Klombide / klastrite mustri kaart, mida meie universumi galaktikad tänapäeval eksponeerivad. Pildikrediit: Greg Bacon / STScI / NASA Goddardi kosmoselennukeskus.

Täiuslik universum

Kas Universum oleks võinud sündida täiesti ühetaolisena ja meile ikkagi aluse anda?

„Esiteks peaksite minu maja üle vaatama. See on nagu tavaline hale, aga palju vähem lame kui teie maja. " -Piliv kosmoseprintsess, seiklusaeg

Kui mõelda universumile, siis ei mõtle see kindlasti sujuva ja ühtlase kohana. Lõppude lõpuks on selline klomb nagu planeet Maa kohutavalt erinev tühja ruumi kuristikust! Kuid kõige suuremates skaalades on Universum üsna sile ja varastel aegadel oli see sile ka väiksematel skaaladel. Ehkki meie Universum on oma olemuselt kvantliku olemusega, koos kõigi sellega kaasnevate kvant kõikumistega, võite küsida, kas see oleks võinud sündida täiesti sujuvalt ja sellest lihtsalt kasvada. Heidame pilgu universumisse, mis meil täna on, ja uurime välja.

Maa, tähed ja Linnutee on kindlasti kohmakad, kuid võib-olla tekkisid need varasemast ühtsest olekust? Kujutise krediit: ESO / S. Guisard.

Lähedal asuvates skaalades on meil tihedad ainekombinatsioonid: sellised asjad nagu tähed, planeedid, kuud, asteroidid ja inimesed. Nende vahel on tohutud tühja ruumi vahemaad, mida asustavad ka hajusamad ainekombinatsioonid: tähtedevaheline gaas, tolm ja plasma, mis tähistavad kas surnud ja surevate tähtede jäänuseid või veel sündivate tähtede tulevasi asukohti . Ja kõik need on seotud meie suure galaktikaga: Linnuteega.

Suuremates mõõtkavades võivad galaktikad eksisteerida isoleeritult (väljagalaktikad), neid saab seostada vaid väheste rühmadena (nagu meie oma kohalik rühm) või nad võivad eksisteerida suuremas koguses, mis on kokku rühmitatud, sisaldades sadu või isegi tuhandeid suured. Kui vaatame veelgi suuremaid skaalasid, siis leiame, et kobarad ja rühmad on üles ehitatud hiiglaslike hõõgniitide kaudu, millest mõned ulatuvad kosmoses mitme miljardi valgusaasta jooksul. Ja nende vahel? Hiiglaslikud tühimikud: alajahtunud piirkonnad, kus galaktikaid ja tähti pole või on üldse või pole üldse.

Mõlemad simulatsioonid (punane) ja galaktikauuringud (sinine / lilla) näitavad samu suuremahulisi klastrimustrid. Pildikrediit: Gerard Lemson ja Virgo Consortium, saidi http://www.mpa-garching.mpg.de/millennium/ kaudu.

Kuid kui me hakkame vaatama veelgi suurematele mõõtkavadele - kümnete miljardite valgusaastate skaaladele -, leiame, et iga konkreetne kosmose piirkond, mida me vaatame, näeb välja väga sarnane mis tahes teise kosmose piirkonnaga. Sama tihedus, sama temperatuur, sama arv tähti ja galaktikaid, sama tüüpi galaktikaid jne. Kõigi suurimate skaalade korral pole ükski meie Universumi osa enam-vähem eriline kui ükski teine ​​osa maailmast. Universum. Kosmose eri piirkondadel näivad kõikjal ja kõikjal, kus me vaatame, ühesuguseid üldisi omadusi.

Piltide krediit: Neitsi konsortsium / A. Amblard / ESA (ülemine ja keskmine), tumeda aine simuleerimine ja koht, kus galaktikad peaksid asuma; ESA / SPIRE konsortsium / HerMES konsortsiumid (alt) Lockmani auku, kus iga punkt on galaktika.

