Qual era o tamanho do universo no momento de sua criação?

Você pode pensar no Universo como infinito e, honestamente, ele pode ser realmente infinito, mas não achamos que algum dia saberemos com certeza. Graças ao Big Bang - o fato de que o Universo fez 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 ver. No momento em que você chega hoje, o Universo observável, com 13,8 bilhões de anos, se estende por 46,1 bilhões de anos-luz em todas as direções a partir de nós. Então, quão grande era naquela época, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás? Vamos olhar para o Universo que vemos para descobrir.

Quando olhamos para as galáxias distantes, tanto quanto nossos telescópios podem ver, existem algumas coisas que são fáceis de medir, incluindo:

qual é o seu desvio para o vermelho, ou quanto sua luz mudou de um quadro de repouso inercial, quão brilhante parece ser, ou quanta luz podemos medir do objeto a nossa grande distância, e quão grande ele parece ser , ou quantos graus angulares ele ocupa no céu.

Eles são muito importantes, porque se sabemos 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 (que pensamos saber; mais em um segundo), então podemos usar essas informações todas juntas para saber a que distância qualquer objeto realmente está.

Na realidade, só podemos fazer estimativas de quão brilhante ou grande um objeto realmente é, porque existem suposições que entram nisso. Se você vir uma supernova explodindo em uma galáxia distante, você assume que sabe o quão intrinsecamente brilhante essa supernova era baseada nas supernovas próximas que você viu, mas você também assume que os ambientes em que essa supernova explodiu eram semelhantes, a própria supernova era semelhante e não havia nada entre você e a supernova que alterasse 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 eles estão) e efeitos de extinção (se algo como poeira bloqueia a luz), em além dos efeitos que talvez nem saibamos que estão em jogo.

Mas se estivermos certos sobre o brilho intrínseco (ou tamanho) de um objeto que vemos, então, com base em uma relação simples de brilho / distância, podemos determinar a que distância esses objetos estão. Além disso, medindo seus redshifts, podemos aprender o quanto o Universo se expandiu ao longo do tempo 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 essas informações para descobrir todas as combinações diferentes de todas as formas diferentes de matéria e energia presente no Universo hoje.

Mas isso não é tudo!

Se você sabe do que é feito o seu Universo, que é:

0,01% - Radiação (fótons) 0,1% - Neutrinos (massivos, mas ~ 1 milhão de vezes mais leves que 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 faz com que a expansão do Universo se acelere,

você pode usar essas informações para extrapolar para trás no tempo para qualquer ponto no passado do Universo e descobrir quais eram as diferentes combinações de densidade de energia naquela época, bem como o quão grande era em qualquer ponto ao longo do caminho. Por serem ilustrativos, vou representá-los em escalas logarítmicas para você ver.

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) foi ainda mais importante do que a matéria!

Eu trago isso porque esses diferentes componentes, radiação, matéria e energia escura, todos afetam a expansão do Universo de forma diferente. Embora saibamos que o Universo tem 46,1 bilhões de anos-luz em qualquer direção hoje, precisamos saber a combinação exata do que temos em cada época do passado para calcular o quão grande ele era em um determinado momento. Aqui está o que parece.

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 tinha aproximadamente 3 anos de idade. Quando o Universo tinha um ano de idade, era muito mais quente e denso do que agora. A temperatura média do Universo era de mais de 2 milhões de Kelvin. Quando o Universo tinha um segundo de idade, era quente demais 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 em torno do Sol hoje, envolveria apenas os sete sistemas estelares mais próximos, com o mais distante sendo Ross 154. O Universo já teve apenas o raio da Terra-para- the-Sun, que aconteceu quando o Universo tinha cerca de um trilionésimo (10-12) de segundo de idade. A taxa de expansão do Universo naquela época era 1.029 vezes o que é hoje.

Se quisermos, podemos voltar ainda mais longe, é claro, para quando a inflação chegou ao fim, dando origem ao Big Bang quente. Gostamos de extrapolar nosso Universo de volta a uma singularidade, mas a inflação tira essa necessidade completamente. Em vez disso, ele o substitui por um período de expansão exponencial de comprimento indeterminado para o passado, e chega ao fim dando origem a um estado quente, denso e expansivo que identificamos como o início do Universo que conhecemos. Estamos conectados à última minúscula fração de segundo da inflação, algo entre 10-30 e 10-35 segundos. Sempre que essa hora for, onde termina a inflação e começa o Big Bang, é quando precisamos saber o tamanho do Universo.

Novamente, este é o Universo observável; o verdadeiro "tamanho do Universo" é certamente muito maior do que podemos ver, mas não sabemos por quanto. Nossos melhores limites, do Sloan Digital Sky Survey e do satélite Planck, nos dizem que se o Universo se curvar e se fechar, a parte que podemos ver é tão indistinguível de "não curvada" que pode ser pelo menos 250 vezes o raio da parte observável.

Na verdade, pode até ser infinito em extensão, já que tudo o que o Universo fez nos primeiros estágios da inflação é desconhecido para nós, com tudo, exceto a última minúscula fração de segundo da história da inflação sendo apagada do que podemos observar pela própria natureza da inflação. Mas se estamos falando sobre o Universo observável, e sabemos que só podemos acessar algum lugar entre os últimos 10-30 e 10-35 segundos de inflação antes que o Big Bang aconteça, 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) de tamanho no início do estado quente e denso que chamamos de Big Bang.

A menor resposta concebível - 17 centímetros - é do tamanho de uma bola de futebol! O Universo não poderia ser muito menor do que isso, uma vez que as restrições que temos do Fundo Cósmico de Microondas (a pequenez das flutuações) excluem isso. E é muito concebível que todo o Universo seja substancialmente maior do que isso, mas nunca saberemos quanto, pois tudo o que podemos observar é um limite inferior do verdadeiro tamanho do Universo real.

Então, qual era o tamanho do 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 um tempo - 13,8 bilhões de anos no nosso caso - e você terminará com todo o Universo que vemos hoje.