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Nuestras mejores estimaciones sitúan el universo observable a unos 93.000 millones de años luz a lo largo de 8.810 23 kilómetros. El tamaño real, sin embargo, es probablemente mucho mayor.

Observando el paralaje del universo y más allá

Comencemos nuestra incursión en el tamaño del universo con un experimento muy simple: coloca la palma de tu mano frente a tus ojos. Míralo y concéntrate en su posición. Luego cierre un ojo, mire la palma nuevamente y luego cambie de ojo. Su mano parece moverse ligeramente hacia los lados, debido a la diferente posición de sus ojos, esto se denomina paralaje.

Al conocer la distancia entre sus ojos y ver el desplazamiento aparente de su mano, podemos calcular la distancia a su mano. Ahora, imagine que en lugar de sus ojos, tenemos dos telescopios en el espacio, y en lugar de su palma, tenemos un objeto muy distante, digamos una estrella. Sabemos a qué distancia están los dos telescopios, por lo que podemos calcular la distancia a la estrella a través del paralaje.

Gracias a la órbita de la Tierra (que podemos calcular con precisión), tenemos exactamente eso: la capacidad de observar lo mismo desde dos puntos diferentes (el mismo telescopio, movido por la órbita de la Tierra). Los astrónomos utilizan habitualmente este enfoque para calcular la distancia a los objetos celestes.

Una ilustración simplificada de la paralaje de un objeto contra un fondo distante debido a un cambio de perspectiva. Cuando se ve desde el punto de vista A, el objeto parece estar frente al cuadrado azul. Cuando el punto de vista se cambia al Punto de vista B, el objeto parece haberse movido frente al cuadrado rojo. Créditos de imagen: Booyabazooka / Wikipedia.

Sin embargo, después de unos 100 años luz, la distancia se vuelve simplemente demasiado grande y el método de paralaje comienza a perder su eficacia. Aún así, a través del paralaje, sabemos que el universo tiene al menos 200 años luz de diámetro (100 en ambas direcciones), algo que en un momento parecía inconcebiblemente grande.

El tamaño real, sin embargo, va mucho más allá.

El universo observable y una vela estándar

Aquí es donde las cosas empiezan a ponerse realmente interesantes (y complicadas). Pensemos en la edad del universo por un momento. Cuando miramos algo que está a 1 año luz de distancia, la luz tardó un año en llegar desde ese objeto hasta nosotros, así que lo estábamos viendo como era hace un año. En cierto modo, estaban mirando a través del tiempo y viendo el pasado. Hemos visto galaxias que tienen más de miles de millones de años, por lo que el tamaño del universo debe tener al menos unos pocos miles de millones de años luz de diámetro.

Para refinar las cosas, sabemos que la edad del universo, dentro de un margen bastante bueno, es de 13,7 a 13,8 mil millones de años, y lo sabemos a partir de dos pruebas cruciales.

El primero tiene que ver con la expansión universal. Sabemos que el universo se está expandiendo, y se está expandiendo a un ritmo acelerado. Suponiendo que se expande de manera similar en todas las partes del universo (lo que la mayoría de los científicos están de acuerdo), todos los objetos del universo se están separando unos de otros a un ritmo similar. Tomemos las galaxias, como objetos increíblemente masivos: sabemos que se están separando, y al conocer sus velocidades y distancias actuales, así como la velocidad a la que se acelera la expansión universal, podemos calcular cuánto tiempo les llevó alcanzar su posición actual. Este método sitúa la edad del universo en unos 14.000 millones de años.

RS Puppis es una de las estrellas variables cefeidas conocidas más brillantes de la Vía Láctea, lo que la convierte en una de las velas estándar más importantes. Créditos de imagen: Hubble/NASA.

