Universum: Kosmos, Mis On 95% Nähtamatu

Vaata selgel ööl taevasse ja iga tähte, planeeti ja helendavat udukogu, mida näed, kuulub väikesesse vähemmusse. Tume aine moodustab 85% universumi kogu massist, samas kui tume aine ja tume energia kokku moodustavad 95% selle kogu massi-energiasisaldusest. Tavaline aine – kõik, mis koosneb aatomitest, sealhulgas iga tähte ja selle lehekülje iga lugeja – on võrdluseks ümardamisviga.

Universum on kõik: kogu aine, energia ja struktuurid, mida nad moodustavad, subatomilistest osakestest galaktilisteks kiududeni. See on laienenud 13,8 miljardit aastat, alates tihedast tulipallost Suures Paugu ajal, ja kosmoloogid on viimasel sajandil kulutanud aega sellise paisumise ja selle sisu paigutamisele, kui kummaline see tegelikult on.

Osa universumist, mida me tegelikult saame vaadelda, on Maale keskendatud kera. Õige kaugus Maa ja jälgitava universumi serva vahel on 46 miljardit valgusaastat, mis teeb kogu muuli umbes 93 miljardit valgusaasta laiuseks. See arv üllatab inimesi, kes arvavad, et "13,8 miljardit aastat" peaks piiritlema nähtavat universumi raadiusega 13,8 miljardit valgusaastat.

Lahendus on selles, et valgus ja ruum teevad kahte erinevat asja. Valgus jälgitava universumi servast on reisitanud umbes universumi 13,8 miljardit aastat, kuid õige kaugus selle servani on suurem, sest serv ja Maa on jätkuvalt üksteisest eemaldunud, samas kui ruum ise laienes reisi ajal. Valgus on vana; ruum, mida see ületas, on jätkuvalt selle all venitanud.

Keegi ei tea, kui suur universum tervikuna on – ainult kui palju sellest me siit näeme. 93 miljardit valgusaasta-number on horisont, mitte sein.

Selle horisondi piires muutuvad arvud peaaegu absurdseteks. Jälgitav universum sisaldab hinnanguliselt kuni 2 triljonit galaktikat ja kokku hinnanguliselt 10^24 tähte – rohkem tähti kui kõik liivaterad igal Maa rannikul.

See võrdlus on mitte ainult retooriline võte; see on arvu tüüp, mis lakkab midagi tähendamast niipea, kui proovid seda ette kujutada. Kaks triljonit galaktikat on umbes 250 galaktikat iga praegu elaval inimesel, ja kõik need galaktikad võivad sisaldada sadu miljardeid tähti. Linnutee on üks galaktika selle arvutuse hulgas, mis orbiteerib midagi erilist, ei kuskil erilistel kohal.

Siin on osa, mis hoiab füüsikuid öösel äreval: suurem osa sellest massi-energiast ei koosne üldse aatomitest. Universumi massi-energiatihedus on 68% tume energia, 27% tume aine ja 5% tavaline aine – tähtede, planeetide ja inimeste aine.

Hinnanguliselt moodustab tume aine üksi 26,8% universumi kogu massi-energiast, kuid 84,5% kogu ainest selles. Teisisõnu, kui astronoomid räägivad "ainest" kosmilises mõttes, on viis kuuest üksusest tumust aine, mitte aatomid. See ei kiirga, ei imenda ega peegelda valgust, ja selle olemasolu järeldatakse puhtalt selle gravitatsioonist – see lihtsalt ei ilmu 5% -i, mida saame otseselt tuvastada.

Isegi 5% sildiga "tavaline aine" on eksitav, kui sa tähtede ette kujutad. Suurem osa tavalisest ainest universumis on nähtamatu, sest nähtavad tähed ja gaas galaktikate ja kuhjete sees moodustavad vähem kui 10 protsenti tavalisest ainest panusest universumi massi-energiatihedusele. Suurem osa olemasolevast aatomitest ei kiirga kuskil – see on hajatsenud gaas, mis on laiali levinud galaktikate vahel ja ümber, kunagi mitte piisavalt tihe süütamiseks.

Füüsika ennustab, et Suur Pauk oleks pidanud looma ainet ja antiainet võrdsetes kogustes, mis oleksid üksteist puhtale energiale lõhkuma ega jätnud midagi järele – pole galaktikaid, pole tähti, pole lugejaid. Ilmselt nii ei juhtunud: universumil on 10 miljardi korda rohkem ainet kui antiainet.

