¿Cuál es la forma física y geométrica del universo?

No estoy preguntando acerca de la bola teórica, la silla de montar, la superficie plana, que es solo una metáfora con el espacio 2D.

Es difícil decirlo, ya que vemos muy poco, y los vemos en el pasado porque la luz viaja por mucho tiempo. Pero lo que sí sabemos es que se está inflando (no explota como se podría decir con el nombre "big bang").

¿Cómo se vería el universo, si lo congelamos en un momento, es probable que sea una pelota, una pelota de rugby, un cono o una especie de forma irregular?

¿Está lleno de galaxias, polvo, agujeros negros, o vive en los bordes de su forma 3D, y la parte central está "vacía"?

¿Tiene un agujero negro gigante o una estrella en el medio alrededor del cual gira todo?

universe

— Ska
fuente

Esta pregunta es confusa, porque depende de alguna noción privada de "forma geométrica" que no se aclara. La forma geométrica del universo en cualquier momento del tiempo cosmológico es plana , y eso no es "solo una metáfora con espacio 2D". O más bien, la parte que vemos es bastante plana, por lo que si se supone alguna versión del principio copernicano , entonces tiene la forma de Euclidiana estándar

3

$3$ -espacio. Si no se supone, no se puede dar respuesta a la forma geométrica a gran escala.

— Stan Liou

Bien, si tiene la forma de "3 espacios euclidianos estándar", ¿qué tipo de forma tendría?

— Ska

Bueno, de hecho es plano, lo que significa que se puede usar geometría euclidiana. Dado que la luz viaja a un ritmo finito y el universo no es infinitamente viejo, nuestra 'burbuja' de cosas observables dentro del universo tendría la forma de una esfera centrada en nosotros. Sin embargo, el centro de la esfera cambiaría si decidiera mudarse a una parte diferente del universo. ¿Es el universo infinito? Esto no se sabe, ya que no podemos ver pasado nuestro horizonte de observación.

— astromax

.. Tampoco podemos viajar lo suficientemente lejos como para probar esto, debo agregar.

— astromax

Posible duplicado de ¿Qué hay en el centro del universo?

— James K

Respuestas:

La misión de Planck ha investigado la geometría general y la topología del universo. Algunos resultados se describen en este documento . Los resultados finales aún no están disponibles.

Un experto:

Hemos calculado la probabilidad bayesiana de modelos topológicos específicos en universos con geometrías localmente planas, hiperbólicas y esféricas, todo lo cual no encuentra evidencia de una topología de conexión múltiple con un dominio fundamental dentro de la última superficie de dispersión. Después de la calibración en las simulaciones, las búsquedas directas de círculos coincidentes resultantes de la intersección del dominio topológico fundamental con la superficie de la última dispersión también dan un resultado nulo con alta confianza ... La medición futura de Planck de la polarización CMB nos permitirá probar más modelos de Las geometrías anisotrópicas y las topologías no triviales pueden proporcionar conclusiones más definitivas, por ejemplo, permitiéndonos extender moderadamente la sensibilidad a la topología a gran escala.

La cantidad de anisotropía del universo se deducirá del fondo cósmico de microondas (CMB).

Fondo cósmico de microondas, según se infiere de los datos de Planck, Crédito de la imagen: Agencia Espacial Europea, Colaboración Planck

Crédito de la imagen: Agencia Espacial Europea, Colaboración Planck

Aquí se pueden encontrar imágenes más resueltas del CMB

El universo es aproximadamente un espacio-tiempo de 4 dimensiones con el big bang como singularidad. No tiene bordes en el espacio 3d cuando viaja. Cuando miras hacia el pasado, la frontera, si te gusta llamarlo así, es la gran explosión. El Big Bang nos parece en la Tierra como estar a una distancia de 13.81 mil millones (13.81e9) años luz en cualquier dirección. O estar 13.81 mil millones de años en el pasado como la luz necesitaba ese tiempo para viajar a nosotros. Pero no podemos viajar a ese límite, porque el universo se expande más rápido de lo que nosotros (o la luz) podemos viajar. Tuvimos que viajar al pasado o más rápido que la luz para llegar allí, sin importar en qué dirección espacial.

No hay un agujero negro en el centro del universo, sino el Big Bang, si quieres llamarlo el centro de un espacio-tiempo 4-d.

El universo, cuando se mira a una edad fija de unos 13.81 mil millones de años, se llena casi homogéneamente de galaxias a gran escala. Las galaxias locales se agrupan en cúmulos y supercúmulos. Los supercúmulos forman una especie de red 3d. Pero no hay regiones totalmente vacías. Siempre hay algo de gas o polvo o plasma o rayos cósmicos, neutrinos, etc.

