Quanto era grande l'universo al momento della sua creazione?

Potresti pensare che l'Universo sia infinito e, onestamente, potrebbe essere davvero infinito, ma non pensiamo che lo sapremo mai con certezza. Grazie al Big Bang - il fatto che l'Universo abbia avuto un compleanno, o che possiamo solo tornare indietro di un tempo limitato - e il fatto che la velocità della luce è finita, siamo limitati in quanto Universo che possiamo vedere. Quando arrivate ad oggi, l'Universo osservabile, a 13,8 miliardi di anni, si estende per 46,1 miliardi di anni luce in tutte le direzioni da noi. Quindi quanto era grande allora, circa 13,8 miliardi di anni fa? Diamo un'occhiata all'Universo che vediamo per scoprirlo.

Quando guardiamo le galassie lontane, per quanto i nostri telescopi possono vedere, ci sono alcune cose che sono facili da misurare, tra cui:

  • qual è il suo spostamento verso il rosso, o quanto la sua luce si è spostata da una cornice di riposo inerziale,
  • quanto luminoso sembra essere o quanta luce possiamo misurare dall'oggetto a grande distanza,
  • e quanto sembra essere grande, o quanti gradi angolari occupa nel cielo.

Questi sono molto importanti, perché se sappiamo qual è la velocità della luce (una delle poche cose che sappiamo esattamente) e quanto è intrinsecamente luminoso o grande l'oggetto che stiamo guardando (che pensiamo di sapere; più in un secondo), quindi possiamo usare queste informazioni tutte insieme per sapere quanto è effettivamente lontano un oggetto.

In realtà, possiamo solo fare stime di quanto sia veramente luminoso o grande un oggetto, perché ci sono supposizioni che entrano in questo.Se vedi una supernova esplodere in una galassia lontana, tu presumi che sai quanto fosse intrinsecamente luminosa quella supernova basata sulle supernove vicine che hai visto, ma presumi anche che gli ambienti in cui quella supernova è esplosa fossero simili, la supernova stessa fosse simile e che non ci fosse nulla tra di voi e la supernova che ha cambiato il segnale che stai ricevendo .Gli astronomi chiamano queste tre classi effetti di evoluzione (se oggetti più vecchi / più distanti sono intrinsecamente diversi), ambientali (se le posizioni di questi oggetti differiscono significativamente da dove pensiamo che siano) ed estinzione (se qualcosa come la polvere blocca la luce), in Oltre agli effetti che forse non sappiamo nemmeno sono in gioco.

Ma se abbiamo ragione sulla luminosità intrinseca (o dimensione) di un oggetto che vediamo, quindi sulla base di una semplice relazione luminosità / distanza, possiamo determinare quanto sono lontani quegli oggetti.Inoltre, misurando i loro spostamenti verso il rosso, possiamo apprendere quanto l'Universo si sia espanso nel tempo in cui la luce ha viaggiato fino a noi.E poiché esiste una relazione molto ben specificata tra materia-ed-energia e spazio-e-tempo - la cosa esatta che ci fornisce la Relatività Generale di Einstein - possiamo usare queste informazioni per capire tutte le diverse combinazioni di tutte le diverse forme di materia ed energia presenti nell'Universo oggi.

Ma non è tutto!

Se sai di cosa è fatto il tuo universo, ovvero:

  • 0,01% - Radiazione (fotoni)
  • 0,1% - Neutrini (massicci, ma ~ 1 milione di volte più leggeri degli elettroni)
  • 4,9% - Materia normale, inclusi pianeti, stelle, galassie, gas, polvere, plasma e buchi neri
  • 27% - Materia oscura, un tipo di materia che interagisce gravitazionalmente ma è diversa da tutte le particelle del Modello Standard
  • 68% - Energia oscura, che fa accelerare l'espansione dell'Universo,

puoi usare queste informazioni per estrapolare all'indietro nel tempo fino a qualsiasi punto del passato dell'Universo, e scoprire sia quali fossero i diversi mix di densità di energia allora, sia quanto fosse grande in qualsiasi momento lungo il percorso.A causa di quanto sono illustrativi, li traccerò su scale logaritmiche affinché tu possa visualizzarli.

Come puoi vedere, l'energia oscura può essere importante oggi, ma questo è uno sviluppo molto recente.Per la maggior parte dei primi 9 miliardi di anni della storia dell'Universo, la materia - nella forma combinata di materia normale e oscura - è stata la componente dominante dell'Universo.Ma per le prime migliaia di anni la radiazione (sotto forma di fotoni e neutrini) era ancora più importante della materia!