Kuid meie Universum ei hakanud üldse nende hiiglaslike klompide-tujudega peale. Kui vaatame oma Universumi varaseimat “beebipilti” - kosmilise mikrolaine tausta -, siis leiame, et noore Universumi tihedus oli kõigil skaaladel absoluutselt kõikjal. Ja kui ma ütlen sama, mõtlen ma seda, et mõõtsime, et temperatuur oli kõigis suundades 3 K ja siis 2,7 K ja siis 2,73 K ja siis 2,725 K. See oli tõesti, väga ühtlane kõikjal. Lõpuks avastasime 1990ndatel aastatel, et mõned piirkonnad olid keskmisest veidi tihedamad ja mõned keskmisest veidi tihedamad: umbes 80–90 mikrokelvini. Universum oli algusaegadel keskmiselt väga, väga ühtlane, kus kõrvalekalded ideaalsest ühtlusest olid vaid umbes 0,003%.

Kosmilise mikrolaine fooni kõikumised ulatuvad kümnetest sadade µK, kuid üldine temperatuur on 2 725 K. Kujutise krediit: ESA ja Plancki koostöö.

See beebipilt Plancki satelliidilt näitab kõikumisi täiuslikust ühtlusest, punased “kuumad kohad” vastavad alajaotuse piirkondadele ja sinised “külmad kohad” vastavad ülepaisutatud piirkondadele: need, mis kasvavad tähe- ja galaktika- kosmose rikkad piirkonnad. Universum nõudis neid puudusi - neid üle- ja alatoonusi -, et struktuur üldse tekiks.

Kui see oleks täiesti ühtlane, ei köidaks ükski kosmosepiirkond eelistatult rohkem ainet kui ükski teine ​​ja seega ei toimu aja jooksul gravitatsiooni kasvu. Kui aga alustate isegi nendest väikestest puudustest - vähestest osadest 100 000-st, millest meie universum alguse sai -, siis selleks ajaks, kui 50–100 miljonit aastat möödub, oleme moodustanud esimesed tähed universumis. Selleks ajaks, kui mõnesaja miljoni aasta möödunud on, oleme moodustanud esimesed galaktikad. Selleks ajaks, kui on möödunud natuke rohkem kui pool miljardit aastat, oleme moodustanud nii palju tähti ja galaktikaid, et nähtav valgus võib vabalt liikuda kogu Universumis ilma, et oleks sattunud valgust blokeerivasse neutraalsesse ainesse. Ja selleks ajaks, kui on möödunud mitu miljardit aastat, on meil galaktikate klombid ja klastrid, mida me tänapäeval tunneme.

Kas oleks võimalik luua kõikumisteta Universum? Üks, mis sündis täiesti sujuvalt, kuid aja möödudes kasvatas seda kõikumist? Vastus on: mitte siis, kui loote Universumi nii, nagu meie loodi. Näete, meie vaadeldav universum tuli kuumast Suurest Paugust, kus universum sai äkki kuuma, tiheda mateeria, antimaterjali ja kiirguse merega täidetud. Kuuma Suure Paugu energia tuli inflatsiooni lõpust - kus kosmosele omane energia muundati mateeriaks ja radiatsiooniks - protsessi ajal, mida nimetatakse kosmiliseks kuumutuseks. Kuid Universum ei kuumene kõikides kohtades sama temperatuurini, sest inflatsiooni ajal esines kvant kõikumisi, mis ulatusid üle kogu Universumi! See on juur sealt, kust need üle- ja alajahtunud piirkonnad tulid.

Kuigi kosmiline inflatsioon sirutab Universumi tasaseks, sirutab see ka tühja ruumi kvant kõikumisi kogu Universumis endas, jäljendades tiheduse / energia kõikumisi kosmoseaja kangale. Pildikrediit: E. Siegel.

Kui teil on aine- ja radiatsioonirikas universum, millel oli inflatsiooniline päritolu, ja füüsikaseadused, mida me teame, siis on teil need kõikumised, mis põhjustavad üle- ja alajahtunud piirkondi.

Kuid mis määras nende suuruse? Kas nad võisid olla väiksemad?

Vastus on jah: kui inflatsioon oleks toimunud madalama energia skaala korral või kui inflatsioonipotentsiaalil oleks teistsugused omadused kui neil, mis tal olema pidi, oleks need kõikumised võinud olla palju-palju väiksemad. Nad ei oleks mitte ainult võinud olla kümme korda väiksemad, vaid sada, tuhat, miljonit, miljard või isegi väiksemad kui need, mis meil on!

