El universo muestra patrones intrincados de agrupamiento que nunca se repiten. Pero desde nuestra perspectiva, solo podemos ver un volumen finito del Universo. ¿Qué hay más allá de este límite? V. Springel et al., MPA Garching, y la Simulación del Milenio

Hace 13,8 mil millones de años, el Universo tal como lo conocemos comenzó con el Big Bang caliente. Durante ese tiempo, el espacio mismo se ha expandido, la materia ha sufrido atracción gravitacional, y el resultado es el Universo que vemos hoy. Pero por muy vasto que sea, hay un límite a lo que podemos ver. Más allá de cierta distancia, las galaxias desaparecen, las estrellas brillan y no se pueden ver señales del Universo distante. ¿Qué hay más allá de eso? Esa es la pregunta de esta semana de Dan Newman, que pregunta:

Si el universo es finito en volumen, ¿hay un límite? ¿Es accesible? ¿Y cuál podría ser la vista en esa dirección?

Comencemos por comenzar en nuestra ubicación actual y mirar lo más lejos que podamos.

muy parecido al nuestro. Pero a medida que miramos más lejos, vemos el Universo como era en el pasado lejano: menos estructurado, más caliente, más joven y menos evolucionado. NASA, ESA y A. Feild (STScI)

En nuestro propio patio trasero, el Universo está lleno de estrellas. Pero si te vas a más de 100.000 años luz de distancia, habrás dejado atrás la Vía Láctea. Más allá de eso, hay un mar de galaxias: quizás dos billones en total contenidos en nuestro Universo observable. Vienen en una gran diversidad de tipos, formas, tamaños y masas. Pero a medida que miras hacia atrás a los más distantes, empiezas a encontrar algo inusual: cuanto más lejos está una galaxia, más probable es que sea más pequeña, de menor masa y que sus estrellas tengan un color intrínsecamente más azul que las cercanas.

en la historia del Universo: más pequeño, más azul, más joven y menos evolucionado en tiempos anteriores. NASA, ESA, P. van Dokkum (Universidad de Yale), S. Patel (Universidad de Leiden), y el equipo 3D-HST

Esto tiene sentido en el contexto de un Universo que tuvo un comienzo: un cumpleaños. Eso fue el Big Bang, el día en que nació el Universo tal como lo conocemos. Para una galaxia que está relativamente cerca, tiene casi la misma edad que nosotros. Pero cuando miramos una galaxia que está a miles de millones de años luz de distancia, esa luz ha necesitado viajar durante miles de millones de años para llegar a nuestros ojos. Una galaxia cuya luz tarda 13 mil millones de años en alcanzarnos debe tener menos de mil millones de años, así que cuanto más lejos miramos, básicamente estamos mirando hacia atrás en el tiempo.

Campo profundo extremo; la mejor imagen jamás lanzada del Universo distante. NASA, ESA, H. Teplitz y M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Universidad Estatal de Arizona), y Z. Levay (STScI)

La imagen de arriba es el Campo Profundo Extremo del Hubble (XDF), la imagen más profunda del Universo distante jamás tomada. Hay miles de galaxias en esta imagen, a una gran variedad de distancias entre nosotros y entre nosotros. Lo que no se puede ver en un color simple, sin embargo, es que cada galaxia tiene un espectro asociado con ella, donde las nubes de gas absorben luz en longitudes de onda muy particulares, basadas en la física simple del átomo. A medida que el Universo se expande, esa longitud de onda se estira, por lo que las galaxias más distantes parecen más rojas de lo que lo harían de otra manera. Esa física nos permite inferir su distancia, y he aquí, cuando les asignamos distancias, las galaxias más lejanas son las más jóvenes y las más pequeñas de todas.

Más allá de las galaxias, esperamos que haya las primeras estrellas, y luego nada más que gas neutro, cuando el Universo aún no había tenido tiempo suficiente para atraer materia a estados lo suficientemente densos como para formar una estrella. Retrocediendo millones de años más, la radiación en el Universo era tan caliente que los átomos neutros no podían formarse, lo que significa que los fotones rebotaban de partículas cargadas continuamente. Cuando se formaron átomos neutros, esa luz simplemente fluiría en línea recta para siempre, sin verse afectada por nada más que la expansión del Universo. El descubrimiento de este resplandor sobrante — el Fondo Cósmico de Microondas — hace más de 50 años fue la confirmación definitiva del Big Bang.

reionización de resaltado. Antes de que se formaran estrellas o galaxias, el Universo estaba lleno de átomos neutrales que bloqueaban la luz. Mientras que la mayor parte del Universo no se reioniza hasta 550 millones de años después, algunas regiones afortunadas se reionizan en su mayoría en épocas anteriores. Crédito: S. G. Djorgovski et al., Centro de Medios Digitales de Caltech