See ebavõrdne suhe on üks kosmoloogia lahendamata mõistatusi ja see on ka põhjus, miks midagi üldse olemas on. Isegi ainet kasutades kümne miljardi kuni ühe eelise, on saadud universum märkimisväärselt hõre. Universumi keskmine tihedus, mis on hajutatud kogu ruumis, on umbes 1 prooton 200 liitri kohta – tühjemad kui Maale ehitatud parim vaakumkamber.

Kosmilne mikrolainete tausta või CMB on kosmoloogia lähim beebi fotole. See on jäägi kiirgus, mis jäi umbes 380 000 aastat pärast Suurt Pauku, kui universumi temperatuur langes esimest korda punktile, kus tuumad võisid elektronidega kombineeruda, et luua neutraalsed aatomid, mis võimaldasid valgusel esimest korda vabalt levida.

See järeluri on sellest ajast külma järgi jahtunud. Täna on CMB-l soojuse mustakaehele spekter temperatuuril 2,72548±0,00057 K – mõned kraadid absoluutnulli kohal, ühtlane kogu taevas.

See avastati peaaegu juhuslikult. CMB avastamine 1944. aastal ameeriklaste radioastronoomide Arno Allan Penziase ja Robert Woodrow Wilsoni poolt oli aastakümne viidi algatatud töö kulminatsioon; nad üritasid radioantennist müra kõrvaldada ja avasid selle asemel Suure Paugu enda ülejäänud kuumuse.

CMB on ka peaaegu, kuid mitte täiesti, täiuslikult sile. See on isotroopne umbes ühe osani 25 000 pealt, juure keskruut-keskmise ruutmeetri variatsioonidega veidi üle 100 μK, kui me oma liikumisest põhjustatud dipoolmomendit lahutame. See dipool on iseenesest teadmist väärt fakt: see on põhjustatud Päikese omast erilisel kiirusel 369,82 ± 0,11 km/s kaasliikuva kosmilise puhkeraamistiku suhtes, kui päikesesüsteem kaldub Crater tähtkuju poole, mis asub tema piiri lähedal Leioga. Isegi kui oled Maal ühtegi liikumist liigutamata, viiakse sind universumi vanimast valgusest läbi sellest kiirusest.

Tume energia on segus kummaline koostisosa, just seetõttu, et see on nii õhuke. Tumeda energia tihedus on väga madal, umbes 7×10−30 g/cm3, palju madalam kui tavalistel ainel või tumedal aines galaktikates. Üksik galaktika pakib palju rohkem massi oma mahtu kui tume energia teeb üle sama ruumi.

Ja siiski domineerib see universumi üldraha energeetikal, sest erinevalt ainest ei lahjendu see, kui ruum laiendub – see täidab iga uue ruumikuupmeetri sama madala tihedusega, ja ruum jätkab rohkemate ruumikuupmeetrite tegemist. Tõend selle kohta, et see tõuge on tõeline, mitte teoreetiline, tuli 1999. aastal: Supernova Cosmology Project leidis tõendeid, et universumi paisumine kiireneb, mitte aeglustub tema gravitatsiooni all nii, nagu astronoomid olid arvanud. Miski tõukus vastu gravitatsioonile suurimate massikalade juures, ja see on sellest ajast võidanud.

Jälgitava universumi välispiires istub praegune distantsi rekordi hoidja: kaugeimalt identifitseeritud astronoomiline objekt on galaktika, mida klassifitseeritakse MoM-z14-ks, punase nihkumisega 14,44. Selle valgus lahkus kodust, kui universum oli väike osa oma nüüdsest vanusest, ja on sellest ajast meile reisanud.

Lõgendage tagasi galaksikakogumite ja superkogumite skaalale, ja universumi struktuur lõpeb lõpuks. Skaalal 30–200 megaparsec vahel tundub, et universumis puudub jätkuv laiahaardeline struktuur, nähtus, mida nimetatakse Suuruse Lõppeks – selle suuruse ületamisel annab kosmiliste kiudude ja tühimike võrgustik teed universumile, mis näeb statistiliselt ühesugune kõikides suundades. Struktuuril on lagi; ühtlustamisel mitte.

• Wikipedia: Universe
• Wikipedia: Observable universe
• Wikipedia: Cosmic microwave background
• Wikipedia: Dark energy
• Wikipedia: Dark matter