Retrocesso quinta-feira: quão grande é o nosso universo observável?
Já se passaram 13,8 bilhões de anos desde o Big Bang, mas nosso Universo observável é muito maior do que apenas 13,8 bilhões de anos-luz!
Crédito da imagem: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee e P. Oesch, Universidade da Califórnia, Santa Cruz; R. Bouwens, Universidade de Leiden; e a Equipe HUDF09.
A mente, uma vez expandida para as dimensões de ideias maiores, nunca retorna ao seu tamanho original. – Oliver Wendell Holmes
Quando a Relatividade Geral suplantou o trabalho de Newton como nossa teoria de como a gravidade funciona no Universo, ela não apenas mudou a forma como vemos como as massas se atraem, mas nos deu uma nova compreensão de quais são as questões Onde e quando realmente significa. Deu-nos o próprio tecido de espaço-tempo .
Crédito da imagem: Christopher Vitale de http://networkologies.wordpress.com/ .
O que isso significava é que não poderíamos mais ver objetos como matéria e radiação como existindo em alguma estrutura fixa, semelhante a uma grade. Em vez disso, o Universo contém codificada dentro das equações que o descrevem uma ideia muito profunda: o próprio Universo - incluindo espaço e tempo - evoluiu de uma forma previsível e compreensível que depende do que tem nele !
Crédito da imagem: ESO/VLT.
A relatividade surgiu em 1915, e desfrutou da primeira confirmação observacional de suas novas previsões já em 1919. Com o tempo, percebemos que o Universo se estendia muito além de nossa galáxia na década de 1920, e que muitas das nuvens nebulosas e espirais em o céu eram na verdade suas próprias galáxias distantes, muitas das consequências da relatividade já haviam sido resolvidas.
Crédito da imagem: Jim Misti (Misti Mountain Observatory), do aglomerado de galáxias Hércules.
Como descobrimos que essas galáxias - as grande maioria deles - estavam se afastando de nós, isso nos deixou com apenas uma conclusão razoável que era consistente tanto com a relatividade quanto com nossas observações: o Universo estava se expandindo .
Isso, é claro, foi o que levou ao modelo do Big Bang: a percepção de que se o Universo está se expandindo, ele deve ser resfriamento , pois isso é simplesmente uma consequência do que acontece com a radiação (ela é desviada para o vermelho) na expansão do espaço-tempo.
Crédito da imagem: James N. Imamura da U. of Oregon.
Bem, se o Universo está se expandindo e esfriando, isso significa que no futuro ele será maior e mais frio. Mas também significa que em o passado , era mais quente e mais denso! Na verdade, podemos extrapolar todo o caminho de volta para um tempo arbitrariamente antigo, onde as coisas eram tão quentes e densas (e compactar) como nos preocupamos em permitir que sejam.*
Também sabemos, observacionalmente, que o Universo é aproximadamente uniforme em densidade e temperatura nas maiores escalas. Embora possa se aglomerar em planetas, estrelas, galáxias e aglomerados, se olharmos para uma região grande o suficiente, todos eles tendem a ter a mesma aparência.
Crédito da imagem: SDSS III, data release 8, da calota galáctica norte. Cada pixel nesta imagem é sua própria galáxia.
Agora, aqui é onde as coisas são interessantes, de um teórico perspectiva!
Porque a Relatividade Geral - dado um Universo em expansão - nos diz a relação entre espaço, tempo e toda a matéria e energia no Universo, isso significa que se pudermos descobrir o que há no Universo hoje , e se pudermos medir com precisão como está se expandindo agora , podemos saber quão grande era o universo em qualquer estágio no passado ou no futuro. (Pelo menos, começando do ponto em que podemos descrevê-lo por a grande explosão .*)
Crédito da imagem: The Cosmic Perspective / Jeffrey O. Bennett, Megan O. Donahue, Nicholas Schneider e Mark Voit.
