Tamanho e idade do Universo

O que é o tamanho do universo?

Por trás desta questão simples, escondem conceitos extremamente complexos, e talvez até mesmo à redefinir.
O universo ou universum é o "tudo" em latim. As questões relativas ao "tudo" são tantas da ordem metafísica que científica, então é possível que não existe uma resposta para esta pergunta simples.
O universo contém, por definição, tudo o que existe, a matéria com o seu espaço-tempo, por isso não tem "borda". A existência de uma borda implica que para além deste limite (borda), nós não estaríamos no Universo. O universo não é num espaço, contém material e que está na vizinhança do material de que existe o espaço. O espaço e tempo absolutos independentemente do resto, não existem.
Assim, não sabemos se o universo é finito ou infinito, único ou múltiplo, eterno ou velho. Muitos concorrentes teorias científicas que aguardam validação ou invalidação que virá das observações. Mas, novamente como se pode observar algo infinito ou eterno?
No entanto, as teorias sobre as quais podemos contar é a relatividade geral, a mecânica quântica e teoria quântica de campos, como muitas observações astronômicas com base nestas teorias, permitem escrever uma pequena parte da história do universo, o mais recente ocorrendo diante dos nossos olhos e que começou há 13,8 bilhões anos.
Estamos acostumados a ler na maioria dos artigos, que o universo é 13,8 bilhões de anos de idade, mas devemos entender que o autor fala do universo observável ou do horizonte cosmológico ou da última superfície de espalhamento ou do raio Hubble. Estas noções de distâncias, próximos uns dos outros, pode ser confundidas como o contexto, mas eles nunca dão uma idade ou um tamanho do universo em sua totalidade, precisamente pelas razões já citadas.
Mas o espírito humano necessita de representar as coisas, assim como podemos, ainda assim, obter uma imagem tranquilizadora do universo como um todo?
No momento do Big Bang, o plasma primordial, privava, os fótons de liberdade, eles foram emitidos e imediatamente reabsorvidos pela matéria que estava a uma temperatura de vários milhões de graus. Mas o universo continuou a expandir-se e esfriar-se muito rapidamente. Em seguida, 380 mil anos após o Big Bang, os fótons têm quebrado o plasma, a luz escapou e o Universo, tão opaco, tornou-se "visível". Este momento marca a última superfície de espalhamento que é a região do espaço a partir do qual foi emitida últimos fótons, aqueles que não foram reabsorvidos pela matéria. Assim, o mais antigo radiação eletromagnética do universo está fora desta última superfície de espalhamento, é a radiação cósmica de fundo que se observa hoje em todo o nosso universo.
Lembre-se que o universo observável é o universo em que vemos as estrelas e as galáxias, e há um limite atual para a observação.

Devido à velocidade da luz, que é limitada a de 300 000 km/s, nosso horizonte cosmológico está localizado na borda do universo observável, nenhum sinal pode ser recebido a partir da além, por causa da natureza finita da velocidade da luz. Este horizonte cosmológico nós oculta então todos os objetos além 13,8 bilhões de anos-luz. Em outras palavras, o universo real não está mais conectado a nós, porque a maior distância que podemos ver é 13,8 bilhões de anos-luz.
No entanto, esta distância não é o limite físico do universo, que é o raio do universo observável que se ocupa um volume terminado no tempo e no espaço. Seu volume V = 4/3πR³ é já considerável.
Uma outra complicação é adicionado à noção de tamanho do universo.
O universo é um objeto físico dinâmico em movimento, impulsionado pela gravidade, mas também pelo que os cientistas chamam inflação cósmica, ou seja, a expansão do espaço-tempo. O universo teria começado como uma grande "explosão" que criou o material com o espaço e tudo o que contém. O "tudo" está agora em expansão permanente de ≈67.8 km/s/Mpc.
Nesta expansão do universo, as galáxias estão se afastando umas das outras em relação a uma estrutura espacial de referência, mas que é estrutura espacial que incha. Isto provoca uma série de efeitos, incluindo uma que permite que dois objectos muito distantes para ter uma velocidade de recessão, em relação ao outro, muito mais elevada do que a velocidade da luz. Esses objetos "nunca viram-se" e não viola o princípio que diz que nenhum objeto não pode exceder a velocidade da luz, uma vez que é o espaço entre os objetos que cresce. O espaço-tempo é um assunto que não sabemos a natureza.
Além disso, se a luz dos objetos mais distantes que observamos, viajou por 13,8 bilhões de anos para chegar até nós, que não nos diz quão real distância estão atualmente estes objetos, pois uma vez que este evento, ocorreram 13,8 bilhões anos. É razoável de imaginar que a inflação cósmica tem significativamente afastado estes objectos impelidos pela expansão. Estes objetos podem poderiam agora estar das dezenas de milhares de milhões de anos-luz de nós.
Portanto, é possível que as galáxias em nosso universo observável representam apenas uma pequena fração das galáxias no Universo real. O que podemos dizer é que o mundo real é certamente muito maior do que os 13,8 bilhões de anos-luz.
Em resumo, o universo tenha emitido sinais que podem ser recebidos, é a luz dos objectos que vemos hoje, assim como sinais que poderão ser recebidos, é a luz dos objectos que nós não vemos ainda, mas que veremos, porque nosso horizonte afasta-se de um ano de distância a cada ano, e, finalmente, o universo também emitiu sinais de que nunca poderão nós alcançar, porque eles pertencem a áreas inacessíveis que se afastando mais rápido que a velocidade da luz. Na prática, os sinais mais distantes que recebemos vêm da radiação cósmica de fundo.

