Tamaño y edad del Universo

¿Cuál es el tamaño del universo?

Detrás de esta simple pregunta esconde conceptos extremadamente complejos, y tal vez incluso de redefinir.
El universo o Universum es el "todo" en latín. Las cuestiones relativas al "todo" son tantos, de orden metafísico que científico, entonces es posible que no hay respuesta a esta simple pregunta.
El universo contiene, por definición, todo lo que existe, la materia con su espacio-tiempo, por lo que no tiene "bordes". La existencia de un borde implica que más allá de este límite (borde), no estaríamos en el Universo. El universo no es en un espacio, que contiene material y está en la vecindad del material que existe el espacio. El espacio absoluto y el tiempo absoluto, independientemente del resto, no existen.
Por lo tanto, no sabemos si el universo es finito o infinito, único o múltiple, eterno o de edad avanzada. Muchas teorías científicas competentes esperan la validación o invalidación que vendrían de las observaciones. Pero entonces otra vez, ¿cómo puede uno observar algo infinito o eterno?
Sin embargo, las teorías sobre las que podemos basarse es la relatividad general, la mecánica cuántica y la teoría cuántica de campos, como muchas observaciones astronómicas basadas en estas teorías, permiten de escribir una pequeña parte de la historia del universo, la más reciente, que se despliega ante nuestros ojos y que comenzó allí es de 13,8 mil millones de años.
Estamos acostumbrados a leer en la mayoría de los artículos, que el universo tiene 13,8 mil millones años de edad, pero debemos entender que el autor habla del universo observable o del horizonte cosmológico o la superficie de la última dispersión o del radio de Hubble. Estas nociones de distancia, cerca unas de otras, pueden ser confundidas según el contexto, pero nunca dan una edad o un tamaño al universo en su totalidad, precisamente por las razones ya citadas.
Pero el espíritu humano necesita de representarse las cosas, entonces ¿cómo podemos aún, obtener una imagen tranquilizadora del universo en su conjunto?
En el momento del Big Bang, el plasma primordial privaba los fotones de libertad, que se emitieron e inmediatamente reabsorbidos por la materia que estaba a una temperatura de varios millones de grados. Pero el universo continuó expandiéndose y enfriarse rápidamente.
Luego 380 000 años después del Big Bang, los fotones han logrado romper el plasma, la luz se escapó y el Universo, tan opaco, se ha convertido "visible". Este momento marca la superficie de la última dispersión que es la región del espacio desde que se publicó últimos fotones, los que no fueron reabsorbidos por la materia. Así, la radiación electromagnética más antigua del universo se escapó de esta superficie de la última dispersión, es el fondo cósmico de microondas que se observa hoy en todas partes de nuestro universo.
Recordemos que el universo observable es el universo en el que vemos estrellas y galaxias, y hay un límite para la observación actual.

Debido a la velocidad de la luz, que se limita al de 300 000 km/s, nuestro horizonte cosmológico se encuentra en el borde del universo observable, ninguna señal puede ser recibida desde el más allá, debido a la carácter finito de la velocidad de la luz. Este horizonte cosmológico nos masca por lo tanto todos los objetos más allá de 13,8 mil millones de años luz. En otras palabras, el universo real ya no está conectado a nosotros porque la mayor distancia que podemos ver está a 13,8 mil millones de años luz.
Sin embargo, esta distancia no es el límite físico del universo, es el radio del universo observable que a su vez ocupa un volumen finito en el tiempo y en el espacio. Volumen V=4/3πR3 es ya considerable.
Una complicación adicional se añade a la noción de tamaño del universo.
El universo es un objeto físico dinámico en movimiento, impulsado por la gravedad sino también por lo que los científicos llaman la inflación cósmica, es decir, la expansión del espacio-tiempo. El universo habría comenzado como un gran "explosión" que creó el material con el espacio y todo lo que contiene. El "todo" está ahora en expansión permanente al tasa de ≈67.8 km/s/Mpc.
En esta expansión del universo, no son las galaxias que se alejan unas de otras con respecto a un cuadro espacial de referencia, pero es el cuadro espacial que se hincha. Esto provoca una serie de efectos, incluyendo uno que permite a dos objetos muy lejanos, tener una velocidad de recesión, con respecto al otro, mucho mayor que la velocidad de la luz. Estos objetos "nunca se verían" y esto no viola el principio que dice que ningún objeto no puede exceder la velocidad de la luz, porque es el espacio entre los objetos que crece. El espacio-tiempo es un objeto cuyo no sabemos la naturaleza.
Además, si la luz de los objetos más distantes que observamos, ha viajado durante 13,8 mil millones de años antes llegar hasta nosotros, esto no nos dice a qué distancia real son actualmente estos objetos porque desde este evento, se pasa 13,8 mil millones de años. Es razonable pensar que la inflación cósmica ha separado significativamente estos objetos arrastrados por la expansión. Estos objetos podrían estar ahora a decenas de miles de millones de años luz de nosotros.
Por tanto, es posible que las galaxias en nuestro universo observable representan sólo una pequeña fracción de las galaxias en el universo real. Lo que podemos decir es que el universo real es sin duda mucho mayor de 13,8 mil millones de años luz.
En resumen, el universo ha emitido señales que han podido llegar hasta nosotros, es la luz de los objetos que vemos hoy, así como las señales que podrían llegar hasta nosotros, es la luz de los objetos que no vemos hasta ahora, pero ya veremos porque nuestro horizonte se alejar de 1 año de distancia a cada año, y, finalmente, el universo también ha emitido señales de que nunca podrán llegar hasta nosotros, porque ellos pertenecen a zonas inaccesibles alejándose más rápido que la velocidad de la luz. En la práctica, las señales más lejanas que recibimos provienen del fondo cósmico de microondas.

