우주의 크기, 관측 가능한 우주

관측할 수 있는 우주는 우주 기반 망원경 및 탐사 탐사선에서 관측할 수 있는 모든 물질로 구성된 우주 영역이다. 우주 팽창의 시작부터 여러 천체로의 전자기 복사가 태양계와 지구에 도달할 시간이 있었다. 처음, 2021년에 은하의 숫자는 뉴허라이즌스의 데이터를 기반으로 한 수천억 개에 불과한 것으로 추산되었지만, 현재 관측 가능한 우주에는 2조개 이상의 은하가 있을 수 있다고 추정된다. 우주가 등방성이라고 가정하면, 관측할 수 있는 우주의 가장자리까지의 거리는 모든 방향에서 개략적으로 동일하다. 즉, 관측 가능한 우주는 관찰자를 중심으로 하는 구형의 형태를 띤다. 우주의 모든 위치에는 그 자체의 관측 가능한 우주가 있으며, 이는 지구를 중심으로 하는 우주와 겹칠 수도 있고 겹치지 않을 수도 있다. 이러한 의미에서 관측 가능이라는 단어는 빛이나 기타 정보를 감지하는 현대 기술의 능력 또는 감지할 것이 있는지 여부를 나타내지 않는다. 그것은 광속으로 인해 생기는 어쩔 수 없는 물리적 한계를 나타낸다. 어떤 신호도 빛보다 빠르게 이동할 수 없으므로, 그 신호들이 아직 우리에게 도달할 수 없었기 때문에, 아무것도 감지할 수 없는 어떤 최대 거리가 있다. 일부 천체물리학자들은 재결합(수소 원자들이 양성자들로부터 형성되고 전자들과 광자들이 방출) 이후 방출된 신호들만 포함하는 가시적 우주와 우주 팽창이 시작된 이후의 신호들을 포함하는 관측 가능한 우주를 구별한다.

가시 우주의 반지름을 나타내는 우주 마이크로파 배경 복사가 방출된 입자들까지의 현재의 공변거리는 약 140억 파섹(약 457억 광년)으로 계산된다. 관측 가능한 우주의 가장자리까지의 공변거리는 약 143억 파섹(약 466억 광년)으로 약 2% 더 크다. 관측 가능한 우주의 반지름은 따라서 약 465억 광년으로 추정된다. 관측할 수 있는 우주의 임계 밀도와 지름을 사용하면, 우주에 있는 일반 물질의 총 질량은 약 1.5 × 1053kg으로 계산될 수 있다. 2018년 11월에, 천문학자들은 은하계외 배경 광이 4 × 1084개 광자라고 보고했다.
우주의 팽창이 가속됨에 따라, 현재 관측 가능한 모든 천체는, 우리 지역의 초은하단 외부에서, 점차 더 붉고 희미한 빛을 방출하면서 결국 시간이 지나면서 얼어붙을 것으로 보인다. 또한, 어떤 특정 공변거리 너머에 있는 천체들에서 방출되는 빛은 결코 지구에 도달하지 않을 것이다.

 

우주와 관측 가능한 우주

우주의 크기는 알 수 없으며, 또한 그것은 범위가 무한할 수 있다. 우주의 일부들은 대폭발 이후 방출된 빛이 우주 기반 기기들에 도달하기에 충분한 시간을 가지기에는 너무 멀리 떨어져 있어 관측 가능한 우주 밖에 놓여 있다. 미래에는 먼 은하들에서 오는 빛이 이동하는 데 더 긴 시간이 걸리므로, 추가 지역들이 관측할 수 있게 될 것으로 예상할 수 있다. 하지만, 허블-르메트르 법칙으로 인해, 지구에서 충분히 멀리 떨어져 있는 지역들은 빛의 속도보다 빠르게 팽창하고 있다 게다가 암흑 에너지로 인해 팽창 속도가 가속화되고 있는 것으로 보인다. 암흑 에너지가 일정하게 유지되어 우주의 팽창 속도가 계속 가속된다고 가정하면, 그 한계를 벗어난 천체들에서 방출되는 빛은 결코 지구에 도달할 수 없으므로, 그 너머에는 천체들은 미래의 어느 시점에서든 관측 가능한 우주에 절대 들어오지 않을 "미래 가시성 한계"가 있다. 허블 매개변수는 시간이 지남에 따라 감소하고 있으므로, 지구에서 빛보다 단지 약간 빠르게 후퇴하는 어떤 은하가 결국 지구에 도달하는 신호를 방출하는 경우가 있을 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이 미래 가시성 한계는, 우주가 영원히 계속 팽창할 것이라고 가정할 때, 190억 파섹(620억 광년)의 공변거리에서 계산되며, 이는 무한한 미래에 이론적으로 관측할 수 있는 은하들의 수가 현재의 관측 가능한 은하들의 수보다 2.36배 정도만 많다는 것을 뜻한다.
원칙적으로, 미래에는 더 많은 은하가 관측될 것이다. 실제로는, 계속되는 팽창으로 인해 점점 더 많은 은하가 극도로 적색편이 될 것이어서, 그들은 시야에서 사라지고 또한 보이지 않게 될 것이다. 그러나 우주의 팽창 때문에  관측 가능한 우주의 공변 거리보다 짧은 거리에 남아있다고 하더라도, 은하에서 보낸 신호가 무한한 미래의 어느 시점에서도 지구에 도달하지 못하는 시대가 있을 수 있다. 이것은 지구로부터의 거리가 시간이 지남에 따라 변하는 우주 사건의 지평선의 한 유형을 정의하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 이 지평선까지의 현재 약 160억 광년인 거리는, 현재 발생하는 한 사건의 신호가 그 사건이 160억 광년 미만 떨어져 있으면 결국 미래의 지구에 도달할 수 있음을 의미하지만, 만일 그 사건이 160억 광년 이상 떨어져 있으면 그 신호는 결코 지구에 도달하지 않을 것이다. 

우주론에서의 대중적 또한 전문적 연구 소논문들 둘 다 종종 우주라는 용어는 관측 가능한 우주를 의미한다. 이것은 믿을만한 많은 이론이 관측 가능한 우주보다 훨씬 더 큰 한 전체 우주를 요구하지만, 지구와 인과적으로 단절된 우주의 어떤 부분에 대한 직접적인 실험으로는 아무것도 알 수 없다는 근거에서 정당화될 수 있다. 관측 가능한 우주의 경계가 전체로서의 우주에 어떤 경계를 구성한다는 증거는 없으며, 주류 우주론 모형 중 어느 것도 처음부터 우주가 물리적 경계를 가질 수 있다고 주장하지 않는다. 그렇지만, 일부 모형들은 그것이, 가장자리가 없는 한 구의 2D 표면의 고차원 유사체처럼, 유한하지만 경계가 없을 수 있다고 말하고있다.
만약 우주가 유한하지만 경계가 없다면, 우주가 관측 가능한 우주보다 작을 수도 있다. 이 경우, 우리가 아주 먼 은하들로 간주하는 것들이 실제로는 한 빛에 의해 형성된 가까운 은하들의 복제 이미지들일 수 있다. 은하의 다른 이미지는 그 역사에서 다른 시대를 보여줄 것이고 결과적으로 상당히 다르게 보일 수 있기 때문에, 이 가설을 실험적으로 테스트하는 것은 현재로서는 어렵다.