Ne parlo perché questi diversi componenti, radiazioni, materia ed energia oscura, influenzano in modo diverso l'espansione dell'Universo. Anche se sappiamo che l'Universo è di 46,1 miliardi di anni luce in qualsiasi direzione oggi, abbiamo bisogno di conoscere l'esatta combinazione di ciò che abbiamo in ogni epoca del passato per calcolare quanto fosse grande in un dato momento. Ecco come appare.

Ecco alcune pietre miliari divertenti, tornando indietro nel tempo, che potresti apprezzare:

  • Il diametro della Via Lattea è di 100.000 anni luce;l'Universo osservabile aveva questo come raggio quando aveva circa 3 anni.
  • Quando l'Universo aveva un anno, era molto più caldo e denso di quanto non sia adesso.La temperatura media dell'Universo era di oltre 2 milioni di Kelvin.
  • Quando l'Universo aveva un secondo di età, era troppo caldo per formare nuclei stabili;protoni e neutroni erano in un mare di plasma caldo.Inoltre, l'intero universo osservabile avrebbe un raggio che, se lo disegnassimo attorno al Sole oggi, racchiuderebbe solo i settesistemi stellari più vicini, con il più lontanoRoss 154.
  • L'Universo una volta era solo il raggio della Terra-Sole, cosa che accadde quando l'Universo aveva circa un trilionesimo (10-12) di un secondo.Il tasso di espansione dell'Universo allora era 1029volte quello che è oggi.

Se vogliamo, possiamo tornare ancora più indietro, ovviamente, a quando l'inflazione terminò per la prima volta, dando origine al caldo Big Bang. Ci piaceestrapolare il nostro Universo a una singolarità, ma l'inflazione elimina completamente la necessità di questo. Invece, lo sostituisce con un periodo di espansione esponenziale di lunghezza indeterminata al passato, e termina dando origine a uno stato caldo, denso, in espansione che identifichiamo come l'inizio dell'Universo che conosciamo.Siamo collegati all'ultima minuscola frazione di secondo di inflazione, da qualche parte tra10-30e10-35secondi.Ogni volta che accade quel momento, dove finisce l'inflazione e inizia il Big Bang, è allora che dobbiamo conoscere le dimensioni dell'Universo.

Di nuovo, questo è l'Universo osservabile;la vera "dimensione dell'Universo" è sicuramente molto più grande di quello che possiamo vedere, ma non sappiamo di quanto.I nostri migliori limiti, dallo Sloan Digital Sky Survey e dal satellite Planck, ci dicono che se l'Universo si curva su se stesso e si chiude, la parte che possiamo vedere è così indistinguibile da "non curvo" che sarebbe almeno 250 volte il raggio della parte osservabile.

In verità, potrebbe anche essere di estensione infinita, poiché qualunque cosa l'Universo abbia fatto nelle prime fasi dell'inflazione ci è inconoscibile, con tutto tranne l'ultima minuscola frazione di secondo della storia dell'inflazione che viene cancellata da ciò che possiamo osservare dalla natura dell'inflazione stessa. Ma se stiamo parlando dell'Universo osservabile e sappiamo di essere in grado di accedere solo da qualche parte tra gli ultimi10-30e10-35secondi di inflazione prima che avvenga il Big Bang, allora sappiamo che l'Universo osservabile è compreso tra 17 centimetri (per la versione da10-35secondi) e 168 metri (per la versione da10-30secondi) all'inizio dello stato caldo e denso che chiamiamo Big Bang.

La risposta più piccola immaginabile - 17 centimetri - ha all'incircale dimensioni di un pallone da calcio!L'Universo non avrebbe potuto essere molto più piccolo di così, dal momento che i vincoli che abbiamo dal Fondo a Microonde Cosmiche (la piccolezza delle fluttuazioni) lo escludono.Ed è molto concepibile che l'intero Universo sia sostanzialmente più grande di quello, ma non sapremo mai di quanto, poiché tutto ciò che possiamo osservare è un limite inferiore alla dimensione reale dell'Universo reale.

Quindi quanto era grande l'Universo quando è nato? Se i migliori modelli di inflazione sono giusti, da qualche parte tra le dimensioni di una testa umana e un isolato pieno di grattacieli. Dagli tempo - 13,8 miliardi di anni nel nostro caso - e finirai con l'intero universo che vediamo oggi.

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