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¿Podría el universo observable ser mayor que el universo?

En primer lugar, soy lego en cosmología. Así que, por favor, disculpen la imagen posiblemente sobresimplificada que tengo en mente.

Me preguntaba cómo podemos saber que el universo observable es sólo una fracción del universo total. Si imaginamos el universo como la superficie de un globo podríamos estar viendo sólo una pequeña parte del globo

o podríamos estar viendo alrededor de todo el globo

de modo que una de las galaxias aparentemente distantes es en realidad la nuestra.

En el ejemplo del globo se podría medir la curvatura del espaciotiempo para estimar el tamaño del universo global, pero también se podría pensar en algo parecido a un cubo con condiciones periódicas de contorno.

¿Es posible saber el tamaño del universo global?


<a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Observable_universe_logarithmic_illustration.png" rel="noreferrer">Imagen artística del universo observable por Pablo Carlos Budassi.</a>

63voto

benrg Puntos 1163

Sí, en principio es posible que veamos la misma galaxia más de una vez debido a que la luz da vueltas alrededor del universo. No sería necesariamente fácil saberlo porque cada imagen sería de un momento diferente de la evolución de la galaxia.

Hay una forma de comprobarlo. El fondo cósmico de microondas que vemos es una parte esférica 2D del plasma 3D que llenaba el universo justo antes de hacerse transparente. Si ha habido tiempo para que la luz envolviera el universo desde que se hizo transparente, entonces esa esfera se interseca a sí misma en uno o más círculos. Cada círculo aparece en más de un lugar del cielo, y las imágenes tienen el mismo patrón de manchas claras y oscuras. Se han realizado búsquedas de círculos correlacionados en el patrón del CMB (p. ej. Cornish et al 2004 ), y no se ha encontrado ninguno.

7voto

Colin MacLaurin Puntos 377

Otra posibilidad (para complementar las respuestas existentes) es que el espacio sea finito en algunas direcciones pero infinito en otras, como un cilindro.

Referencias, para un enfoque teórico:

  • Lachieze-Rey & Luminet (1995), "Topología cósmica". Se trata de una revisión de 80 páginas
  • Ellis (1971), "Topología y cosmología".

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Alkmene Puntos 6
  1. "Me preguntaba cómo podemos saber que el universo observable es sólo una fracción del universo total".
  2. "¿Es posible saber el tamaño del universo en general?"

El primer paso para conocer (1) y/o (2) es saber si el universo es infinito o finito. En la actualidad, esto no se sabe con un alto grado de certeza. Dentro de unas décadas, creo que es probable que los cosmólogos lo sepan con un nivel de confianza razonable.

Si el universo es infinito, está claro que es mayor que el universo observable, que es finito.

Si se llega a saber que el universo es probablemente finito es probable que también se sepa que el valor de la densidad de curvatura (representado por $\Omega_k$ ) se sabrá que se encuentra en un intervalo de valores con un nivel de confianza como el 95%. Si todo el rango del 95% tiene todos valores < 0, digamos entre -a y -b. entonces se sabrá con una distribución de probabilidad razonablemente precisa que el radio de curvatura tendrá un valor positivo dentro de un rango correspondiente de algunos miles de millones de años luz.

Respecto a la pregunta del título, si el radio de curvatura es R, y el radio del universo observable (OU) es r, entonces el punto más distante de un observador es $\pi$ R. Si r = $\pi$ R, entonces estás viendo un punto tan lejano como cualquiera existe. Si r > $\pi$ R, entonces usted está viendo el mismo punto que está más cerca de usted en la dirección opuesta. Si lo que estás viendo es el CMB, sólo podrás ver un punto en él que esté más cerca que el mismo punto en dirección opuesta. Sin embargo, si r es suficientemente menor que $\pi$ R, ningún punto del universo observable sería lo suficientemente antiguo como para ser la superficie emisora del CMB. Esto dejaría claro para el observador que r > $\pi$ R.

5voto

Guy Inchbald Puntos 221

Otra respuesta ha explicado la evidencia de que el universo observable no se envuelve y se encuentra consigo mismo al otro lado, en el sentido de que los signos reveladores no parecen estar ahí. Sin embargo, esa respuesta sólo se refería a un universo curvo.

Pero ¿cómo podemos estar seguros de que no hay una coincidencia exacta, o que no podemos ver casi ¿Todo?

Uno de los argumentos se basa en la suposición de que el momento presente no tiene nada de especial. El horizonte del universo observable surge debido al tiempo limitado que ha tenido su luz para llegar hasta nosotros. A medida que pase el tiempo, más luz procedente de más allá del horizonte llegará finalmente hasta aquí y el horizonte retrocederá en consecuencia. Suponiendo que este proceso esté en curso, no hay razón para suponer que nos encontremos aún cerca de su final.

En otra respuesta se aborda otro argumento, que gira en torno a la curvatura del espacio. Es menor que nuestra capacidad de detección, o dicho de otro modo, es tan casi plano que no podemos distinguirlo. Si pudiéramos ver casi todo el universo, y fuera una simple 3-esfera de la forma en que tu globo imaginado es una 2-esfera, entonces sería notablemente curvado. Pero es un error tomar la 3-esfera como la única forma posible. Si inflas un globo con forma de donut, como un salvavidas de plástico, su curvatura intrínseca (global o media) es siempre cero. Un universo en forma de donut siempre tendría una curvatura cero, independientemente de lo que pudiéramos o no ver de él. Pero la topología del espacio (es decir, la solución correcta de las ecuaciones de la Relatividad General) es desconocida. No tenemos ninguna razón en absoluto para elegir la esfera en lugar del donut; de hecho, algunos modelos apuntan a un espacio hiperbólico, que debe ser infinito o con múltiples "asas", como un pretzel de dimensiones superiores. Así que, a pesar de las muchas afirmaciones populares en sentido contrario, la aparente planitud del Universo nos dice muy poco.

En un Universo toroidal simple, las geodésicas son líneas rectas. Si fuera más pequeño que la escala observable, entonces tales líneas parecerían repetir la distribución de masa/energía interminablemente con un período de un palmo Universal. Veríamos que el Universo empieza a repetirse, como una pila de cubos idénticos. Esto se buscó hace muchos años y no se encontró, sin embargo nuestra capacidad de observar grandes distancias estaba limitada por la tecnología de la época.

Desde entonces hemos cartografiado el CMB. Pero esto no ayuda inmediatamente, ya que la fuente del CMB es sólo una 2-esfera (es decir, no una geodésica) a una distancia arbitraria (dependiente del tiempo) y en expansión. Su tamaño aparente es el límite del universo observable en ese momento. El problema de relacionar una esfera en expansión con la escala de un Universo toroidal se ilustra claramente en este vídeo . (Nótese que los reflejos aparentes en el borde son una ilusión, en realidad son el otro lado que viene del cubo vecino). Que yo sepa, nadie ha buscado esas sutilezas desde aquella búsqueda óptica de hace décadas (¡me encantaría saber si lo han hecho!).

Y hay muchas otras formas candidatas además del infinito, las esferas y los donuts. Cada una tiene su propio patrón de geodésicas. Para una buena introducción, véase Jeffrey R. Weeks; La forma del espacio , CRC, 2002.

0voto

Jim Geurts Puntos 220

Podríamos descubrir que el universo real es mayor que el universo observable cuando existe una curvatura constante no nula en todas partes. Entonces, esto sería como estar de pie sobre la Tierra y ver hasta el horizonte. En el dibujo anterior, lo que podemos observar estaría limitado por una especie de horizonte cosmológico.

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