¿Qué tamaño tenía el universo en el momento de su creación?

Podrías pensar en el Universo como infinito y, honestamente, podría ser realmente infinito, pero no creemos que lo sepamos con certeza. Gracias al Big Bang, el hecho de que el Universo tuvo un cumpleaños, o que solo podemos retroceder una cantidad de tiempo finita, y el hecho de que la velocidad de la luz es finita, estamos limitados en la cantidad de Universo que podemos ver. Para cuando llegue al día de hoy, el Universo observable, con 13.8 mil millones de años, se extiende por 46.1 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nosotros. Entonces, ¿qué tan grande era en ese entonces, hace unos 13.800 millones de años? Miremos el Universo que vemos para averiguarlo.

Cuando miramos las galaxias distantes, hasta donde nuestros telescopios pueden ver, hay algunas cosas que son fáciles de medir, incluyendo:

cuál es su corrimiento al rojo, o cuánto se ha movido su luz desde un marco de reposo inercial, qué tan brillante parece ser, o cuánta luz podemos medir del objeto a nuestra gran distancia, y qué tan grande parece ser , o cuántos grados angulares toma en el cielo.

Estos son muy importantes, porque si sabemos cuál es la velocidad de la luz (una de las pocas cosas que sabemos exactamente), y qué tan intrínsecamente brillante o grande es el objeto que estamos mirando (que creemos saber; más en un segundo), entonces podemos usar toda esta información para saber qué tan lejos está realmente cualquier objeto.

En realidad, solo podemos hacer estimaciones de cuán brillante o grande es realmente un objeto, porque hay suposiciones que entran en juego. Si ve una supernova estallar en una galaxia distante, asume que sabe cuán intrínsecamente brillante se basó esa supernova en las supernovas cercanas que ha visto, pero también asume que los entornos en los que esa supernova estalló fueron similares, la supernova en sí era similar, y que no había nada entre tú y la supernova que cambiara la señal que estás recibiendo. Los astrónomos llaman a estas tres clases efectos efectos de evolución (si los objetos más viejos / más distantes son intrínsecamente diferentes), ambientales (si la ubicación de estos objetos difiere significativamente de donde creemos que están) y efectos de extinción (si algo como el polvo bloquea la luz), en Además de los efectos que quizás ni siquiera sepamos que están en juego.

Pero si tenemos razón sobre el brillo (o tamaño) intrínseco de un objeto que vemos, basándonos en una relación simple entre brillo y distancia, podemos determinar qué tan lejos están esos objetos. Además, midiendo sus desplazamientos al rojo, podemos saber cuánto se ha expandido el Universo durante el tiempo que la luz ha viajado hasta nosotros. Y debido a que existe una relación muy bien especificada entre la materia y la energía y el espacio y el tiempo, exactamente lo que nos da la Relatividad General de Einstein, podemos usar esta información para descubrir todas las diferentes combinaciones de todas las diferentes formas. de materia y energía presentes en el Universo hoy.

¡Pero eso no es todo!

Si sabes de qué está hecho tu Universo, que es:

0.01% - Radiación (fotones) 0.1% - Neutrinos (masivos, pero ~ 1 millón de veces más livianos que los electrones) 4.9% - Materia normal, incluidos planetas, estrellas, galaxias, gas, polvo, plasma y agujeros negros 27% - Materia oscura, un tipo de materia que interactúa gravitacionalmente pero es diferente de todas las partículas del Modelo Estándar 68% - Energía oscura, que hace que la expansión del Universo se acelere,

Puede usar esta información para extrapolar hacia atrás en el tiempo a cualquier punto del pasado del Universo y averiguar cuáles eran las diferentes mezclas de densidad de energía en ese entonces, así como qué tan grande era en cualquier punto del camino. Debido a lo ilustrativos que son, los trazaré en escalas logarítmicas para que los vean.

Como puede ver, la energía oscura puede ser importante hoy en día, pero este es un desarrollo muy reciente. Durante la mayor parte de los primeros 9 mil millones de años de la historia del Universo, la materia, en la forma combinada de materia normal y oscura, fue el componente dominante del Universo. ¡Pero durante los primeros miles de años, la radiación (en forma de fotones y neutrinos) fue incluso más importante que la materia!

