Podnieś wzrok jasną nocą, a każda gwiazda, planeta i świecąca mgławica, którą widzisz, należy do małej mniejszości. Ciemna materia stanowi 85% całkowitej masy wszechświata, podczas gdy ciemna materia i ciemna energia razem stanowią 95% jego całkowitej zawartości masy-energii. Zwykła materia – wszystko, co składa się z atomów, w tym każda gwiazda i każdy czytelnik tej strony – to błąd zaokrąglenia w porównaniu.
Wszechświat to wszystko: cała materia, energia i struktury, które tworzą, od cząstek subatomowych do galaktycznych włókien. Rozszerzył się przez 13,8 miliardów lat, zaczynając od gęstej kuli ognia w Wielkim Wybuchu, a kosmolodzy przez ostatnie stulecie pracowali nad mapowaniem, jak dziwna jest ta ekspansja i jej zawartość.
Bańka Szeroka 93 Miliardy Lat Świetlnych
Część wszechświata, którą możemy faktycznie obserwować, to sfera skoncentrowana na Ziemi. Prawidłowa odległość między Ziemią a krawędzią obserwowalnego wszechświata wynosi 46 miliardów lat świetlnych, co czyni całą bańkę szeroką na około 93 miliardy lat świetlnych. Ta liczba zaskakuje ludzi, którzy zakładają, że „13,8 miliardów lat" powinna ograniczyć obserwowalny wszechświat do promienia 13,8 miliardów lat świetlnych.
Rozwiązanie polega na tym, że światło i przestrzeń robią dwie różne rzeczy. Światło z krawędzi obserwowalnego wszechświata podróżowało przez prawie 13,8 miliardów lat, wieku wszechświata, ale prawidłowa odległość do tej krawędzi jest większa, ponieważ krawędź i Ziemia dalej się od siebie oddalały, podczas gdy sama przestrzeń rozszerzała się podczas podróży. Światło jest stare; przestrzeń, którą przeszło, ciągle się pod nim rozciąga.
Nikt nie wie, jak duży jest wszechświat w całości – tylko ile z niego możemy zobaczyć stąd. Liczba 93 miliardów lat świetlnych to horyzont, nie ściana.
Więcej Gwiazd Niż Ziarenek Piasku Na Każdej Plaży
W obrębie tego horyzontu liczby stają się prawie absurdalne. Obserwowalny wszechświat zawiera szacunkowo aż 2 biliony galaktyk i ogółem szacunkowo 10^24 gwiazd – więcej gwiazd niż wszystkie ziarenka piasku na każdej plaży na Ziemi.
To porównanie to nie tylko figura retoryczna; to rodzaj liczby, która przestaje cokolwiek oznaczać, gdy tylko spróbujesz ją sobie wyobrazić. Dwa biliony galaktyk to mniej więcej 250 galaktyk na każdą żyjącą teraz osobę, a każda z tych galaktyk może zawierać setki miliardów gwiazd. Droga Mleczna to jedna galaktyka pośród tej liczby, orbitująca nic specjalnego, w żadnym specjalnym miejscu.
Wszechświat, Który Jest 95% Niewidoczny
Oto część, która trzyma fizyków czuwającymi w nocy: większość tej masy-energii w ogóle nie jest zrobiona z atomów. Gęstość masy-energii wszechświata to 68% ciemna energia, 27% ciemna materia i 5% zwykła materia – materiał gwiazd, planet i ludzi.
.jpg){kind=link}
Szacuje się, że ciemna materia sama stanowi 26,8% całkowitej masy-energii wszechświata, ale 84,5% całkowitej materii w nim. Innymi słowy, gdy astronomowie mówią o „materii" w sensie kosmicznym, pięć na sześć jednostek to ciemna materia, a nie atomy. Nie emituje, nie absorbuje i nie odbija światła, a jego obecność wynika całkowicie z jego grawitacji – po prostu nie pojawia się w 5%, które możemy bezpośrednio wykryć.
Nawet 5% oznaczone jako „zwykła materia" jest mylące, jeśli wyobrażasz sobie gwiazdy. Większość zwykłej materii we wszechświecie jest niewidoczna, ponieważ widoczne gwiazdy i gaz wewnątrz galaktyk i skupisk stanowią mniej niż 10% wkładu zwykłej materii w gęstość masy-energii wszechświata. Większość istniejących atomów nigdzie się nie świeci – to rozproszone gazy rozproszone między i wokół galaktyk, nigdy na tyle gęste, aby się zapalić.
Dziesięć Miliardów Do Jednego: Jak Materia Wygrała
Fizyka przewiduje, że Wielki Wybuch powinien był stworzyć materię i antymatrię w równych ilościach, które zniszczyłyby się nawzajem w czystej energii i nic nie pozostawiłyby – żadne galaktyki, żadne gwiazdy, żadnych czytelników. Oczywiście tak się nie stało: wszechświat ma 10 miliardów razy więcej materii niż antymaterii.