El segundo método se basa en medir la edad de los grupos más antiguos que hemos podido observar. Esto no es sencillo y hace un uso extensivo de nuestro conocimiento de la formación estelar, en particular de un grupo de estrellas llamadas estrellas de secuencia principal, que son el tipo de estrellas más común. Sabemos que estas estrellas cambian de color con el tiempo, volviéndose más rojas a medida que envejecen. Midiendo su color y brillo, podemos calcular su edad. Son una vela estándar, un objeto cuyo brillo podemos calcular matemáticamente. Pero para las estrellas más antiguas, incluso esto no funciona realmente, y aquí es donde entra en juego el trabajo de Henrietta Swan Leavitt, una astrónoma estadounidense. En 1908, Henrietta se dio cuenta de que había una clase especial de estrellas llamadas variables cefeidas. Estas estrellas tienen un brillo y pulsaciones altamente fiables, lo que permite a los astrónomos calcular la edad de estas estrellas. Usando este método, la edad del universo se calculó en 13.700 millones de años.

El hecho de que los dos métodos produzcan valores tan cercanos es alentador, y los estudios y modelos posteriores han confirmado y refinado este rango. Actualmente, los científicos confían (99,1 % de precisión) en que la edad del universo es de 13 810 millones de años, lo que significa que tenemos otro hito importante en nuestra búsqueda para averiguar el tamaño del universo.

Así que tenemos un criterio más pequeño para medir las cosas en nuestro vecindario cósmico y uno más grande para medir las cosas en el universo observable. ¿Que sigue?

El tamaño del universo observable

Podríamos pensar que el tamaño del universo observable es de 13.700 millones de años luz en todas las direcciones, es decir, 27.400 millones de años luz de diámetro. Alerta de spoiler: ¡eso no es cierto! Eso es justo lo que podemos ver ahora durante el tiempo que le tomó a la luz viajar hasta nosotros, el universo ha continuado expandiéndose. Tenga en cuenta: el espacio en sí está aumentando.

Visualización de la expansión del Universo. Créditos de imagen: Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli y Rocky Kolb.

En este punto, debemos diferenciar entre las dos distancias.

La distancia adecuada es esencialmente donde estaría un objeto distante en un momento específico del tiempo cosmológico. Esto puede cambiar con el tiempo debido a la expansión del universo.

La distancia de movimiento tiene en cuenta la expansión del universo, dando una distancia que no cambia en el tiempo debido a la expansión del espacio pero que puede cambiar, por ejemplo, debido al movimiento galáctico.

La expansión de Universos da como resultado que cambie la distancia adecuada, mientras que la distancia de comovimiento no cambia debido a esta expansión.

Entonces, ¿qué tan grande se ha vuelto el universo observable desde su creación?

La mejor respuesta que tenemos viene de algo llamado redshift . Cuando una fuente de luz viene de muy lejos, su longitud de onda comienza a desplazarse hacia el lado rojo del espectro. Este tipo de cambio Doppler fue una indicación clave de que el tamaño del universo está aumentando y puede ayudar a los investigadores a estimar cuánto se ha expandido el universo.

Básicamente, si tuviéramos que encontrar algunos fotones realmente antiguos y analizar su desplazamiento espectral, tendríamos una buena estimación de la antigüedad de algo y de la distancia a la que se encuentra actualmente. Los fotones más tempranos que tenemos provienen del llamado fondo cósmico de microondas (CMBR), una débil radiación de fondo cósmico que llena todo el espacio y representa la radiación electromagnética más antigua conocida.

Algunas de nuestras estimaciones más precisas del CMBR provienen de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP), que, junto con otras estimaciones, descubrió que los fotones observables más lejanos provienen de 46.500 millones de años luz de distancia.

Las fluctuaciones de temperatura del Fondo Cósmico de Microondas de los datos de la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson de 7 años se ven en todo el cielo como una esfera celestial. Créditos de la imagen: NASA.