Imagen: el universo visible puede cortarse en rodajas observables. Cortando una rodaja de universo situada a 5 mil millones de años luz de nosotros, vemos todos los objetos cuya luz se escapó hay 5 Ga. Cortando una rodaja de universo a 10 mil millones de años luz, vemos todos los objetos cuya luz se escapó hay 10 Ga. Por contra, en una rodaja de universo situada a 15 mil millones de años luz de distancia, no vemos nada, más que negro porque todos los objetos cuya la luz se escapó hay 15 Ga se encuentran detrás del horizonte y por desgracia para la mayoría de ellos, nunca serán visibles. Las luces más antiguas que vemos datan de 13.8 Ga. En 1.2 Ga veremos esas que se escaparon hay 15 Ga. El universo visible crece de un año, todos los años. Sin embargo, el universo continúa extenderse, y algunos objetos nunca serán visibles a medida que se alejan de nosotros más rápido que la velocidad de la luz. Crédito : astronoo.com

El universo real

El universo observable es un concepto teórico dinámico, crece y cada observador ve en el tiempo, entrar las galaxias en su campo de visión. Sin embargo, para nosotros los terrícolas, muchas galaxias permanecen para siempre más allá de nuestro universo observable.
Aunque la sensibilidad de nuestros instrumentos aumenta rápidamente con la tecnología, la luz de objetos distantes disminuye. Más las galaxias que veremos, serán lejanas (15, 20, 30 mil millones de años luz), más sus luces serán desplazadas hacia el rojo, de modo que exigirán una sensibilidad cada vez mayor de los instrumentos para detectarlas. En un momento dado su luz será sólo un ruido, más bajo que el ruido de fondo del universo, el fondo cósmico de microondas (CMB).
Las regiones del espacio más allá de nuestro universo observable son las regiones que ya estaban fuera de nuestro volumen de Hubble cuando sus estrellas han surgido y comenzaron a emitir luz. La luz de estas áreas nunca podrá nos alcanzar.
La gran mayoría del universo es, probablemente, más allá del universo observable. Nadie sabe exactamente cuál es su tamaño.

La edad del universo observable se estima en unos 13,8 mil millones de años por lo tanto, la luz emitida por un objeto no puede haber viajado más de 13.8 Ga. Pero desde 13,8 Ga, los objetos que vemos como estaban a la época, se han alejado y ahora están considerablemente lejos (inflación).
Pero ¿hasta dónde están actualmente los objetos más distantes de los que obtenemos la luz?
Según el modelo de universo que adoptamos y la tasa de expansión del espacio (constante de Hubble), podemos deducir la distancia.
En el cuadro del modelo estándar de la cosmología, el radio del universo en su conjunto es de unos 45 mil millones de años luz.

Video : Representación posible dinámica de los universos observables en el universo en su conjunto. El universo observable contiene galaxias cuya la luz ha tenido el tiempo de llegar a la Tierra desde el comienzo de la expansión cosmológica. El universo observable es un volumen esférico centrado en el observador. Cada lugar en el universo tiene su propio universo observable, que puede o no coincidir con el centrado en la Tierra. El universo es dinámico, todos los objetos están en movimiento.
Video realizado por : Rémi Monedi para Astronoo

¿Es el universo observable muy grande?

Medimos-lo en comparación con nuestra galaxia, la Vía Láctea. Una galaxia es una estructura gravitacional y por lo tanto todos los objetos dentro de su área gravitacional le pertenecen.
Vemos que hay aquí una falta de definición en la noción del tamaño de una galaxia, porque su límite se termina donde comienzan las de las galaxias vecinas, es el mismo para un sistema de estrellas, un un cúmulo de galaxias, un supercúmulos y por lo tanto todo el universo.
Sin embargo damos no obstante un tamaño aproximado a nuestra galaxia, decimos 130 000 años luz de diámetro.
El universo visible es : 13 x 10⁹ / 13 x 10⁴ = 10⁵ es decir 100 000 veces más grande que la Vía Láctea. La relación entre los diámetros del universo visible y la Vía Láctea no es muy grande, porque 100 000 es un número en una escala humana.
Es fácil imaginar el número 100 000, se sabe que representan 100 mil personas, es una pequeña ciudad, una fila de 100 000 personas lado a lado hace sólo ≈100 km.

Tabla : equivalencias entre las unidades de distancia.

N.B.: Un viajero inmóvil viaja en el tiempo (envejece) y no en el espacio, sino un viajero que se mueve, viaja en el espacio y en el tiempo, pero si viaja en el espacio a la velocidad de la luz, no se puede mover en el tiempo (no envejece). Un fotón viaja a la velocidad de la luz y y para él, el tiempo no fluye, la luz no envejece. Los primeros fotones en el Universo todavía están allí.

Imagen: La primera luz del universo observable vista por la misión Planck (marzo de 2013). Esta imagen muestra las señales más distantes que recibimos. Los falsos colores, del rojo (regiones calientes) al azul (regiones frías) representan las fluctuaciones de temperatura del fondo cósmico de microondas. Crédito Imagen: colaboración ESA Planck.