Por que o Universo observável é maior do que sua idade sugere?

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A idade do Universo é estimada em 13,8 bilhões de anos, e a teoria atual afirma que nada pode exceder a velocidade da luz, o que pode levar à conclusão incorreta de que o universo não pode ter um raio de mais de 13,8 bilhões de anos-luz.

A Wikipedia lida com esse equívoco da seguinte maneira:

Esse raciocínio só faria sentido se a concepção estática e plana do espaço-tempo de Minkowski sob relatividade especial estivesse correta. No universo real, o espaço - tempo é curvado de uma maneira que corresponde à expansão do espaço , como evidenciado pela lei de Hubble . As distâncias obtidas como a velocidade da luz multiplicada por um intervalo de tempo cosmológico não têm significado físico direto. → Ned Wright, "Por que a distância do tempo de viagem leve não deve ser usada em Press Releases"

Isso não esclarece o assunto para mim e, como não tenho formação em ciências ou matemática além do ensino médio, ler mais sobre a lei de Hubble também não ajuda muito.

Explicação que eu vi ofertas explicação Um leigo que o próprio Universo não está vinculado às mesmas leis que as coisas dentro dele. Isso faria sentido - na medida em que essas coisas possam -, mas a citação acima ( "Distâncias obtidas como a velocidade da luz multiplicada por um intervalo de tempo cosmológico não tem significado físico direto" ) parece mais geral do que isso.

Alguém pode oferecer (ou me indicar) uma explicação para um bom leigo?

— GDav
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você pode querer olhar para os comentários nesta pergunta? astronomy.stackexchange.com/q/2150/1227

— chris

Uma duplicata desta pergunta: como o universo pode se expandir mais rápido que a velocidade da luz?

— Farhan

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A explicação mais fácil de por que a distância máxima que se pode ver não é simplesmente o produto da velocidade da luz com a idade do universo é porque o universo é não estático.

Coisas diferentes (isto é, matéria versus energia escura) têm efeitos diferentes nas coordenadas do universo, e sua influência pode mudar com o tempo.

Um bom ponto de partida em tudo isso é analisar o parâmetro Hubble, que nos fornece a constante do Hubble em qualquer ponto do passado ou do futuro, uma vez que podemos medir do que o universo é feito atualmente :

onde os subscritos,,eonreferem aos parâmetros de densidade da matéria (escura e bariônica), radiação (fótons e outras partículas relativísticas), curvatura (isso só entra em jogo se o universo globalmente se desvia de ser espacialmente plano; as evidências indicam que ele é consistente com o plano) e, finalmente, a energia escura (que, como você notará, permanece umaconstante,independentemente de como a dinâmica do universo se desenrola). Devo também salientar que anotaçãosubscrita significa como medidahoje.

H (a) = H_{0} \sqrt{\frac{Ω_{m, 0}}{a^{3}} + \frac{Ω_{γ, 0}}{a^{4}} + \frac{Ω_{k, 0}}{a^{2}} + Ω_{Λ, 0}}

$H(a) = H_{0} \sqrt{\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}} + \frac{\Omega_{k,0}}{a^{2}} + \Omega_{\Lambda,0}}$

m

$m$

γ

$\gamma$

k

$k$

Λ

$\Lambda$

Ω

$\Omega$

0

$0$

$a$ $a$ $2^{3}$ $a^{3}$ $a$ $a^{4}$

Como diferentes componentes agem de maneira diferente à medida que as coordenadas do universo mudam, há eras correspondentes na história do universo em que cada componente domina a dinâmica geral. É muito simples descobrir também. No fator de pequena escala (muito cedo), o componente mais importante era a radiação. O parâmetro Hubble no início pode ser muito próximo da seguinte expressão:

H (a) = H_{0} \frac{\sqrt{Ω_{γ, 0}}}{a^{2}}

$H(a) = H_{0} \frac{\sqrt{\Omega_{\gamma,0}}}{a^{2}}$

Em torno de:

\frac{Ω_{m, 0}}{a^{3}} = \frac{Ω_{γ, 0}}{a^{4}}

$\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}}$

a = \frac{Ω_{γ, 0}}{Ω_{m, 0}}

$a = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{\Omega_{m,0}}$

Veja bem, seria um pouco mais complicado encontrar a distância do horizonte cosmológico do que apenas multiplicar a velocidade da luz pela idade do universo. De fato, se você gostaria de encontrar essa distância (formalmente conhecida como distância de deslocamento até o horizonte cósmico), teria que executar a seguinte integral:

D_{h} = \frac{c}{H_{0}} \int_{0}^{z_{e}} \frac{d z}{\sqrt{Ω_{m, 0} (1 + z)^{3} + Ω_{Λ}}}

$D_{h} = \frac{c}{H_{0}} \int_{0}^{z_{e}} \frac{\mathrm{d}z}{\sqrt{\Omega_{m,0}(1+z)^{3} + \Omega_{\Lambda}}}$

$z_{e}$ $\sim 1100$

— astromax
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1

Obrigado por uma resposta tão detalhada e considerada. Você pode ter esquecido o elemento "leigo" da questão - pelo menos, a matemática percorre um longo caminho em minha cabeça -, mas compreendo que provavelmente haja um limite para o quanto um leigo pode entender sobre essas coisas.

— GDav #

Hmm - minhas desculpas. Eu pensei que isso seria um pedaço digerível de cosmologia. O ponto real que eu queria enfatizar é que é um produto integral e não simples entre a era do universo e a velocidade da luz. Como coisas diferentes agem de maneira diferente com a expansão, você obtém "fases" pelas quais o universo passa. A taxa de expansão muda dependendo da fase em que está. Sinta-se à vontade para continuar postando perguntas - eu (e outras) ficaria feliz em tentar tornar as coisas o mais compreensíveis possível.

— astromax

@astromax +1 para as fórmulas bonitas.

— iMerchant 07/02

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Em resumo: as coisas não podem se mover mais rapidamente que a luz por si mesmas, mas podem se mover mais rápido que a luz devido à expansão universal. Quanto mais longe, mais rápido eles vão embora.

— Envite
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4

Eu estava pensando sobre isso e aqui está a explicação do meu leigo. Imagine que você está traçando dois pontos em um pedaço de papel amassado, os pontos estão se movendo, mas à medida que se movem, o papel fica "amassado", a distância real entre os pontos será maior que a soma das distâncias que eles têm viajei.

— Hany
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2

A explicação completamente não científica ...

Imagine o universo como um balão. Dois corpos começam próximos um do outro, mas em superfícies opostas. A expansão do balão os afasta a uma velocidade igual e a uma velocidade que a luz de um deles no ponto de partida leva quase toda a história do universo para alcançar o outro. A distância entre os dois AGORA não é duas vezes a idade do universo - porque você não pode viajar "através" do balão - mas deve percorrer a superfície do balão ... 13,8 * PI bilhões de anos-luz = 43 bilhões de anos-luz.

Não é estritamente correto, mas pelo menos evita muita preocupação com astrofísica e cosmologia!

— marca
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π

$\pi$