Agora sabemos que o Universo está se expandindo, hoje , em torno de 68 km/s/Mpc, que é conhecido como parâmetro de Hubble. Essa taxa foi mais rápida no passado e será mais lenta no futuro, mas é o que é hoje. Há cerca de 20 anos, havia um imenso incerteza em torno desse número, com algumas pessoas afirmando que era tão baixo quanto 50 e outros tão alto quanto 100; hoje, as incertezas são muito pequenas, de apenas ± 2 ou 3 km/s/Mpc.
Portanto, considere que não apenas sabemos com que rapidez o Universo está se expandindo hoje, mas também Além disso saber do que é composto o Universo, no que diz respeito ao conteúdo energético.
Crédito da imagem: Colaboração ESA/Planck .
Cerca de 68% da energia do Universo é energia escura, que é a energia intrínseca ao espaço-tempo vazio. Outros 32% ou mais são matéria normal (prótons, nêutrons, elétrons, neutrinos, etc.) e matéria escura combinada, e uma pequena (mas conhecida) fração de um por cento é radiação na forma de fótons: cerca de 0,008% , um número muito pequeno para ser visível no gráfico acima.
E isso é isto . Armados apenas com esse conhecimento – mais a relatividade geral – podemos descobrir como o Universo cresceu e continua a crescer ao longo do tempo. Aqui está a aparência do gráfico (em uma escala log-log).
Crédito da imagem: eu.
Não parece tão impressionante; afinal, é apenas uma curva. O aumento maciço que você vê no final é devido aos efeitos da energia escura e, embora seja bastante difícil dizer visualmente, há uma mudança na inclinação da linha em cerca de 10^4 anos. Apesar de quão mundano esse gráfico simples parece, há uma tonelada de informações codificadas nessa curva! Vamos destacar algumas das minhas conquistas favoritas ao longo da história do Universo.
Crédito da imagem: eu, de novo.
Hoje, o Universo observável (que é a parte do Universo que está causalmente conectada a nós) tem 13,8 bilhões de anos e tem um raio – ou seja, a distância de nós até a borda mais distante que poderia ter interagido conosco – de 46 bilhões de anos-luz. Como você pode ver, esse número está prestes a ficar muito maior com o passar do tempo; isso é culpa da energia escura! Quando o Universo atingir 10^11 anos (~7 vezes sua idade atual), será 100.000 vezes seu tamanho atual; esse é o poder da expansão acelerada!
Mas voltando, a energia escura era menos importante; apenas alguns bilhões de anos atrás , a matéria era o componente dominante do Universo afetando nossa expansão, e ainda antes disso, radiação dominado. (Você pode verificar onde a inclinação da linha muda; isso reflete os diferentes comportamentos da matéria, radiação e energia escura em um Universo em expansão ao longo do tempo!) De fato, quando o Universo era menor, podemos calcular facilmente quais componentes do Universo dominou e determinou a taxa de expansão.
Crédito da imagem: eu.
Alguns marcos divertidos:
- 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 a superfície do Sol é agora. A temperatura média do Universo era superior a 2 milhões de Kelvin, em comparação com a superfície do Sol em cerca de 6.000 K.
- 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.
E depois de 13,8 bilhões de anos, 46 bilhões de anos-luz de expansão e trilhões de estrelas nascidas, vivendo e morrendo apenas em nosso grupo local, aqui estamos.
Crédito da imagem: Kerry-Ann Lecky Hepburn (Fotografia do clima e do céu).
Não apenas aproveite, aproveite compreensão isto! E agora você sabe onde estivemos e como chegamos aqui, incluindo o tamanho do nosso Universo a cada passo do caminho!
* — O mais cedo que podemos extrapolar agora é conhecido como algo entre 10^–37 e 10^–25 segundos, pois houve um época inflacionária de duração indeterminada, com consequências incríveis , antes que o Universo pudesse ser descrito com precisão pelo modelo do Big Bang.
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