Imagem: o universo visível pode ser cortado em fatias observáveis. Cortando uma fatia de universo situado a 5 bilhões de anos-luz de nós, vemos todos os objetos cuja luz partiu há 5 Ga. Cortando uma fatia de universo localizado a 10 bilhões de anos-luz de distância, vemos todos os objetos cuja luz partiu há 10 Ga. Por contras em um universo fatia localizado a 15 bilhões de anos-luz de distância, vemos nada além de preto, porque todos os objetos cuja luz faz partiu há 15 Ga estão por trás do horizonte e, infelizmente, para a maioria deles, eles nunca serão visíveis. As luces mais antigas que vemos datam de 13,8 Ga. Em 1,2 Ga veremos as que partiram há 15 Ga. O universo visível cresce de um ano, todos os anos. No entanto o universo continua a expandir-se, e alguns objetos nunca serão visíveis como eles se afastam de nós mais rápido do que a velocidade da luz.
Crédito: astronoo.com

O universo real

O universo observável é um conceito teórico dinâmico, que cresce e cada observador vê no tempo, entrar as galáxias em seu campo de visão. No entanto, para nós, terráqueos, muitas galáxias permanecerão para sempre fora do nosso universo observável.
Embora a sensibilidade de nossos instrumentos aumenta rapidamente com a tecnologia, a luz de objetos distantes diminui. Mais as galáxias que veremos, serão muito distantes (15, 20, 30 bilhões de anos-luz) mais sua luz seráé redshifted de modo que eles vão exigir uma sensibilidade cada vez maior de instrumentos para as detectar. Em um certo ponto, sua luz será somente um ruído, mais baixo do que o ruído de fundo do universo, a radiação cósmica de fundo (CMB).
As regiões do espaço além do nosso universo observável são as regiões que já estavam fora do nosso volume de Hubble quando suas estrelas surgiram e começaram a emitir luz. A luz destas áreas nunca vai chegar até nós.
A grande maioria do universo é, provavelmente, para além do universo observável. Ninguém sabe exatamente o que é seu tamanho.

A idade do universo observável é estimado em cerca de 13,8 bilhões anos, em consequência a luz de um objeto não pode ter viajado mais de 13,8 Ga. Mas já que 13,8 Ga, os objetos que vemos como eram na época, afastou-se e são agora significativamente muito distantes (inflação).
Mas até que distância estão atualmente os objetos mais distantes, cujo recebemos a luz?
Dependendo do modelo de universo que adotamos e taxa de expansão do espaço (constante de Hubble), podemos deduzir a distância.
No âmbito do modelo padrão da cosmologia o raio do universo como um todo é de cerca de 45 bilhões de anos-luz.

Video : Representação possível dos universos observáveis dinâmicos no universo como um todo. O universo observável contém as galáxias cuja luz teve tempo para chegar à Terra, desde o início da expansão cosmológica. O universo observável é um volume esférico centrado no observador. Cada lugar no universo tem seu próprio universo observável, que pode ou não coincidir com o centrado em a Terra. O universo é dinâmico, todos os objetos estão em movimento. Vídeo feita por: Rémi Monedi para Astronoo

É o universo observável realmente grande?

Medimos-lo comparado a nossa galáxia, a Via Láctea. Uma galáxia é uma estrutura gravitacional e, portanto, todos os objetos dentro de sua área gravitacional lhe pertencem.
Vemos que há aqui um borrão na noção de tamanho para uma galáxia porque sua fronteira pára onde aqueles de galáxias vizinhas começam, é o mesmo para um sistema de estrelas por um aglomerado de galáxias, para superaglomerados e, assim, todo o universo.
No entanto damos um tamanho aproximado à nossa galáxia, dizemos 130 000 anos-luz de diâmetro.
O universo visível é: 13 x 10⁹ / 13 x 10⁴ = 10⁵ que é 100 mil vezes maior do que a Via Láctea. A relação entre os diâmetros do universo visível e da Via Láctea não é muito grande, porque 100 000 é um número em uma escala humana.
Pode-se facilmente imaginar o número 100000, sabe-se que representam 100 mil pessoas, é uma cidade pequena, uma fileira de 100000 pessoas lado a lado faz só ≈100 km.

Tabela: as equivalências entre as unidades distância.

N.B.: Um viajante estacionária viaja no tempo (ele envelhece) e não no espaço, mas um viajante que se desloca, viaja no espaço e no tempo, mas se ele viaja no espaço à velocidade da luz, não pode mover-se no tempo (não envelhece). Um fóton viaja à velocidade da luz, e para ele o tempo não caminha, a luz não envelhece. Os primeiros fótons no Universo ainda estão lá.

Imagem: A primeira luz do universo observável visto pela missão Planck (Março de 2013). Esta imagem mostra os sinais mais distantes que recebemos. As falsas cores, do vermelho (regiões quentes) ao azul (áreas frias) representam as flutuações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Crédito imagem: ESA colaboração Planck.