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Articulo de referencia

Universo observable

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El universo observable es una región esférica del universo que comprende toda la materia que puede observarse desde la Tierra; la radiación electromagnética de estos objetos astronómicos ha tenido tiempo de llegar al Sistema Solar y a la Tierra desde el comienzo de la expansión cosmológica . El radio de esta región es de aproximadamente 14,26 giga pársecs (46,5 mil millones de años luz o 4,40 × 10²⁶ m ). 

En este contexto, la palabra «observable» no se refiere a la capacidad de la tecnología moderna para detectar luz u otra información proveniente de un objeto, ni a si existe algo que detectar. Se refiere al límite físico impuesto por la velocidad de la luz . Ninguna señal puede viajar más rápido que la luz, y el universo solo ha existido durante unos 14 mil millones de años. Los objetos que emiten luz, pero que se encuentran demasiado lejos para que esa luz haya llegado a la Tierra, están más allá del horizonte de partículas , fuera del universo observable. Cada lugar del universo tiene su propio universo observable, que puede o no coincidir con el centrado en la Tierra.

Según los cálculos, la distancia comóvil actual a las partículas desde las que se emitió la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR), que representa el radio del universo visible, es de aproximadamente 14.000 millones de pársecs (unos 45.700 millones de años luz). La distancia comóvil al borde del universo observable es de aproximadamente 14.300 millones de pársecs (unos 46.600 millones de años luz), [ 7 ] aproximadamente un 2% mayor. Por lo tanto, se estima que el radio del universo observable es de unos 46.500 millones de años luz. [ 8 ] [ 9 ] Utilizando la densidad crítica y el diámetro del universo observable, se puede calcular que la masa total de materia ordinaria en el universo es de aproximadamente1,5 × 10 53  kg . [ 10 ] En noviembre de 2018, los astrónomos informaron que la luz de fondo extragaláctica (EBL) ascendía a4 × 10 84 fotones. [ 11 ] [ 12 ]

A medida que la expansión del universo se acelera, todos los objetos actualmente observables, fuera del supercúmulo local , parecerán eventualmente congelarse en el tiempo, emitiendo una luz cada vez más roja y tenue. Por ejemplo, los objetos con un corrimiento al rojo z actual de 5 a 10 solo serán observables hasta una edad de 4 a 6 mil millones de años. Además, la luz emitida por objetos situados actualmente más allá de cierta distancia comóvil (actualmente unos 19 gigaparsecs (62 Gly) ) nunca llegará a la Tierra. [ 13 ] 

Descripción general

El Universo observable en función del tiempo y la distancia, en el contexto de la expansión del Universo.

El tamaño del universo es desconocido y puede ser infinito en extensión. [ 14 ] Algunas partes del universo están demasiado lejos para que la luz emitida desde el Big Bang haya tenido tiempo suficiente para llegar a la Tierra o a los instrumentos espaciales, y por lo tanto se encuentran fuera del universo observable. En el futuro, la luz de galaxias distantes habrá tenido más tiempo para viajar, por lo que cabría esperar que regiones adicionales se vuelvan observables. Las regiones distantes de los observadores (como nosotros) se están expandiendo más rápido que la velocidad de la luz, a tasas estimadas por la ley de Hubble . [ nota 1 ] La tasa de expansión parece estar acelerándose , lo que se propuso que la energía oscura explicara.

Suponiendo que la energía oscura permanece constante (una constante cosmológica inmutable ) de modo que la tasa de expansión del universo continúa acelerándose, existe un "límite de visibilidad futura" más allá del cual los objetos nunca entrarán en el universo observable en ningún momento futuro, ya que la luz emitida por objetos fuera de ese límite nunca podría llegar a la Tierra. Cabe señalar que, debido a que el parámetro de Hubble disminuye con el tiempo, puede haber casos en los que una galaxia que se aleja de la Tierra solo ligeramente más rápido que la luz emita una señal que finalmente llegue a la Tierra. [ 9 ] [ 15 ] Este límite de visibilidad futura se calcula a una distancia comóvil de 19 mil millones de pársecs (62 mil millones de años luz), suponiendo que el universo continuará expandiéndose para siempre, lo que implica que el número de galaxias que teóricamente se pueden observar en el futuro infinito es solo mayor que el número actualmente observable por un factor de 2,36 (ignorando los efectos del corrimiento al rojo). [ nota 2 ]