Inflatsioon lõi kuuma Suure Paugu ja andis aluse jälgitavale Universumile, kuhu meil on juurdepääs, kuid just inflatsiooni kõikumised kasvasid tänapäeval meie struktuuri. Pildikrediit: Bock jt. (2006, astro-ph / 0604101); modifikatsioonid E. Siegel.

See on ülioluline, kuna kosmilise struktuuri moodustumine võtab kaua aega. Meie universumis võtab neilt algsetest kõikumistest esmakordne mõõtmine (CMB) aega sadu tuhandeid aastaid. CMB juurest sinna, kus gravitatsioon võimaldab Universumi esimeste tähtede moodustumist, kulub umbes sada miljonit aastat.

Kuid liikuda nendelt esimestelt tähtedelt tumeda energiaga domineerivasse universumisse - sellisesse, kus uus struktuur ei moodustu, kui te pole juba gravitatsiooniliselt seotud - see pole nii suur hüpe. Universumi suurest paugust kiirenemise alustamiseks kulub vaid umbes 7,8 miljardit aastat, mis tähendab, et kui esialgsed kõikumised oleksid palju väiksemad, poleks me esimesi tähti moodustanud, kui öelda, näiteks kümme miljardit aastat pärast Suurt Pauku. , tagaks väikeste kõikumiste ja tumeda energia kombinatsioon, et me ei saaks kunagi tähti.

Varisevast gaasipilvest võib välja tulla üksik massiivne täht, kuid ajavahemikud võivad olla tohutud, kui esialgne kõikumine, mille tulemuseks oli pilv, oli piisavalt väike. Kujutise krediit: võtmeaukude udukogu NASA / Hubble Heritage Team (STScI) kaudu.

Kui väikesed need kõikumised oleks pidanud olema? Vastus on üllatav: ainult paarsada korda väiksem kui need, mis meil tegelikult olemas on! Kui nende kõikumiste “skaalal” CMB-s (allpool) oleks numbreid, mis oleks skaalaga paar tuhat, mitte paar tuhat, oleks meie Universumil vedanud, kui tänaseks oleks selles olemas isegi üks täht või galaktika, ja kindlasti mitte midagi universumi moodi, mis meil tegelikult on.

Erinevuste skaalade kõikumised annavad tulemuseks struktuuri, mida erinevatel skaaladel näeme. Ilma puudusteta pole midagi kasvada. Kujutise krediit: NASA / WMAP teadustiim.

Kui see poleks tume energia - kui meil oleks ainult ainet ja kiirgust -, siis suudaksime piisavalt aja jooksul moodustada Universumis struktuuri, ükskõik kui väikesed need esialgsed kõikumised olid. Kuid kiirendatud laienemise paratamatus annab meie Universumile kiireloomulisuse tunde, mida meil muidu poleks olnud, ja teeb tingimata vajalikuks, et keskmiste kõikumiste suurus oleks vähemalt umbes 0,00001% keskmisest tihedusest, et saada Universum, millel on üldse märkimisväärsed seotud struktuurid. Tehke oma kõikumised väiksemaks ja teil on Universum, millel pole üldse midagi. Kuid tõstke need kõikumised “massiliseks” 0,003% tasemeni ja teil pole probleemi saada Universumit, mis näeb välja täpselt nagu meie oma.

Kui kõikumised oleks vaid pisut väiksemad kui meil, poleks galaktikaparve - nagu siin näidatud - kunagi olemas olnud. Pildikrediit: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) ja Giovanni Anselmi (Coelumi astronoomia), Havai tähevalgus.

Meie Universum pidi sündima tükkidega, kuid kui inflatsioon oleks erinev, oleks ka nende tüvede massid olnud väga erinevad. Palju väiksemad ja seal poleks üldse mingit struktuuri. Palju suurem ja meil oleks võinud Universum olla katastroofiliselt täidetud mustade aukudega väga-väga varajasest ajast. Selleks, et anda meile universum, mida me täna nõudsime, on äärmiselt õnnelik asjaolude kombinatsioon ja meie õnneks tundub see, mis meile anti, just õige.

See postitus ilmus esmakordselt Forbes ja meie Patreoni toetajad on teile reklaamivabad. Kommenteerige meie foorumit ja ostke meie esimene raamat: Beyond The Galaxy!