Titta upp på en klar natt, och varje stjärna, planet och glödande nebulosa du kan se, tillhör en liten minoritet. Mörk materia utgör 85% av universums totala massa, medan mörk materia och mörk energi tillsammans utgör 95% av dess totala massa-energi innehål. Vanlig materia – allt som är gjord av atomer, inklusive varje stjärna och varje läsare på denna sida – är ett avrundningsfel i jämförelse.
Universum är allt: all materia, energi och de strukturer de bildar, från subatomära partiklar till galaktiska filament. Det har expanderat i 13,8 miljarder år, från en tät eldkula under Big Bang, och kosmologer har tillbringat det senaste århundradet med att kartlägga hur märklig den expansionen, och dess innehål, egentligen är.
En Bubbla 93 Miljarder Ljusår Bred
Den delen av universum som vi faktiskt kan observera är en sfär centrerad på jorden. Det korrekta avståndet mellan jorden och kanten av det observerbara universum är 46 miljarder ljusår, vilket gör hela bubblan cirka 93 miljarder ljusår bred. Detta tal överraskar människor som antar att "13,8 miljarder år" borde begränsa det synliga universum till 13,8 miljarder ljusår i radie.
Lösningen är att ljus och rymden gör två olika saker. Ljus från kanten av det observerbara universum har resat i nästan de 13,8 miljarder år universums ålder, men det korrekta avståndet till den kanten är större, eftersom kanten och jorden har fortsatt att röra sig bort från varandra när rymden själv expanderade under resan. Ljuset är gammalt; rymden det korsade fortsatte att sträcka sig under det.
Ingen vet hur stort det totala universum är – bara hur mycket av det vi kan se härifrån. Siffran 93 miljarder ljusår är en horisont, inte en vägg.
Fler Stjärnor Än Sandkorn På Varje Strand
Inom den horisonten blir siffrorna nästan absurda. Det observerbara universum innehåller uppskattningsvis så många som 2 biljoner galaxer, och totalt, uppskattningsvis 10^24 stjärnor – fler stjärnor än alla sandkorn på varje strand på jorden.
Den jämförelsen är inte bara en retorisk blomning; det är den typ av nummer som sluta betyda något så fort du försöker föreställa dig det. Två biljoner galaxer är ungefär 250 galaxer för varje människa som lever för närvarande, och var och en av dessa galaxer kan innehålla hundratals miljarder stjärnor. Vintergatan är en galax bland det antalet, omlopps ingenting särskilt, på ingen speciell plats.
Ett Universum Som Är 95% Osynligt
Här är delen som håller fysiker vakna på natten: det mesta av denna massa-energi är inte gjord av atomer alls. Massa-energitätheten i universum är 68% mörk energi, 27% mörk materia, och 5% vanlig materia – stoffet av stjärnor, planeter och människor.
.jpg){kind=link}
Mörk materia beräknas utgöra 26,8% av universums totala massa-energi men 84,5% av den totala materien i det. Med andra ord, när astronomer talar om "materia" i kosmisk mening, är fem av sex enheter mörk materia, inte atomer. Det avger inte, absorberar eller reflekterar ljus, och dess närvaro föreslås helt från dess tyngdkraft – det dyker helt enkelt inte upp i de 5% vi direkt kan detektera.
Till och med de 5% märkta "vanlig materia" är vilseledande om du föreställer dig stjärnor. Det stora flertalet vanlig materia i universum är osynligt, eftersom synliga stjärnor och gas inuti galaxer och kluster står för mindre än 10 procent av vanlig materia bidrag till massa-energitätheten i universum. De flesta atomer som existerar glöder inte någonstans – det är diffus gas spridd mellan och runt galaxer, aldrig tillräckligt tät för att tändas.
Tio Miljarder Till En: Hur Materia Vann
Fysik förutspår att Big Bang borde ha skapat materia och antimateria i lika mängder, som skulle ha utauslösligt varandra i ren energi och inte lämnat något kvar – inga galaxer, inga stjärnor, inga läsare. Det skädde uppenbart inte på det viset: universum har 10 miljarder gånger mer materia än antimateria.