En principio, más galaxias se harán observables en el futuro; en la práctica, un número creciente de galaxias se volverán extremadamente desplazadas al rojo debido a la expansión continua, tanto que parecerán desaparecer de la vista y volverse invisibles. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Una galaxia a una distancia comóvil dada se define como dentro del "universo observable" si podemos recibir señales emitidas por la galaxia en cualquier edad de su historia, digamos, una señal enviada desde la galaxia solo 500 millones de años después del Big Bang. Debido a la expansión del universo, puede haber alguna edad posterior en la que una señal enviada desde la misma galaxia nunca pueda llegar a la Tierra en ningún punto del futuro infinito, por lo que, por ejemplo, podríamos nunca ver cómo era la galaxia 10 mil millones de años después del Big Bang, [ 13 ] aunque permanezca a la misma distancia comóvil menor que la del universo observable.

Esto puede utilizarse para definir un tipo de horizonte de sucesos cósmicos cuya distancia a la Tierra varía con el tiempo. Por ejemplo, la distancia actual a este horizonte es de aproximadamente 16 mil millones de años luz, lo que significa que una señal de un evento que ocurre en la actualidad podría llegar a la Tierra si el evento se encuentra a menos de 16 mil millones de años luz de distancia, pero la señal nunca llegará a la Tierra si el evento está más lejos. [ 9 ]

El espacio anterior a este horizonte de sucesos cósmicos puede denominarse "universo alcanzable", es decir, todas las galaxias más cercanas de las que podríamos alcanzar si partiéramos hacia ellas hoy mismo a la velocidad de la luz; todas las galaxias más allá de este horizonte son inalcanzables. [ 19 ] [ 20 ] Una simple observación mostrará que el límite de visibilidad futuro (62 mil millones de años luz) es exactamente igual al límite alcanzable (16 mil millones de años luz) sumado al límite de visibilidad actual (46 mil millones de años luz). [ 21 ] [ 7 ]

El universo alcanzable en función del tiempo y la distancia, en el contexto de la expansión del universo.

"El universo" versus "el universo observable"

Los artículos de investigación profesional en cosmología diferencian entre los términos "universo" y "universo observable" [ 22 ] , aunque nunca podremos saber nada por observación directa sobre ninguna parte del universo que esté causalmente desconectada de la Tierra [ 21 ] [ 23 ] , sin embargo, muchas teorías creíbles requieren un universo total mucho mayor que el universo observable [ 24 ] . No existe evidencia que sugiera que el límite del universo observable constituya un límite en el universo como un todo, ni ninguno de los modelos cosmológicos convencionales propone que el universo tenga algún límite físico en primer lugar. Sin embargo, algunos modelos proponen que podría ser finito pero ilimitado [ nota 3 ] , como un análogo de dimensiones superiores de la superficie 2D de una esfera que es finita en área pero no tiene borde.

Es plausible que las galaxias dentro del universo observable representen solo una fracción minúscula de las galaxias en el universo. Según la teoría de la inflación cósmica introducida inicialmente por Alan Guth y D. Kazanas , [ 25 ] si se supone que la inflación comenzó aproximadamente 10⁻³⁷ segundos después del Big Bang y que el tamaño del universo antes de la inflación era aproximadamente igual a la velocidad de la luz multiplicada por su edad, eso sugeriría que en la actualidad el tamaño de todo el universo es al menos1,5 × 10³⁴ años luz: esto es al menos3 × 10 23 veces el radio del universo observable. [ 26 ]

Si el universo es finito pero ilimitado, también es posible que sea más pequeño que el universo observable. En este caso, lo que consideramos galaxias muy distantes podrían ser en realidad imágenes duplicadas de galaxias cercanas, formadas por luz que ha circunnavegado el universo. Es difícil comprobar experimentalmente esta hipótesis porque diferentes imágenes de una galaxia mostrarían distintas épocas de su historia y, por consiguiente, podrían parecer bastante diferentes. Bielewicz et al. [ 27 ] afirman establecer un límite inferior de 27,9 gigaparsecs (91 mil millones de años luz) para el diámetro de la última superficie de dispersión. Este valor se basa en el análisis de círculos coincidentes de los datos de 7 años del WMAP . Este enfoque ha sido cuestionado. [ 28 ]

Tamaño

Imagen del Campo Ultraprofundo del Hubble de una región del universo observable (tamaño equivalente del área del cielo mostrado en la esquina inferior izquierda), cerca de la constelación de Fornax . Cada punto es una galaxia , que consta de miles de millones de estrellas. La luz de las galaxias más pequeñas y con mayor desplazamiento al rojo se originó hace unos 12.600 millones de años, [ 29 ] cerca de la edad del universo .