Los menciono porque estos diferentes componentes, radiación, materia y energía oscura, todos afectan la expansión del Universo de manera diferente. Aunque sabemos que el Universo se encuentra hoy a 46.1 mil millones de años luz en cualquier dirección, necesitamos saber la combinación exacta de lo que tenemos en cada época del pasado para calcular qué tan grande era en un momento dado. Así es como se ve.

Aquí hay algunos hitos divertidos, retrocediendo en el tiempo, que puede apreciar:

El diámetro de la Vía Láctea es de 100.000 años luz; El Universo observable tenía esto como su radio cuando tenía aproximadamente 3 años. Cuando el Universo tenía un año, era mucho más caliente y denso de lo que es ahora. La temperatura media del Universo era de más de 2 millones de Kelvin. Cuando el Universo tenía un segundo de edad, hacía demasiado calor para formar núcleos estables; protones y neutrones estaban en un mar de plasma caliente. Además, todo el Universo observable tendría un radio que, si lo dibujáramos alrededor del Sol hoy, encerraría solo los siete sistemas estelares más cercanos, siendo el más lejano Ross 154. el Sol, que sucedió cuando el Universo tenía aproximadamente una billonésima (10-12) de un segundo de edad. La tasa de expansión del Universo en ese entonces era 1029 veces mayor que la actual.

Si queremos, podemos retroceder aún más, por supuesto, cuando la inflación llegó a su fin por primera vez, lo que dio lugar al candente Big Bang. Nos gusta extrapolar nuestro Universo a una singularidad, pero la inflación elimina la necesidad de eso por completo. En cambio, lo reemplaza con un período de expansión exponencial de duración indeterminada hasta el pasado, y llega a su fin dando lugar a un estado caliente, denso y en expansión que identificamos como el comienzo del Universo que conocemos. Estamos conectados a la última fracción minúscula de un segundo de inflación, en algún lugar entre 10-30 y 10-35 segundos por valor. Siempre que sea ese momento, donde termina la inflación y comienza el Big Bang, es cuando necesitamos saber el tamaño del Universo.

De nuevo, este es el Universo observable; el verdadero "tamaño del Universo" es seguramente mucho más grande de lo que podemos ver, pero no sabemos cuánto. Nuestros mejores límites, del Sloan Digital Sky Survey y el satélite Planck, nos dicen que si el Universo se curva sobre sí mismo y se cierra, la parte que podemos ver es tan indistinguible de la "no curvada" que sería al menos 250 veces. el radio de la parte observable.

En verdad, incluso podría ser infinito en extensión, ya que lo que sea que hizo el Universo en las primeras etapas de la inflación es incognoscible para nosotros, con todo menos la última fracción de segundo de la historia de la inflación siendo borrado de lo que podemos. observar por la naturaleza de la inflación misma. Pero si estamos hablando del Universo observable, y sabemos que solo podemos acceder a algún lugar entre los últimos 10-30 y 10-35 segundos de inflación antes de que ocurra el Big Bang, entonces sabemos que el Universo observable está entre 17 centímetros (para la versión de 10 a 35 segundos) y 168 metros (para la versión de 10 a 30 segundos) de tamaño al comienzo del estado denso y caliente que llamamos Big Bang.

La respuesta más pequeña imaginable, 17 centímetros, es aproximadamente del tamaño de una pelota de fútbol. El Universo no podría haber sido mucho más pequeño que eso, ya que las limitaciones que tenemos del Fondo Cósmico de Microondas (la pequeñez de las fluctuaciones) lo descartan. Y es muy concebible que todo el Universo sea sustancialmente más grande que eso, pero nunca sabremos cuánto, ya que todo lo que podemos observar es un límite inferior en el tamaño real del Universo real.

Entonces, ¿qué tan grande era el Universo cuando nació? Si los mejores modelos de inflación son correctos, en algún lugar entre el tamaño de una cabeza humana y una manzana llena de rascacielos. Solo dale tiempo, 13.800 millones de años en nuestro caso, y terminarás con todo el Universo que vemos hoy.