O Universo observável é, na cosmologia , a parte visível do nosso Universo. É, portanto, uma bola cujo limite está localizado no horizonte cosmológico e da qual a Terra constitui o centro. É, portanto, uma noção relativa, e outros observadores localizados em outras partes do Universo não terão a mesma bola observável (mas seu raio será o mesmo).
Devido ao fato de nosso Universo ter uma idade finita de 13,8 bilhões de anos, a luz dos objetos celestes localizados além do horizonte não teve tempo de nos atingir e, portanto, esses objetos ainda são invisíveis; no entanto, o Universo observável por natureza fica maior com o tempo: o raio do Universo visível é, portanto, um segundo-luz maior a cada segundo ou equivalentemente um ano-luz maior a cada ano, e ainda mais levando em consideração a expansão do Universo .
Os objetos mais distantes do Universo observável são também aqueles que podem ser observados em seu estado mais primordial, mais próximos do Big Bang , porque são aqueles cuja luz demorou mais para chegar ao observador. Eles também são percebidos com um desvio para o vermelho tanto maior quanto mais longe estão.
O Universo observável é definido como qualquer coisa que é observável e mensurável, e a velocidade da luz sendo a velocidade limite , qualquer coisa que está além do horizonte cosmológico não pode ser observada nem pode influenciar o que pode ser observado. O princípio cosmológico , assim designado a partir de Edward A. Milne (1896-1950), afirma que o Universo observável é, em grande escala, homogêneo e isotrópico . O Universo sendo globalmente idêntico em todas as direções, os raios de luz vindos de todas as direções a priori viajam a mesma distância ao mesmo tempo. O universo observável em um determinado momento é, portanto, uma bola da qual o observador é o centro e cujo raio é a distância percorrida por um sinal de luz durante o tempo de existência do universo naquele momento.
Na prática, o universo observável há muito foi reduzido ao universo visível a olho nu . Agora é limitada pela superfície de última difusão que pode ser definida, em uma primeira aproximação, como a região do espaço de onde foi emitida, aproximadamente 380.000 anos após o Big Bang, a radiação eletromagnética observada hoje. Hui, o fundo cosmológico difuso . Sua anisotropia foi mapeada por COBE , WMAP e Planck . O fundo cosmológico dos neutrinos , previsto já em 1953 por Ralph Alpher , James Follin e Robert Herman , não foi detectado. Quanto ao fundo cosmológico das ondas gravitacionais , a sua detecção pela colaboração BICEP2 , anunciada em17 de março de 2014, é contestado. Por outro lado, algumas regiões do universo observável não são visíveis. Essas são as regiões além do horizonte de buracos negros astrofísicos, como buracos negros estelares , resultantes do colapso gravitacional de estrelas massivas, ou buracos negros supermassivos , localizados no centro das galáxias .
O que podemos observar e medir o Universo é uma imagem do Universo, não o Universo real como ele existe no momento em que é observado. Esta imagem é significativamente diferente da real, devido ao fato de que a luz se propaga em velocidade finita e, além disso, em um Universo em expansão , que é acompanhado por alguns efeitos:
Como uma bola de raio finito, o universo observável ocupa um volume finito no tempo e no espaço. Sua finitude resulta do fato de que o Universo tem uma idade finita e a luz viaja através do vácuo a uma velocidade finita . Este volume representa apenas uma fração do Universo como um todo, que é potencialmente infinito se sua curvatura for zero ou negativa. As medições do fundo difuso cósmico mostram que a curvatura espacial do Universo é muito baixa ou zero e sugerem que o universo observável representa apenas 2% do Universo, no máximo.
O raio do universo observável está aumentando continuamente, devido ao fato combinado da expansão do universo e da velocidade da luz. Mas as distâncias aos objetos também aumentam devido à expansão. A taxa de aumento do raio do horizonte cosmológico é
Com a distância do horizonte cosmológico (ou horizonte de partícula , portanto ) ao tempo de olhar para o passado definido pelo redshift , a constante de Hubble neste mesmo tempo, e a velocidade da luz . A fórmula é em função e não de dadas as dificuldades de saber a hora de olhar para o passado em função de .
sendo a velocidade de recessão de objetos localizados no horizonte cosmológico, deduzimos desta fórmula que cada segundo de tempo que passa nos faz descobrir uma nova profundidade do espaço de 300.000 quilômetros além dos objetos que se afastam mais rapidamente, e novos objetos são portanto, entrar constantemente no universo observável para nunca mais deixá-lo. Hoje, os objetos mais distantes estão se movendo a uma velocidade de e o raio do universo observável de , e no final dos tempos os objetos mais distantes se moverão a uma velocidade que tende para o infinito, mas o raio do universo observável irá sempre os supera com velocidade .
Destino do universo |
Mudança para o vermelho |
Hora de olhar para o passado |
Densidade do material |
Densidade de energia |
Raio do universo observável |
Taxa de aumento do raio |
---|---|---|---|---|---|---|
Origem do Universo |
0 | 1 | 0 | 0 | ||
hora agora |
0 | 0,278 | 0,722 | |||
Fim do tempo |
-1 | 0 | 1 |
Seria cientificamente inconsistente ignorar a parte inobservável do Universo sob o pretexto de que não a podemos ver. É toda a força dos modelos teóricos ser capaz de apreender o Universo como um todo enquanto só podemos ver parte dele. Na verdade, por um lado, a posição do observador no Universo não tem nenhuma consequência particular sobre a observação. O princípio de Copérnico , assim designado em homenagem a Nicolau Copérnico (1473-1543) e segundo o qual a Terra não ocupa posição privilegiada no Sistema Solar , foi confirmado e estendido ao Sol , já em 1609 , por Johannes Kepler ( 1571-1630), depois generalizado, a partir de 1697 , por Isaac Newton (1643-1727). O resultado é o princípio da mediocridade , assim designado em homenagem a Alexander Vilenkin , segundo o qual não há ponto de observação privilegiado no universo observável. Por outro lado, o princípio cosmológico , assim designado a partir de Edward A. Milne (1896-1950), que afirma que o Universo observável é, em grande escala, homogêneo e isotrópico , garante que as partes não observadas do Universo estão, no mesmo tempo cósmico , provavelmente semelhante ao universo observado.