La distancia comóvil desde la Tierra hasta el borde del universo observable es de aproximadamente 14,26 gigaparsecs ( 46,5 mil millones de años luz o 4,40 × 10²⁶ m ) en cualquier dirección. [ 30 ] : 2 El universo observable es , por lo tanto , una esfera con un diámetro de aproximadamente 28,5 gigaparsecs [ 31 ] (93 mil millones de años luz o 8,8 × 10²⁶ m ). [ 32 ] Suponiendo que el espacio es aproximadamente plano (en el sentido de ser un espacio euclidiano ), este tamaño corresponde a un volumen comóvil de aproximadamente  1,22 × 10 4  Gpc 3 (4,22 × 10 5  Gly 3 o3,57 × 10 80  m 3 ). [ 33 ]

Estas son distancias actuales (en tiempo cosmológico ), no distancias en el momento en que se emitió la luz. Por ejemplo, la radiación cósmica de fondo de microondas que vemos ahora mismo se emitió en el momento del desacoplamiento de fotones , que se estima que ocurrió hace aproximadamente380.000 años después del Big Bang, [ 34 ] [ 35 ] que ocurrió hace unos 13.800 millones de años. Esta radiación fue emitida por materia que, en el tiempo intermedio, se ha condensado mayormente en galaxias, y se calcula que esas galaxias están ahora a unos 46.000 millones de años luz de la Tierra. [ 7 ] [ 9 ] Para estimar la distancia a esa materia en el momento en que se emitió la luz, podemos observar primero que, según la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , que se utiliza para modelar el universo en expansión, si recibimos luz con un corrimiento al rojo de z , entonces el factor de escala en el momento en que se emitió originalmente la luz viene dado por [ 36 ] [ 37 ]

a(t)=11+z{\displaystyle a(t)={\frac {1}{1+z}}}.

Los resultados de nueve años de WMAP combinados con otras mediciones dan el corrimiento al rojo del desacoplamiento de fotones como z  = 1 091 .64 ± 0.47 , [ 38 ] lo que implica que el factor de escala en el momento del desacoplamiento de fotones sería 1 ⁄ 1092.64 . Entonces, si la materia que originalmente emitió los fotones CMBR más antiguos tiene una distancia actual de 46 mil millones de años luz, entonces la distancia habría sido de solo unos 42 millones de años luz en el momento del desacoplamiento.

La distancia que recorre la luz hasta el borde del universo observable es igual a la edad del universo multiplicada por la velocidad de la luz , es decir, 13.800 millones de años luz. Esta es la distancia que ha recorrido un fotón emitido poco después del Big Bang, como uno proveniente del fondo cósmico de microondas , para llegar a los observadores en la Tierra. Debido a la curvatura del espacio-tiempo , que corresponde a la expansión del espacio , esta distancia no se corresponde con la distancia real en ningún momento dado. [ 39 ]

Materia y masa

Número de galaxias y estrellas

El universo observable contiene hasta un estimado de 2 billones de galaxias [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] y, en total, hasta un estimado de 10 24 estrellas [ 43 ] [ 44 ] – más estrellas (y, potencialmente, planetas similares a la Tierra) que todos los granos de arena de playa en el planeta Tierra. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] Otras estimaciones se encuentran en cientos de miles de millones en lugar de billones. [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] Si el modelo de inflación cósmica es correcto y el universo se expandió por >60 e-folds, entonces el universo podría contener más de 10 100 estrellas. [ 51 ]

Contenido de materia: número de átomos

Suponiendo que la masa de la materia ordinaria es aproximadamente1,45 × 10⁵³ kg  como se mencionó anteriormente, y suponiendo que todos los átomos son de hidrógeno (que representan aproximadamente el 74 % de la masa total de átomos en la Vía Láctea), el número total estimado de átomos en el universo observable se obtiene dividiendo la masa de la materia ordinaria entre la masa de un átomo de hidrógeno. El resultado es aproximadamente 10⁸⁰ átomos de hidrógeno, también conocido como el número de Eddington . [ 52 ]

Masa de materia ordinaria

La masa del universo observable se suele citar como 10⁵³ kg  . [ 53 ] En este contexto, la masa se refiere a la materia ordinaria (bariónica) e incluye el medio interestelar (ISM) y el medio intergaláctico (IGM). Sin embargo, excluye la materia oscura y la energía oscura . Este valor citado para la masa de la materia ordinaria en el universo puede estimarse a partir de la densidad crítica. Los cálculos se aplican únicamente al universo observable, ya que el volumen total es desconocido y podría ser infinito.