Det ojämna förhållandet är en av kosmologins öppna gåtor, och det är också anledningen till att något överhuv existerar. Även med materias fördel på tio miljarder till ett, är det resulterande universum anmärkningsvärt glest. Den genomsnittliga tätheten i universum, spridd över allt det utrymmet, är ungefär 1 proton per 200 liter – tommare än det bästa vakuumet någonsin byggt på jorden.
Universum Äldsta Fotografi
Den kosmiska mikrovågsbakgrunden, eller CMB, är närmaste kosmologi kommer till ett babybilder. Det är efterglow strålning som återstår från ungefär 380 000 år efter Big Bang, när temperaturen i universum först sjönk till den punkt där kärnor kunde kombinera med elektroner för att skapa neutrala atomer, vilket tillät ljus att resa fritt för första gången.
Den efterglowen har svalnat sedan dess. I dag har CMB ett termiska svartkropps spektrum vid en temperatur på 2,72548±0,00057 K – några grader ovanför absolut noll, enhetlig över hela himlen.
Den upptäcktes nästan av en slump. Upptäckten av CMB 1964 av amerikanska radioastronomer Arno Allan Penzias och Robert Woodrow Wilson var kulminationen av arbete som initierats på 1940-talet; de försökte eliminera brus från en radioantennt och stötte i stället på den återstående värmen från Big Bang själv.
CMB är också nästan, men inte helt, perfekt glatt. Det är isotropt på ungefär en del i 25 000, med root mean square variationer på drygt 100 μK när dipolen orsakad av vår egen rörelse dras från. Den dipolen är själv ett faktum värd att veta: det orsakas av solen egen särskilda hastighet på 369,82±0,11 km/s i förhållande till den comoving kosmiska viloramen, när solsystemet driver mot konstellation kruka nära gränsen till Leo. Även om du står helt stilla på jorden, transporteras du genom universums äldsta ljus i den hastigheten.
Pushen Som Vinner
Mörk energi är det märkligaste ingrediensen i blandningen, just för att det är så tunnt. Mörk energis täthet är mycket låg, cirka 7×10−30 g/cm3, mycket lägre än tätheten av vanlig materia eller mörk materia inom galaxer. En enda galax packar langt mer massa in i volymen än mörk energi gör över samma rum.
Och ändå dominerar det universums övergripande energibudget, för till skillnad från materia dünnans det inte när utrymmet expanderar – det fyller varje ny kubikmeter rum vid samma låga täthet, och utrymmet fortsätter att göra fler kubikmeter. Beviset på att denna push är verklig, snarare än teoretisk, kom 1999: Supernova Cosmology Project fann bevis på att universums expansion accelererar, snarare än att bromsa ner under sin egen tyngdkraft som astronomer hade antagit. Något drev tillbaka mot gravitation i de största skalen, och det har vunnit sedan dess.
Den Fjärraste Kanten Av Det Vi Kan Se
Vid den yttersta gränsen för det observerbara universum sitter den nuvarande rekordinnehavaren för avstånd: den mest avlägsna identifierade astronomiska objektet är en galax klassificerad som MoM-z14, med en rödförskjutning på 14,44. Dess ljus lämnade hemmet när universum var en liten bråkdel av sin nuvarande ålder, och har resat mot oss sedan dess.
.jpg){kind=link}
Zooma tillbaka till skalan av galaxbluster och superbluster, och universums struktur löper så småningom av. I skalor mellan 30 och 200 megaparsec verkar det inte finnas någon fortsatt storskalig struktur i universum, ett fenomen kallat Slutet Av Storhet – bortom den storleken, ger det kosmiska nätverket av filament och tomrum vägen till ett universum som ser statistisk identisk i varje riktning. Struktur har ett tak; enhetlighet gör det inte.