposições que entram nisso. Se você vir uma supernova explodir em uma galáxia distante, você presumir que você sabe o quão intrinsecamente brilhante essa supernova foi baseada nas supernovas próximas que você viu, mas você também assume que os ambientes em que a supernova explodiu eram semelhantes, a própria supernova era semelhante e que não havia nada entre vocês e a supernova que mudou o sinal que você está recebendo. Os astrônomos chamam essas três classes de efeitos de evolução (se objetos mais antigos/mais distantes são intrinsecamente diferentes), ambientais (se as localizações desses objetos diferem significativamente de onde pensamos que estão) e extinção (se algo como poeira bloqueia a luz). além dos efeitos que talvez nem saibamos que estão em jogo.
Crédito da imagem: Sloan Digital Sky Survey (SDSS), incluindo a profundidade atual da pesquisa.
Mas se estivermos certos sobre o brilho intrínseco (ou tamanho) de um objeto que vemos, com base em uma simples relação brilho/distância, podemos determinar a que distância esses objetos estão. Além disso, medindo seus desvios para o vermelho, podemos aprender o quanto o Universo se expandiu ao longo do tempo em que a luz viajou até nós. E porque há uma relação muito bem especificada entre matéria e energia e espaço e tempo – exatamente o que a Relatividade Geral de Einstein nos dá – podemos usar essa informação para descobrir todas as diferentes combinações de todas as diferentes formas de matéria. -e-energia presente no Universo hoje.
Mas isso não é tudo!
Crédito da imagem: ESA.
Se você sabe do que o seu universo é feito, que é:
- 0,01% — Radiação (fótons)
- 0,1% — Neutrinos (massivos, mas ~ 1 milhão de vezes mais leves que os elétrons)
- 4,9% — Matéria normal, incluindo planetas, estrelas, galáxias, gás, poeira, plasma e buracos negros
- 27% — Matéria escura, um tipo de matéria que interage gravitacionalmente, mas é diferente de todas as partículas do Modelo Padrão
- 68% — Energia escura, que acelera a expansão do Universo,
você pode usar essas informações para extrapolar para trás no tempo para qualquer ponto no passado do Universo, e descubra quais eram as diferentes misturas de densidade de energia naquela época, bem como quão grande era em qualquer ponto ao longo do caminho.
Então, para você, Joe, eu fui e fiz essas coisas. (E plotou-os em escalas logarítmicas, onde são mais informativos.)
Crédito da imagem: E. Siegel, dos diferentes componentes de energia do Universo em diferentes momentos.
Como você pode ver, a energia escura pode ser importante hoje, mas este é um desenvolvimento muito recente. Durante a maior parte dos primeiros 9 bilhões de anos da história do Universo, a matéria – na forma combinada de matéria normal e escura – foi o componente dominante do Universo. Mas nos primeiros milhares de anos, a radiação (na forma de fótons e neutrinos) era ainda mais importante que a matéria!
Eu trago isso porque esses diferentes componentes, radiação, matéria e energia escura, todos afetam a expansão do Universo de maneira diferente. Mesmo sabendo que o Universo está a 46,1 bilhões de anos-luz em qualquer direção hoje, precisamos conhecer o exato combinação do que temos em cada época no passado para calcular o quão grande era em um determinado momento. Aqui está o que parece.
Crédito da imagem: E. Siegel, do tamanho do Universo (em anos-luz) versus a idade do Universo (em anos).
Aqui estão alguns marcos divertidos, voltando no tempo, que você pode apreciar:
- O diâmetro da Via Láctea é de 100.000 anos-luz; o Universo observável tinha isso como seu raio quando era aproximadamente 3 anos velho.
- Quando o Universo tinha um ano, era muito mais quente e denso do que é agora. A temperatura média do Universo era superior a 2 milhões de Kelvin.
- Quando o Universo era um segundo antiga, era muito quente para formar núcleos estáveis; prótons e nêutrons estavam em um mar de plasma quente. Além disso, todo o Universo observável teria um raio que, se o desenhássemos ao redor do Sol hoje, envolveria apenas os sete sistemas estelares mais próximos , sendo o mais distante Ross 154 .
- O Universo já foi apenas o raio da Terra ao Sol, o que aconteceu quando o Universo estava a cerca de um trilionésimo (10^–12) de um segundo velho. A taxa de expansão do Universo naquela época era 10^29 vezes o que é hoje.
Se quisermos, podemos voltar ainda mais longe, é claro, até quando a inflação chegou ao fim, dando origem ao Big Bang quente. Nós gostamos de extrapolar nosso Universo de volta a uma singularidade , mas a inflação elimina completamente essa necessidade. Em vez disso, ele o substitui por um período de expansão exponencial de duração indeterminada para o passado, e termina dando origem a um estado quente, denso e em expansão que identificamos como o início do Universo que conhecemos. Estamos conectados ao último pequena fração de segundo de inflação, algo entre 10^–30 e 10^–35 segundos de inflação. Sempre que esse tempo chega, onde a inflação termina e o Big Bang começa, é quando precisamos saber o tamanho do Universo.
Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP. Isso está um pouco desatualizado; o Universo tem 13,8, não 13,7 bilhões de anos.
Novamente, este é o observável Universo; o verdadeiro tamanho do Universo é certamente muito maior do que podemos ver, mas não sabemos em quanto. Nossos melhores limites, do Sloan Digital Sky Survey e do satélite Planck, nos dizem que, se o Universo se curva de volta sobre si mesmo e se fecha, a parte que podemos ver é tão indistinguível da não curva que é pelo menos 250 vezes o raio da parte observável.
Na verdade, pode até ser infinito em extensão, pois o que quer que o Universo tenha feito nos estágios iniciais da inflação é incognoscível para nós, com tudo, exceto a última fração de segundo da história da inflação, sendo apagada do que podemos observar pela natureza da própria inflação. Mas se estamos falando de observável Universo, e sabemos que só podemos acessar em algum lugar entre os últimos 10^–30 e 10^–35 segundos de inflação antes do Big Bang acontecer, então sabemos que o Universo observável está entre 17 centímetros (para a versão de 10^–35 segundos) e 168 metros (para a versão de 10^–30 segundos) em tamanho no início do estado quente e denso que chamamos de Big Bang.
Crédito da imagem: foto do Corpo de Fuzileiros Navais dos EUA por Gunnery Sgt. Chago Zapata.
A resposta de 17 centímetros, a propósito, é cerca de do tamanho de uma bola de futebol! Então, se você só queria saber qual dessas estimativas estava mais próxima da certa, com base no que sabemos, vá com essa. A estimativa de menos de um centímetro é muito pequena; temos restrições do fundo cósmico de microondas de que a inflação não poderia ter terminado em energias tão altas, o que significa que um tamanho para o Universo no início do estrondo é descartado. A versão maior que o Universo hoje deve estar falando sobre o uma Universo observável, o que provavelmente está certo, mas que não oferece nenhuma esperança de ser medido de maneira previsível.
Então, quão grande era o Universo quando nasceu? Se os melhores modelos de inflação estiverem certos, algo entre o tamanho de uma cabeça humana e um quarteirão cheio de arranha-céus. Basta dar tempo - 13,8 bilhões de anos no nosso caso - e você acaba com todo o Universo.
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