Estimaciones basadas en la densidad crítica

La densidad crítica es la densidad de energía para la cual el universo es plano. [ 54 ] Si no hay energía oscura, también es la densidad para la cual la expansión del universo se encuentra en equilibrio entre la expansión continua y el colapso. [ 55 ] A partir de las ecuaciones de Friedmann , el valor paraρdo{\displaystyle \rho _{\text{c}}}La densidad crítica es: [ 56 ]

ρdo=3H28πGRAMO,{\displaystyle \rho _{\text{c}}={\frac {3H^{2}}{8\pi G}},}

donde G es la constante gravitacional y H = H 0 es el valor actual de la constante de Hubble . El valor de H 0 , según lo proporcionado por el Telescopio Planck de la Agencia Espacial Europea, es H 0 = 67,15 kilómetros por segundo por megaparsec. Esto da una densidad crítica de0,85 × 10 −26  kg/m 3 , o aproximadamente 5 átomos de hidrógeno por metro cúbico. Esta densidad incluye cuatro tipos significativos de energía/masa: materia ordinaria (4,8 %), neutrinos (0,1 %), materia oscura fría (26,8 %) y energía oscura (68,3 %). [ 57 ]

Aunque los neutrinos son partículas del Modelo Estándar , se enumeran por separado porque son ultrarrelativistas y, por lo tanto, se comportan como radiación en lugar de como materia. La densidad de la materia ordinaria, según la medición de Planck, es el 4,8% de la densidad crítica total o4,08 × 10 −28  kg/m 3 . Para convertir esta densidad a masa debemos multiplicarla por el volumen, un valor basado en el radio del "universo observable". Dado que el universo se ha estado expandiendo durante 13.800 millones de años, la distancia comóvil (radio) es ahora de unos 46.600 millones de años luz. Por lo tanto, el volumen ( ⁠ 4 / 3 ⁠ πr 3 ) es igual a3,58 × 10 80  m 3 y la masa de la materia ordinaria es igual a la densidad (4,08 × 10 −28  kg/m 3 ) veces volumen (3,58 × 10 80  m 3 ) o1,46 × 10 53  kg .

Estructura a gran escala

Imagen simulada por ordenador de una zona del espacio de más de 50 millones de años luz de diámetro, que presenta una posible distribución a gran escala de fuentes de luz en el universo; las contribuciones relativas precisas de las galaxias y los cuásares no están claras.

La estructura a gran escala del universo es el término cosmológico para el carácter de la distribución de materia a la escala de todo el universo observable. Los estudios del cielo y los mapeos de las diversas bandas de longitud de onda de la radiación electromagnética (en particular la emisión de 21 cm ) han proporcionado mucha información sobre el contenido y el carácter de la estructura del universo . La organización de la estructura parece seguir un modelo jerárquico con organización hasta la escala de supercúmulos y filamentos . Más grande que esto (en escalas entre 30 y 200 megaparsecs), [ 58 ] parece no haber una estructura continua, un fenómeno que se ha denominado el Fin de la Grandeza . [ 59 ] La forma de la estructura a gran escala se puede resumir mediante el espectro de potencia de la materia .

Objetos más distantes

El objeto astronómico más distante identificado es una galaxia clasificada como MoM-z14 , [ 60 ] con un corrimiento al rojo de 14,44. En 2009, se descubrió que un estallido de rayos gamma , GRB 090423 , tenía un corrimiento al rojo de 8,2, lo que indica que la estrella colapsada que lo causó explotó cuando el universo tenía solo 630 millones de años. [ 61 ] El estallido ocurrió hace aproximadamente 13 mil millones de años, [ 62 ] por lo que se citó ampliamente en los medios una distancia de unos 13 mil millones de años luz, o a veces una cifra más precisa de 13.035 mil millones de años luz. [ 61 ]

Esta sería la "distancia de viaje de la luz" (véase Medidas de distancia (cosmología) ) en lugar de la " distancia propia " utilizada tanto en la ley de Hubble como en la definición del tamaño del universo observable. El cosmólogo Ned Wright argumenta en contra del uso de esta medida. [ 63 ] La distancia propia para un corrimiento al rojo de 8,2 sería de aproximadamente 9,2 Gpc , [ 64 ] o unos 30 mil millones de años luz.