Si pudieras detener la expansión del universo en un momento cósmico dado , te verías en cualquier dirección en aproximadamente la misma distancia y aproximadamente en el mismo pasado. (Dicha estructura se llama una esfera 3. La superficie de una bola 4 es un ejemplo de una esfera 3. Este video de YouTube intenta visualizar una esfera 3 giratoria).

Debido a la rápida expansión del espacio-tiempo, la luz no puede viajar lo suficientemente rápido alrededor del universo para hacer esto posible. Por lo tanto, en el mejor de los casos, podemos mirar hacia atrás al Big Bang, sin importar en qué dirección miremos. La luz necesita más tiempo para viajar alrededor del universo, ya que el universo existe después del Big Bang.

— Gerald
fuente

Ok, para simplificar al punto más bajo que pueda imaginar. Universo inflado al tamaño de aproximadamente un sistema solar al final del período inflacionario, en algún lugar entre 10 y 32 segundos. ¿Era más un disco o una forma de bola entonces, o algo más?

— Ska

Algo más: más o menos parecido a la superficie tridimensional de la esfera de 4 dimensiones, pero no del todo simétrica. La forma precisa no se conoce exactamente, pero probablemente no esté demasiado distorsionada, como un toro, un cubo o un dodecaedro. Esto todavía está bajo investigación; Se esperan resultados más precisos dentro de unos años, cuando se analice la polarización del CMB.

— Gerald

"Ni la búsqueda de círculos en el cielo ni el método de probabilidad encuentran evidencia de una topología con múltiples conexiones" del artículo de Planck, sección 6.1 significa que no es un objeto toro o más complejo con agujeros.

— Gerald

Explicación de espacios simplemente conectados: en.wikipedia.org/wiki/Simply_connected_space .

— Gerald

... debería haber comenzado; la versión americana todavía funciona para mí: youtube.com/embed/6cpTEPT5i0A?list=PL3C690048E1531DC7

— Gerald

Ok, tal vez tengas algunas ideas falsas.

El universo no tiene centro en absoluto. Se ve igual desde un punto de vista, a donde quiera que mire. Es aproximadamente como sigue:

Filamentos de densidad

Esta imagen representa un cuadro de gran escala en nuestro universo en el tiempo actual (no en el tiempo percibido, según la luz recibida). Por supuesto, es solo una simulación por computadora. Cada punto representa un cúmulo de galaxias.

Por lo tanto, debe imaginar un espacio tridimensional infinito lleno de estructuras similares a filamentos como estas. E infinito significa que no tiene límites, por lo que no tiene forma "externa". No hay pelota, pelota de rugby ni cono allí. Tampoco forma externa irregular, solo infinita. Cualquiera de estas formas tiene un límite 2D en un espacio 3D, pero el universo no tiene límite.

— Envidia
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¿De dónde es esta simulación y en qué lugar sería aproximadamente una Vía Láctea? A partir de este modelo, se parece mucho a una forma de cubo, no infinita en absoluto, al menos en este momento. Tal vez pueda considerarse infinito en función de la velocidad de inflación: curioso.astro.cornell.edu/question.php?number=575 , pero en cualquier punto dado no lo es. Y aunque desde el exterior no hay espacio-tiempo, así que no hay forma , todavía "sabemos" que las galaxias se unen, no importa cuán grandes, se unen en un cierto patrón, formando una cierta "forma".

— Ska

Ser infinito no implica no tener límite (al menos no por sí mismo). @Ska: si estabas buscando la distribución de galaxias, deberías haberlo pedido directamente.

— Stan Liou

Por cierto, este cuadro en el que la gente usa para ejecutar simulaciones es periódico (las partículas que salen de un lado aparecen en el otro). @Ska El hecho de que hayan elegido un cubo para representar una parte del universo del que les importa aprender es irrelevante. Además, que el universo es "infinito" no es algo que nadie pueda probar. La expansión del espacio-tiempo parece ocurrir en todas partes, pero eso no significa que el universo sea infinito.

— astromax

@Ska: su suposición es errónea; el espacio no tiene y nunca tuvo un límite en ningún modelo cosmológico consistente con lo que sabemos de la gravedad (la advertencia es que nuestro conocimiento de la gravedad en el universo primitivo es completamente incierto). Sin embargo, había (y hay) un horizonte que define el límite de observación posible, como dijo astromax anteriormente. Pero no hay nada físicamente especial allí; Cada punto en el espacio tiene su propio horizonte.

— Stan Liou

@Ska: Sí, un piso

3

$3$ -torus es una geometría posible, pero la geometría no tiene que ser "repetitiva" en el sentido de envolverse sobre sí misma. No tiene que ser un toro. Más allá del horizonte podría haber un espacio euclidiano en lugar de un toro plano. O podría haber unicornios rosados. O algo más. El punto del horizonte es que no sabemos qué hay más allá. (Pero si se supone que el universo es globalmente isotrópico, entonces no puede ser un toro).

— Stan Liou