La distancia de comovimiento desde la Tierra hasta el borde del universo observable es de aproximadamente 46,5 mil millones de años luz 14,26 (gigaparsecs o 4,4010 26 metros) en cualquier dirección. Entonces, aunque la luz en sí misma solo haya viajado durante 13.800 millones de años, la distancia desde nosotros hasta el punto de donde vino es, en la actualidad, de 46.000 millones de años luz.

Esto haría que el diámetro del universo observable fuera de unos 93 mil millones de años luz (el equivalente a 28 mil millones de parsecs), suponiendo que la Tierra ocupa una posición relativamente central en el universo.

Debe tenerse en cuenta que en el momento actual, la distancia propia y como móvil entre la Tierra y el borde del universo observable se definen como iguales (en aras de la simplicidad). Esto es simplemente una convención en otros momentos, el factor de escala era diferente a 1.

Las mismas mediciones descritas anteriormente concluyeron que en el momento en que se emitió el CMBR, la distancia adecuada era de solo 42 millones de años luz.

Otra visualización de la expansión universal. Créditos de la imagen: NASA, Centro de Vuelo Espacial Goddard.

Entonces, hasta donde sabemos, el tamaño del universo observable es de 93 mil millones de años luz de diámetro. Es casi seguro que es más grande que eso, pero no tenemos ninguna evidencia sustancial para juzgar su tamaño fuera de eso.

Sin embargo, una estimación estadística realizada por investigadores de Oxford encontró que el universo podría ser 251 veces más grande que el universo observable, lo que lo ubicaría en 23343 años luz de diámetro. Eso es verdaderamente aleccionador, y algunos estudios van incluso más allá. Las estimaciones para el tamaño total del universo llegan tan alto como megaparsecs, como implica una resolución de la Propuesta Sin Límites. Solo para que puedas tener una idea de qué tan grande es ese número, ni siquiera importa en qué unidades de medida lo expreses, ya sean nanómetros o megaparsecs, la diferencia simplemente se perdería en los dígitos finales irrelevantes.

La expansión universal puede ser muy difícil de comprender, pero aquí hay una analogía fácil para ayudarlo a visualizar las cosas.

Piense en el universo como una masa para muffins. Piense en la materia dentro de este espacio como semillas de amapola dentro de esta masa. A medida que la masa se hornea, se expande y el espacio entre todas las semillas de amapola aumenta de manera similar, la expansión universal separa la materia, aunque el proceso solo es detectable a escalas cosmológicas.

La forma del universo

Ahora, tenemos una idea de cuán grande es el universo o, más bien, tenemos un límite inferior de cuán grande es el universo, pero ¿cómo se ve?

La mayoría de la gente probablemente imaginaría que el universo tiene una forma algo esférica. Aunque la intuición es difícilmente confiable en cosmología, un universo esférico es completamente plausible. En la Relatividad General, el espacio-tiempo es curvo, lo que implicaría que hay tres posibles formas del universo:

  • plano (curvatura cero);
  • esférica o cerrada (curvatura positiva); o
  • hiperbólica o abierta (curvatura negativa).

Tres posibles formas del Universo: cerrado, abierto y plano de arriba a abajo. Créditos de la imagen: NASA.

También se han propuesto otras formas más complejas, como una Cinta de Moebius o su correspondiente en 3D, una Botella de Klein donde no hay adentro ni afuera, solo una superficie.

Sin embargo, la evidencia más reciente sugiere que el universo es esencialmente plano. Las mediciones de temperatura del CMBR mencionado anteriormente exhibirían variaciones sustanciales si el universo fuera curvo, pero hasta donde pudimos, no hemos podido detectar tales variaciones, lo que indica que, en un rango aceptable, el universo es esencialmente plano. .

Si el universo es realmente plano, las matemáticas detrás de la Relatividad General y la expansión universal indican que continuará expandiéndose para siempre, aunque no está claro si esta expansión continuará acelerándose indefinidamente o si se ralentizará.