Horizontes

El límite de observabilidad en el universo viene determinado por horizontes cosmológicos que limitan —en función de diversas restricciones físicas— la cantidad de información que se puede obtener sobre los distintos eventos del universo. El horizonte más conocido es el horizonte de partículas , que establece un límite a la distancia precisa que se puede observar debido a la edad finita del universo . Existen horizontes adicionales asociados a la posible extensión futura de las observaciones, mayores que el horizonte de partículas debido a la expansión del espacio , un «horizonte óptico» en la superficie de última dispersión , y horizontes asociados a la superficie de última dispersión para neutrinos y ondas gravitacionales .

Representación artística a escala logarítmica del universo observable, con el Sistema Solar en el centro, los planetas interiores y exteriores, el cinturón de Kuiper , la nube de Oort , Alfa Centauri , el brazo de Perseo , la Vía Láctea , la galaxia de Andrómeda , galaxias cercanas , la red cósmica , la radiación cósmica de microondas y el plasma invisible del Big Bang en el borde. Los cuerpos celestes aparecen ampliados para apreciar sus formas.
Reconstrucción DTFE de las partes internas del Sondeo de Corrimiento al Rojo de Galaxias 2dF

Véase también

Notas

  1. ↑ La relatividad especial impide que los objetos cercanos en la misma región local se muevan más rápido que la velocidad de la luz entre sí, pero no existe tal restricción para los objetos distantes cuando el espacio entre ellos se expande; consulte los usos de la distancia propia para una discusión.
  2. ↑ La distancia comóvil del futuro límite de visibilidad se calcula en la página 8 de A Map of the Universe de Gott et al. como 4,50 veces el radio de Hubble , dado como 4.220 mil millones de pársecs (13.76 mil millones de años luz), mientras que el radio comóvil actual del universo observable se calcula en la página 7 como 3,38 veces el radio de Hubble. El número de galaxias en una esfera de un radio comóvil dado es proporcional al cubo del radio, por lo que como se muestra en la página 8 la razón entre el número de galaxias observables en el futuro límite de visibilidad y el número de galaxias observables hoy sería (4,50/3,38) 3 = 2,36.
  3. ↑ Esto no significa "ilimitado" en el sentido matemático; un universo finito tendría un límite superior en la distancia entre dos puntos. Más bien, significa que no hay frontera más allá de la cual no haya nada. Véase Variedad geodésica .

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Lineweaver, Charles H. (2005). «Inflación y el fondo cósmico de microondas». En Colless, Matthew (ed.). La nueva cosmología . Escuelas Internacionales de Verano de Física de Canberra. Vol.  16. World Scientific . pp. 31–65 . arXiv : astro-ph/0305179 . doi : 10.1142/9789812702357_0002 . ISBN  978-981-256-066-7.
  • Martínez, Vicent J.; Starck, Jean-Luc; Saar, Enn; Donoho, David L .; Reynolds, Simon C.; de la Cruz, Pablo; Paredes, Silvestre (2005). "Morfología de la distribución de galaxias a partir de la eliminación de ruido mediante ondículas". The Astrophysical Journal . 634 (2): 744– 755. arXiv : astro-ph/0508326 . Bibcode : 2005ApJ...634..744M . doi : 10.1086/497125 .
  • Mureika, JR; Dyer, CC (2004). "Revisión: Análisis multifractal de cosmologías de queso suizo envasado". Relatividad general y gravitación . 36 (1): 151– 184. arXiv : gr-qc/0505083 . Bibcode : 2004GReGr..36..151M . doi : 10.1023/B:GERG.0000006699.45969.49 .
  • Simulación del milenio de la formación de estructuras – Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching, Alemania
  • Imagen astronómica del día de la NASA: La Gran Muralla de Sloan: ¿La estructura más grande conocida? (7 de noviembre de 2007)
  • Galaxias en formación captadas en el universo joven por Hubble, VLT y Spitzer
  • Animación del horizonte de luz cósmica
  • Mapas logarítmicos del universo
  • Lista de publicaciones del Sondeo de Corrimiento al Rojo de Galaxias 2dF
  • El Universo a menos de 14 mil millones de años luz – Atlas del Universo de la NASA – Tenga en cuenta que este mapa solo ofrece una estimación cosmográfica aproximada de la distribución esperada de supercúmulos dentro del universo observable; se ha realizado muy poca cartografía real más allá de una distancia de mil millones de años luz.
  • Vídeo: El universo conocido , del Museo Americano de Historia Natural.
  • Base de datos extragaláctica de la NASA/IPAC
  • Cosmografía del Universo Local en irfu.cea.fr (17:35) ( arXiv )
  • Límites al conocimiento sobre el Universo – Forbes , mayo de 2019
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