Всесвіт: Космос, який невидимий на 95%

Подивіться вгору в ясну ніч, і кожна зірка, планета та сяюча туманність, яку ви можете бачити, належить до невеликої меншості. Темна матерія становить 85% загальної маси всесвіту, тоді як темна матерія та темна енергія разом становлять 95% його загального вмісту мас-енергії. Звичайна матерія – все, що складається з атомів, включаючи кожну зірку та кожного читача цієї сторінки, – це помилка округлення в порівнянні.

Всесвіт – це все: вся матерія, енергія та структури, які вони утворюють, від субатомних частинок до галактичних нитів. Він розширюється протягом 13,8 мільярда років, починаючи з густого вогняної кулі під час Великого Вибуху, і космологи протягом останнього століття намагалися зрозуміти, наскільки дивне це розширення та його вміст.

Частина всесвіту, яку ми можемо фактично спостерігати, – це сфера, зосереджена на Землі. Правильна відстань між Землею та краєм спостережуваного всесвіту становить 46 мільярдів світлових років, що робить цілу бульбашку шириною приблизно 93 мільярди світлових років. Це число дивує людей, які припускають, що «13,8 мільярда років» повинна обмежити видимий всесвіт радіусом 13,8 мільярда світлових років.

Рішення полягає в тому, що світло та простір роблять дві різні речі. Світло від краю спостережуваного всесвіту мандрувало близько 13,8 мільярда років, проте правильна відстань до цього краю більша, оскільки край та Земля продовжували відаляватися, поки сам простір розширювався під час подорожі. Світло старе; простір, який воно перетинало, продовжує розтягуватися під ним.

Ніхто не знає, як велике загальне всесвіту – тільки скільки його ми можемо бачити звідси. Цифра 93 мільярди світлових років – це горизонт, а не стіна.

Всередині цього горизонту цифри стають майже абсурдними. Спостережуваний всесвіт містить до оцінки 2 трильйонів галактик, та загалом до оцінки 10^24 зірок – більше зірок, ніж усіх піщинок на кожному пляжі на Землі.

Це порівняння – не риторична фігура; це вид числа, яке припиняє щось означати, щойно ви спробуєте його собі уявити. Два трильйони галактик – це приблизно 250 галактик на кожного нині живої людини, і кожна з цих галактик може містити сотні мільярдів зірок. Чумацький Шлях – це одна галактика серед цього числа, орбітуючи нічого особливого, у жодному особливому місці.

Ось частина, яка тримає фізиків в напрузі вночі: більшість цієї мас-енергії взагалі не складається з атомів. Щільність мас-енергії всесвіту становить 68% темна енергія, 27% темна матерія, та 5% звичайна матерія – речовина зірок, планет та людей.

Темна матерія сама по собі оцінюється на 26,8% загальної мас-енергії всесвіту, але 84,5% усієї матерії в ньому. Іншими словами, коли астрономи говорять про «матерію» в космічному сенсі, п'ять з кожних шести одиниць – це темна матерія, а не атоми. Вона не випромінює, не поглинає та не відбиває світло, і її присутність виводиться виключно з її гравітації – вона просто не з'являється в 5%, який ми можемо безпосередньо виявити.

Навіть 5%, позначені як «звичайна матерія», введуть в оману, якщо уявляти зірки. Більшість звичайної матерії у всесвіті невидима, оскільки видимі зірки та газ всередині галактик та скупчень становлять менше 10% вкладу звичайної матерії в щільність мас-енергії всесвіту. Більшість атомів, які існують, не сяють ніде – це розріджений газ, розсипаний між та навколо галактик, ніколи не дуже щільний для займання.

Фізика передбачає, що Великий Вибух мав б створити матерію та антиматерію в рівних кількостях, які б знищили одна одну в чистої енергії та не залишили б нічого позаду – жодних галактик, жодних зірок, жодних читачів. Очевидно, це не сталося: всесвіт має 10 мільярдів разів більше матерії, ніж антиматерії.

Це дисбалансоване співвідношення – одна з відкритих головоломок космології, і це також причина того, що взагалі щось існує. Навіть з перевагою матерії на десять мільярдів до одного, результуючий всесвіт залишається чудово розрідженим. Середня щільність всесвіту, розподілена по всьому цьому простору, становить приблизно 1 протон на 200 літрів – порожніше за найкращу вакуумну камеру, коли-небудь побудовану на Землі.

Реліктове випромінювання, або РВ, – це найближче, що має космологія до дитячої фотографії. Це залишок сяйва від приблизно 380 000 років після Великого Вибуху, коли температура всесвіту вперше впала до того, що ядра могли поєднуватися з електронами для створення нейтральних атомів, дозволяючи світлу вільно подорожувати вперше.

Те сяйво охолоджувалося з тих пір. Сьогодні РВ має термічний спектр чорного тіла при температурі 2,72548±0,00057 К – кілька градусів вище абсолютного нуля, однорідний по всьому небу.

Це було виявлено майже випадково. Відкриття РВ у 1964 році американськими радіоастрономами Арно Аллан Пензіасом та Робертом Вудро Вільсоном було кульмінацією роботи, розпочатої в 1940-х роках; вони намагалися усунути шум з радіоантени та замість цього натрапили на залишкову тепло самого Великого Вибуху.

РВ також майже, але не зовсім, абсолютно гладка. Вона ізотропна приблизно до однієї частини на 25 000, з середньоквадратичними варіаціями трохи більше 100 μК, коли дипольний момент, спричинений нашим власним рухом, вирахований. Цей диполь сам по собі заслуговує на увагу: він спричинений власною своєрідною швидкістю Сонця 369,82±0,11 км/с відносно комовіючої космічної системи відліку спокою, коли Сонячна система дрейфує до сузір'я Чаші біля його межі з Левом. Навіть стоячи нерухомо на Землі, ви перебуваєте за найдревнішим світлом всесвіту з цією швидкістю.

Темна енергія – найстраніший інгредієнт суміші, саме тому, що вона така тонка. Щільність темної енергії дуже низька, приблизно 7×10−30 г/см3, набагато менша від щільності звичайної матерії чи темної матерії всередині галактик. Одна галактика запаковує значно більше маси в її об'єм, ніж темна енергія робить в одному просторі.

Однак вона домінує в загальному енергетичному бюджеті всесвіту, оскільки, на відміну від матерії, вона не розрідить, коли простір розширюється – вона заповнює кожен новий кубічний метр простору при тій же низькій щільності, і простір продовжує створювати більше кубічних метрів. Доказ того, що цей штовх реальний, а не теоретичний, дійшов у 1999 році: Проект космології Наднових знайшов докази того, що розширення всесвіту прискорюється, а не уповільнюється під його власною гравітацією, як припускали астрономи. Щось відштовхувало гравітацію на найбільших масштабах, і це виграє з тих пір.

На зовнішній межі спостережуваного всесвіту знаходиться нинішній рекордсмен за відстанню: найдальший виявлений астрономічний об'єкт – це галактика, класифікована як MoM-z14, з червоним зміщенням 14,44. Її світло вийшло в дорогу, коли всесвіт був малою часткою свого нинішнього віку, і мандрує до нас з тих пір.

Відсуньтеся у масштабі скупчень галактик та надскупчень, і структура всесвіту в кінцевому підсумку вичерпується. У масштабах між 30 та 200 мегапарсеками, схоже, немає подальшої великомасштабної структури всесвіту, явище, на яке посилаються як Кінець Величі – поза цим розміром, космічна мережа струменів та порожнеч дає місце всесвіту, який виглядає статистично однаковим в усіх напрямках. Структура має стелю; однорідність ні.

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