Sin embargo, esto realmente no nos dice nada acerca de cuán grande es realmente el universo, y existe una posibilidad aún más desconcertante: tal vez el universo sea tan grande que la fracción representada por nuestro universo observable no sea lo suficientemente grande como para exhibir su curvatura, como la de nuestro universo. perspectiva personal, la Tierra parece plana, pero si se aleja lo suficiente, su curvatura se vuelve evidente.

Esto deja otra cuestión importante para discutir.

¿Es el universo infinito?

Dado que no podemos calcular exactamente qué tan grande es el universo, surge otra posibilidad: la de un universo infinito.

Las dos posibilidades (de un universo finito o infinito) plantean situaciones igualmente desconcertantes: si el universo es finito, entonces, ¿qué podría haber fuera de él y en qué se está expandiendo exactamente el universo? ¿Está el universo creando espacio? ¿Esa pregunta tiene sentido?

Si el universo es infinito, las cosas se ponen aún más raras. ¿Cómo puede algo que no es infinitamente antiguo ser infinitamente vasto? ¿Puede un universo infinito expandirse? En teoría, sí, aunque es muy difícil de visualizar (y hace que las matemáticas y la física sean mucho más complicadas). Una vez más, piense en la expansión universal no como una expansión, sino más bien como un estiramiento, en el que todas las partes del universo, desde el centro hasta la periferia, se separan unas de otras. Pero, ¿un universo infinito contiene todas las configuraciones posibles de materia? ¿Hay otro tú en algún lugar del universo? O mejor aún, ¿hay una versión tuya que sea inmortal, no necesite dormir y tenga orejas de gato? Ese es el tipo de problema que podría surgir de un universo infinito.

En aras de la precisión, deberíamos decir que un universo infinito no implica necesariamente todas las combinaciones de materia posibles al igual que, contrariamente a la creencia popular, el número Pi no incluye necesariamente todas las combinaciones de números posibles.

Un problema más directo con un universo infinito está representado por la paradoja de Olber, que establece que la oscuridad del cielo nocturno entra en conflicto con la suposición de un universo infinito y eternamente estático: si fuera verdaderamente infinito, entonces cada parte del cielo nocturno sería eventualmente caería sobre una estrella y se encendería, hasta que todo el cielo nocturno se iluminara. Como eso no sucede, entonces el universo no es infinito.

A medida que se revelan estrellas más distantes en esta animación que representa un universo infinito, homogéneo y estático, llenan los espacios entre las estrellas más cercanas. Dado que el cielo nocturno es mayormente oscuro, esto parece sugerir que el universo no es infinito. Se han propuesto varias explicaciones alternativas, pero el hecho de que la paradoja de Olber no se haya probado de manera decisiva durante 300 años es revelador. Créditos de imagen: Kmarinas86 / Wikipedia.

La verdad es que no sabemos si el universo es finito o infinito, y es posible que nunca lo sepamos. La complejidad del problema parece, al menos ahora, insuperable. Pero aquí está lo bueno: puede que realmente no importe.

Incluso si el universo no es infinito per se, hay una buena posibilidad de que sea prácticamente infinito. Esto significa que algunas áreas pueden estar tan lejos de nosotros que nunca podríamos llegar a ellas. Dado que, según nuestra comprensión actual de la física, nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz, teniendo en cuenta la expansión acelerada, algunas áreas podrían ser simplemente inalcanzables matemáticamente, nunca podremos interactuar con ellas de ninguna manera.

El tamaño del Universo es difícil de definir. Debido a que no podemos observar el espacio más allá del borde del universo observable, no podemos saber con seguridad si es infinito o no. Tenemos una buena idea de cuán grande es nuestro universo observable, pero probablemente sea solo una pequeña pieza en un rompecabezas mucho más grande. Qué tan grande es ese rompecabezas sigue siendo un tema de investigación en curso y probablemente lo seguirá siendo en los próximos años.

Actualización: editado por errores tipográficos en la era del universo.

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