Así que desde donde estamos hoy, podemos mirar en cualquier dirección que queramos y ver cómo se desarrolla la misma historia cósmica. Hoy, 13,8 mil millones de años después del Big Bang, tenemos las estrellas y galaxias que conocemos hoy. Anteriormente, las galaxias eran más pequeñas, más azules, más jóvenes y menos evolucionadas. Antes de eso, había las primeras estrellas, y antes de eso, sólo átomos neutros. Antes de los átomos neutros, había un plasma ionizado, luego incluso antes había protones y neutrones libres, creación espontánea de materia y antimateria, quarks y gluones libres, todas las partículas inestables en el Modelo Estándar, y finalmente el momento del Big Bang en sí. Mirar a distancias cada vez mayores es equivalente a mirar hacia atrás en el tiempo.

universo observable. Las galaxias dan paso a una estructura a gran escala y al plasma caliente y denso del Big Bang en las afueras. Este «borde» es un límite solo en el tiempo. El usuario de Wikipedia Pablo Carlos Budassi

Aunque esto define nuestro Universo observable, con el límite teórico del Big Bang ubicado a 46,1 mil millones de años luz de nuestra posición actual, este no es un límite real en el espacio. En cambio, es simplemente un límite en el tiempo; hay un límite a lo que podemos ver porque la velocidad de la luz permite que la información viaje solo hasta cierto punto durante los 13,8 mil millones de años desde el Big Bang caliente. Esa distancia es más de 13,8 mil millones de años luz porque el tejido del Universo se ha expandido (y continúa expandiéndose), pero todavía es limitado. ¿Pero qué hay de antes del Big Bang? ¿Qué verías si de alguna manera fueras al tiempo solo una pequeña fracción de segundo antes de cuando el Universo estaba en sus energías más altas, caliente y denso, y lleno de materia, antimateria y radiación?

el Universo observable al que tenemos acceso. Las fluctuaciones de la inflación plantaron las semillas que crecieron en la estructura que tenemos hoy. Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modificaciones de E. Siegel

Encontrarías que había un estado llamado inflación cósmica: donde el Universo se expandía ultra rápido, y dominado por la energía inherente al espacio mismo. El espacio se expandió exponencialmente durante este tiempo, donde se estiró plano, donde se le dieron las mismas propiedades en todas partes, donde todas las partículas preexistentes se alejaron y donde las fluctuaciones en los campos cuánticos inherentes al espacio se extendieron a través del Universo. Cuando la inflación terminó donde estamos, el Big Bang caliente llenó el Universo de materia y radiación, dando lugar a la parte del Universo — el Universo observable — que vemos hoy en día. 13.8 mil millones de años después, aquí estamos.

años en todas las direcciones desde nuestro punto de vista, pero ciertamente hay más, Universo inobservable, tal vez incluso una cantidad infinita, al igual que el nuestro más allá de eso. Frédéric MICHEL y Andrew Z. Colvin, anotados por E. Siegel

La cosa es que no hay nada especial en nuestra ubicación, ni en el espacio ni en el tiempo. El hecho de que podamos ver a 46 mil millones de años luz de distancia no hace que ese límite o esa ubicación sea algo especial; simplemente marca el límite de lo que podemos ver. Si de alguna manera pudiéramos tomar una «instantánea» de todo el Universo, yendo mucho más allá de la parte observable, tal como existe 13,8 mil millones de años después del Big Bang en todas partes, todo se vería como lo hace nuestro Universo cercano hoy. Habría una gran red cósmica de galaxias, cúmulos, filamentos y vacíos cósmicos, extendiéndose mucho más allá de la región comparativamente pequeña que podemos ver. Cualquier observador, en cualquier lugar, vería un Universo que era muy parecido al que vemos desde nuestra propia perspectiva.

muestra estrellas y galaxias cercanas que se ven en el camino, pero las galaxias más cercanas a las regiones exteriores simplemente se ven en una etapa más joven y temprana de la evolución. Desde su perspectiva, tienen 13,8 mil millones de años (y están más evolucionados), y aparecemos como lo hicimos hace miles de millones de años. NASA, ESA, the GOODS Team y M. Giavalisco (STScI/Universidad de Massachusetts)

Los detalles individuales serían diferentes, al igual que los detalles de nuestro propio sistema solar, galaxia, grupo local, etc., son diferentes del punto de vista de cualquier otro observador. Pero el Universo en sí no es finito en volumen; es solo la parte observable la que es finita. La razón de eso es que hay un límite en el tiempo, el Big Bang, que nos separa del resto. Podemos acercarnos a ese límite solo a través de telescopios (que miran a épocas anteriores en el Universo) y a través de la teoría. Hasta que averigüemos cómo eludir el flujo hacia adelante del tiempo, ese será nuestro único enfoque para comprender mejor el «borde» del Universo. Pero en el espacio? No hay ninguna ventaja. Por lo mejor que podemos decir, alguien al borde de lo que vemos simplemente nos vería como el borde en su lugar.

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