Os objetos distantes do universo observável não aparecem como são, no mesmo tempo cósmico que o momento da observação, mas como eram, no momento da emissão de sua luz. Quanto mais distantes os objetos, mais eles são observados em uma época cósmica jovem, e o objeto astronômico mais distante que aparece hoje é o quasar ULAS J1120 + 0641 , que aparece como se fosse 700 milhões de anos depois. Porém, quando tinha as características observadas hoje, não era o objeto observável mais distante de nós hoje, longe disso.
A valorização da idade dos objetos observados em relação ao Big Bang não é uma coisa fácil e constitui a busca pelo tempo de olhar para o passado . Este tempo não é observado diretamente e deve ser deduzido do deslocamento para o vermelho medido diretamente em relação ao deslocamento das linhas espectrais do espectro eletromagnético do objeto observado. A conversão dessa mudança em tempo cosmológico depende do modelo cosmológico usado , bem como do valor de seus parâmetros, que muitas vezes são pouco conhecidos.
Objetos astronômicos observados em grandes redshifts estão, ao mesmo tempo cósmico que a observação, tanto mais distantes quanto maior seu redshift. É a distância até a recepção da luz, que é maior que a velocidade da luz multiplicada pela idade do objeto, dada a expansão do universo. Não podemos saber como esses objetos se parecem neste momento e nesta distância.
Por outro lado, vemos esses objetos como estavam no momento da emissão de sua luz, onde estavam a uma distância mais próxima do observador, é a distância até a emissão . A distância até a emissão aumenta com o redshift para pequenos turnos, passa por um valor máximo e diminui para grandes turnos. Em um universo modelado de acordo com uma métrica FLRW , o desvio para o vermelho limite após o qual a distância até a emissão diminui é z = 5/4 = 1,25, representando uma distância de aproximadamente 5 bilhões de anos. Em outras palavras, não podemos observar objetos que estavam a mais de 5 bilhões de anos-luz de nós, quando eram como aparecem hoje. O fundo difuso cósmico estando em um desvio para o vermelho muito alto, a parte do espaço que gerou esses fótons estava particularmente perto de nós no momento da emissão: cerca de 40 milhões de anos-luz.
A idade do Universo é estimada, em junho de 2014, em aproximadamente 13,8 bilhões de anos [13,798 (± 0,037) x 10 9 anos]. A luz emitida por uma estrela não pode ter viajado mais de 13,8 bilhões de anos. Conseqüentemente, a luz que vem dos objetos mais distantes que podemos detectar, no limite da parte observável de nosso Universo, terá levado 13,8 bilhões de anos para chegar até nós. Durante este tempo, a luz terá viajado 13,8 bilhões de anos-luz e, portanto, este número fixa convenientemente a distância móvel da parte observável de nosso Universo.
É outra questão de quão longe geometricamente estão os objetos dos quais recebemos luz atualmente, 13,8 bilhões de anos depois de tê-la emitido. Para determinar essa distância, é necessário adotar um modelo do universo e conhecer a velocidade de expansão do espaço deduzir a distância a partir da qual o objeto considerado terá se afastado da emissão de fótons . No modelo padrão de cosmologia, a distância atual do horizonte cosmológico é da ordem de 46,5 bilhões de anos-luz. O diâmetro do Universo observável é estimado em cerca de 93 bilhões de anos-luz, ou 8,8 × 10 23 km (8,8 × 10 26 m ), ou 880 bilhões de bilhões de quilômetros.
Portanto, não podemos observar objetos localizados no horizonte cosmológico em sua distância atual. Teoricamente, só podemos observar objetos até a distância do fundo difuso cósmico , 380.000 anos após o Big Bang , quando o Universo havia resfriado o suficiente para permitir que os elétrons se unissem aos núcleos atômicos , o que provocou a interrupção do efeito Compton dos fótons ambientais, portanto permitindo que os fótons sobrevivam por tempo suficiente para chegar à Terra . Porém, seria (teoricamente) possível extrair informações de antes dessa época, graças à detecção de ondas gravitacionais ou neutrinos “fósseis”. Estes ainda não foram detectados, e estamos tentando destacar as ondas gravitacionais do Big Bang, em particular pelo experimento BICEP , mas que não deu resultados conclusivos.
Aqui estão três maneiras de estimar em ordem de magnitude o equivalente, em quantidade de matéria, da energia presente na parte observável de nosso Universo. Eles levam a um número total de átomos da ordem de 10 80 em números redondos.
Até o momento (março de 2016), a galáxia mais distante já observada seria GN-z11 na constelação de Ursa Maior , localizada a 13,4 bilhões de anos-luz de distância, provavelmente formada apenas 400 milhões de anos após o Big Bang.
As outras galáxias mais distantes observadas até hoje seriam: