Perché l'Universo osservabile è più grande di quanto suggerirebbe la sua età?

L'età dell'Universo è stimata in 13,8 miliardi di anni e la teoria attuale afferma che nulla può superare la velocità della luce, il che può portare alla conclusione errata che l'universo non può avere un raggio di oltre 13,8 miliardi di anni luce.

Wikipedia tratta questo malinteso nel modo seguente:

Questo ragionamento avrebbe senso solo se la concezione piatta e statica dello spaziotempo di Minkowski in una relatività speciale fosse corretta. Nel vero Universo, lo spaziotempo è curvato in modo corrispondente all'espansione dello spazio , come evidenziato dalla legge di Hubble . Le distanze ottenute come la velocità della luce moltiplicata per un intervallo di tempo cosmologico non hanno alcun significato fisico diretto. → Ned Wright, "Perché la distanza del tempo di viaggio leggero non deve essere utilizzata nei comunicati stampa"

Ciò non chiarisce la questione per me, e non avendo conoscenze scientifiche o matematiche oltre il liceo, leggere ulteriormente la legge di Hubble non aiuta molto.

La spiegazione di un profano che ho visto offre una spiegazione secondo cui l'Universo stesso non è vincolato dalle stesse leggi delle cose al suo interno. Ciò avrebbe senso - nella misura in cui queste cose possono - ma la citazione sopra ( "Le distanze ottenute come la velocità della luce moltiplicata per un intervallo di tempo cosmologico non hanno alcun significato fisico diretto" ) sembra più generale di così.

Qualcuno può offrire (o indirizzarmi a) una buona spiegazione per i profani?

La spiegazione più semplice del perché la distanza massima che si può vedere non è semplicemente il prodotto della velocità della luce con l'età dell'universo è perché l'universo è non statico.

Cose diverse (cioè materia vs. energia oscura) hanno effetti diversi sulle coordinate dell'universo e la loro influenza può cambiare con il tempo.

Un buon punto di partenza in tutto questo è analizzare il parametro di Hubble, che ci fornisce la costante di Hubble in qualsiasi punto nel passato o nel futuro, dato che possiamo misurare ciò di cui l'universo è attualmente composto:

$$H(a) = H_{0} \sqrt{\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}} + \frac{\Omega_{k,0}}{a^{2}} + \Omega_{\Lambda,0}}$$ dove gli indici , , e su riferiscono ai parametri di densità di materia (oscura e barionica), radiazione (fotoni e altre particelle relativistiche), curvatura (questo entra in gioco solo se l'universo a livello globale si discosta dall'essere spazialmente piatto; l'evidenza indica che è coerente con l'essere piatta) e infine l'energia oscura (che come noterai rimane una costante indipendentemente da come si svolgono le dinamiche dell'universo). Vorrei anche sottolineare che lo$m$$\gamma$$k$$\Lambda$$\Omega$$0$notazione in pedice significa misurata oggi .

La nel parametro Hubble sopra è chiamato fattore di scala, che è uguale a 1 oggi e zero all'inizio dell'universo. Perché i vari componenti si ridimensionano diversamente con ? Bene, tutto dipende da cosa succede quando aumenti le dimensioni di una scatola contenente le cose all'interno. Se hai un chilogrammo di materia all'interno di un cubo di 1 metro su un lato e aumenti ogni lato a 2 metri, cosa succede alla densità della materia all'interno di questo nuovo cubo? Diminuisce di un fattore 8 (o ). Per le radiazioni, si ottiene una diminuzione simile di nella densità numerica delle particelle al suo interno e anche un ulteriore fattore di causa dell'allungamento della sua lunghezza d'onda con la dimensione della scatola, dandoci$a$$a$$2^{3}$$a^{3}$$a$$a^{4}$ . La densità dell'energia oscura rimane costante in questo stesso tipo di esperimento mentale.

Poiché componenti diversi agiscono in modo diverso quando le coordinate dell'universo cambiano, ci sono epoche corrispondenti nella storia dell'universo in cui ogni componente domina la dinamica generale. È anche abbastanza semplice da capire. A un fattore di piccola scala (molto presto), il componente più importante era la radiazione. Il parametro Hubble all'inizio potrebbe essere approssimato molto da vicino dalla seguente espressione:

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

Attorno:

$$\frac{\Omega_{m,0}}{a^{3}} = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{a^{4}}$$ $$a = \frac{\Omega_{\gamma,0}}{\Omega_{m,0}}$$ abbiamo l'uguaglianza materia-radiazione, e da questo momento in poi abbiamo la materia che domina la dinamica dell'universo. Questo può essere fatto ancora una volta per l'energia oscura della materia, in cui si potrebbe scoprire che ora viviamo nella fase dominata dall'energia oscura dell'universo. Una previsione di vivere in una fase come questa è un'accelerazione delle coordinate dell'universo - qualcosa che è stato confermato (vedi: Premio Nobel per la fisica 2011 ).

Quindi vedete, sarebbe un po 'più complicato trovare la distanza dall'orizzonte cosmologico piuttosto che moltiplicare la velocità della luce per l'età dell'universo. In effetti, se desideri trovare questa distanza (formalmente conosciuta come la distanza che si avvicina all'orizzonte cosmico), dovresti eseguire il seguente integrale:

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

dove il redshift di emissione solito è considerato , la superficie dell'ultimo scatter. Si scopre che questo è il vero orizzonte che abbiamo come osservatori. La curvatura di solito è impostata su zero poiché il nostro modello di maggior successo indica un universo piatto (o quasi piatto) e qui le radiazioni non sono importanti poiché dominano con uno spostamento verso il rosso più elevato. Vorrei anche sottolineare che questa relazione deriva dalla metrica Friedmann – Lemaître – Robertson – Walker , una metrica che include curvatura ed espansione. Questo è qualcosa che manca alla metrica di Minkowski. ∼ $z_{e}$$\sim 1100$

In breve: le cose non possono muoversi più velocemente della luce da sole, ma possono muoversi più velocemente della luce a causa dell'espansione universale. Più sono lontani, più velocemente se ne vanno.

Ci stavo solo pensando ed ecco la spiegazione del mio profano. Immagina di tracciare due punti su un pezzo di carta stropicciata, i punti si stanno muovendo, ma mentre si muovono, così la carta viene "sgualcita", la distanza effettiva tra i punti sarà maggiore della somma delle distanze che hanno viaggiato.

La spiegazione completamente non scientifica ...

Immagina che l'universo sia un pallone. Due corpi iniziano l'uno vicino all'altro, ma su superfici opposte. L'espansione del palloncino li allontana gli uni dagli altri alla stessa velocità e ad una velocità tale che la luce proveniente dall'uno nel suo punto di partenza impiega quasi tutta la storia dell'universo per raggiungere l'altro. La distanza tra i due ORA non è il doppio dell'età dell'universo - perché non puoi viaggiare "attraverso" il pallone - ma deve invece percorrere la superficie del pallone ... 13,8 * PI miliardi di anni luce = 43 miliardi di anni luce.

Non strettamente corretto, ma almeno evita troppo di preoccuparsi di astrofisica e cosmologia!