Ten nierówny stosunek to jedna z otwartych zagadek kosmologii i jest również powodem, dla którego w ogóle coś istnieje. Nawet z przewagą materii dziesięć miliardów do jednego, wynikający wszechświat jest godnie rozrzedzony. Średnia gęstość wszechświata, rozproszona na całej tej przestrzeni, wynosi około 1 protonu na 200 litrów – bardziej pusta niż najlepsza komora próżniowa kiedykolwiek zbudowana na Ziemi.
Najstarsza Fotografia Wszechświata
Kosmiczne promieniowanie mikrofalowe tła lub CMB to najbliżej tego, co kosmologia ma do zdjęcia dziecka. To promieniowanie pozostałościowe pozostawione około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, gdy temperatura wszechświata po raz pierwszy spadła do punktu, w którym jądra mogły łączyć się z elektronami w celu utworzenia neutralnych atomów, pozwalając światłu po raz pierwszy podróżować swobodnie.
To promieniowanie pozostałościowe od tamtego czasu się oziębiło. Dzisiaj CMB ma termiczne spektrum czarnego ciała w temperaturze 2,72548±0,00057 K – kilka stopni powyżej zera absolutnego, jednolite na całym niebie.
Została odkryta prawie przypadkowo. Odkrycie CMB w 1964 roku przez amerykańskich radioastronomów Arno Allana Penziasa i Roberta Woodrowa Wilsona było zwieńczeniem pracy zainicjowanej w latach 40.; próbowali wyeliminować szum z anteny radiowej i zamiast tego natrafili na pozostałe ciepło samego Wielkiego Wybuchu.
CMB jest też prawie, ale nie całkowicie, doskonale gładka. Jest izotropowa do około jednej części na 25 000, ze średnimi fluktuacjami pierwiastkowymi kvadratowymi nieco powyżej 100 μK, gdy dipol spowodowany naszym własnym ruchem zostanie odjęty. Ten dipol sam w sobie jest faktem godnym poznania: jest spowodowany właściwą prędkością Słońca wynoszącej 369,82±0,11 km/s względem poruszającego się wraz z kośmicką ramy spoczynkowej, gdy Układ Słoneczny dryfuje w kierunku konstelacji Korby w pobliżu jej granicy z Lwem. Nawet stojąc nieruchomo na Ziemi, jesteś transportowany przez najstarsze światło wszechświata z tą prędkością.
Nacisk, Który Wygrywa
Ciemna energia to najdziwniejszy składnik w mieszaninie, właśnie dlatego, że jest tak cienka. Gęstość ciemnej energii jest bardzo niska, około 7×10−30 g/cm3, znacznie niższa niż gęstość zwykłej materii lub ciemnej materii wewnątrz galaktyk. Jedna galaktyka pakuje znacznie więcej masy w swoją objętość niż ciemna energia w tej samej przestrzeni.
I jednak dominuje całkowitemu budżetowi energii wszechświata, ponieważ w przeciwieństwie do materii nie rozcieńcza się, gdy rozszerza się przestrzeń – wypełnia każdy nowy metr sześcienny przestrzeni taką samą niską gęstością, a przestrzeń stale tworzy więcej metrów sześciennych. Dowód na to, że ten nacisk jest rzeczywisty, a nie teoretyczny, pojawił się w 1999 roku: Supernova Cosmology Project znalazło dowody, że ekspansja wszechświata przyspieszając się, zamiast zwalniać pod własną grawitacją, jak przypuszczali astronomowie. Coś naciskało na grawitację na największych skalach i od tamtej pory wygrywa.
Najbardziej Odległy Krawędź Tego, Co Możemy Widać
Na najbardziej zewnętrznej granicy obserwowalnego wszechświata siedzi obecny rekordzista odległości: najodleglejszym zidentyfikowanym obiektem astronomicznym jest galaktyka zaklasyfikowana jako MoM-z14 z przesunięciem ku czerwieni 14,44. Jej światło opuściło dom, gdy wszechświat był małą ułamkiem swojego obecnego wieku, i podróżuje do nas od tamtej pory.
.jpg){kind=link}
Oddal się na skalę skupisk galaktyk i nadskupisk, a struktura wszechświata w końcu się wyczerpuje. Na skalach między 30 a 200 megaparsec wydaje się, że w wszechświecie nie ma dalszej struktury na dużą skalę, явление określane jako Koniec Wielkości – poza tym rozmiarem kosmiczna sieć włókien i pustych miejsc ustępuje wszechświatowi, który wygląda statystycznie tak samo w każdym kierunku. Struktura ma pułap; jednorodność nie.