Карта на модела на струпване / струпване, който днес представят галактиките в нашата Вселена. Кредит за изображение: Грег Бейкън / STScI / NASA Goddard Център за космически полети.

Перфектна Вселена

Възможно ли е Вселената да се е родила напълно единна и все пак ни е родила?

- Първо, трябва да проверите къщата ми. Това е нещо като куца, но много по-малко куца от вашата къща. " -Lumpy космическа принцеса, време за приключения

Когато мислите за Вселената, със сигурност не мислите за нея като за едно гладко и еднородно място. В крайна сметка, буца като планетата Земя е ужасно различна от бездната на празното пространство! И все пак в най-големите мащаби Вселената е доста гладка и в ранни времена е била гладка дори на по-малки мащаби. Въпреки че нашата Вселена по своята същност е квантова по природа, с всички присъстващи квантови колебания, може да се чудите дали тя може да се е родила напълно гладко и просто да е отраснала оттам. Нека да разгледаме Вселената, която имаме днес и да разберем.

Земята, звездите и Млечният път определено показват тромавост, но може би те са възникнали от по-ранно, еднообразно състояние? Кредит за изображение: ESO / S. Guisard.

На близките везни имаме плътни буци материя: неща като звезди, планети, луни, астероиди и хора. Между тях се намират огромни разстояния от празно пространство, населено и от по-дифузни буци материя: междузвезден газ, прах и плазма, които представляват или останките на мъртви и умиращи звезди, или бъдещите места на звездите, които все още са родени. , И всички те са свързани заедно в нашата голяма галактика: Млечния път.

На по-големи мащаби галактиките могат да съществуват изолирано (полеви галактики), те могат да бъдат свързани в малки групи от само няколко (като нашата собствена местна група), или могат да съществуват в по-голям брой, групирани заедно, съдържащи стотици или дори хиляди големи. Ако разгледаме още по-големи мащаби, установяваме, че групите и групите са структурирани по гигантски нишки, някои от които се простират в продължение на много милиарди светлинни години в Космоса. И между тях? Гигантски празнини: недостатъчно плътни региони с малко или дори никакви галактики и звезди в тях.

И двете симулации (червени) и галактически проучвания (синьо / лилаво) показват еднакви мащабни модели на клъстеринг. Кредит за изображения: Джерард Лемсън и консорциумът Дева, чрез http://www.mpa-garching.mpg.de/millennium/.

Но ако започнем да гледаме на още по-големи мащаби - на везни с размер на десетки милиарди светлинни години - ще открием, че всеки конкретен регион от космоса изглежда много като всеки друг район на космоса. Една и съща плътност, същата температура, еднакъв брой звезди и галактики, същите типове галактики и т.н. В най-големите мащаби на всички никоя част от нашата Вселена не е по-малко или по-малко специална от която и да е друга част от Вселена. Различните региони на пространството изглежда имат еднакви общи свойства навсякъде и навсякъде, където гледаме.

Кредит за изображения: консорциум Дева / A. Amblard / ESA (отгоре и в средата), на симулация на тъмна материя и къде трябва да са галактиките; Консорциум ESA / SPIRE / HerMES консорциум (отдолу), от отвора Lockman, където всяка точка е галактика.

Но нашата Вселена изобщо не започна с тези гигантски бучки и празноти. Когато погледнем най-ранната „бебешка картина“ на нашата Вселена - космическият микровълнов фон - установяваме, че плътността на младата Вселена е една и съща на всички мащаби абсолютно навсякъде. И когато казвам същото, искам да кажа, че измерихме, че температурата е 3 K във всички посоки, а след това 2.7K, а след това 2.73K, а след това 2.725K. Навсякъде беше наистина, наистина еднообразно. И накрая, през 90-те години открихме, че има някои региони, които са малко по-плътни от средните и някои, които са малко по-малко плътни от средните: с около 80–90 микрокелвина. Вселената беше много, много равномерна в ранните си дни, където отклоненията от перфектната униформа бяха само 0,003% или около това.

Колебанията в космическия микровълнов фон варират от десетки до стотици µK, но общата температура е 2,725 K. Кредит за изображение: ESA и сътрудничество на Planck.

Тази бебешка снимка от спътника на Планк показва колебанията от перфектната равномерност, с червените „горещи точки“, съответстващи на районите с недостатъчна плътност, и сините „студени петна“, съответстващи на свръх плътните: тези, които ще прераснат в звезди и галактики- богати региони на космоса. Вселената изискваше тези несъвършенства - тези свръх плътности и недостатъци - така че тази структура изобщо да се образува.

Ако беше напълно равномерна, никой регион от космоса не би привлякъл за предпочитане повече материя, отколкото която и да е друга, и така гравитационният растеж не би се случил с течение на времето. Но ако започнете дори с тези малки несъвършенства - няколкото части в 100 000, с които започна нашата Вселена - тогава с времето от 50 до 100 милиона години минаваме, ние сме образували първите звезди във Вселената. По време на изминалите няколкостотин милиона години ние сме формирали първите галактики. По време на малко повече от половин милиард години сме формирали толкова много звезди и галактики, че видимата светлина може да пътува свободно из Вселената, без да се натъкне на тази блокираща светлина неутрална материя. И с времето са изминали много милиарди години, ние имаме бумките и струпванията на галактики, които днес разпознаваме.

Така че би било възможно да се създаде Вселена без колебания? Един, който се роди перфектно гладко, но нарастваше ли това колебание с течение на времето? Отговорът е: не, ако създадете Вселената по начина, по който е създадена нашата. Виждате ли, нашата наблюдавана Вселена идва от горещия Голям взрив, където Вселената изведнъж се напълни с горещо, гъсто море от материя, антиматерия и радиация. Енергията за горещия Голям взрив идва от края на инфлацията - където присъщата на самото пространство енергия се преобразува в материя и радиация - по време на процес, известен като космическо претопляне. Но Вселената не се загрява до едни и същи температури на всички места, защото по време на инфлация имаше квантови колебания, които се разтеглиха във Вселената! Това е коренът, откъдето идват тези свръхнапрегнати и недостатъчно натоварени региони.

Докато космическата инфлация разтяга Вселената плоска, тя също разтяга квантовите колебания на празното пространство в самата Вселена, отпечатвайки колебанията на плътността / енергията върху тъканта на космическото време. Кредитна снимка: Е. Сийгъл.

Ако имате богата на материя и радиация Вселена, която е имала инфлационен произход и законите на физиката, които познаваме, вие ще имате тези колебания, които водят до региони на свръхнатоварване и пренапрежение.

Но какво определи величината им? Можеха ли да са по-малки?

Отговорът е да: ако инфлацията е възникнала при по-ниски енергийни скали или ако инфлационният потенциал има различни свойства от тези, които трябва да има, тези колебания биха могли да са много, много по-малки. Те не само можеха да са нещо като десет пъти по-малки, но и сто, хиляда, милион, милиард или дори по-малки от тези, които имаме!

Инфлацията създаде горещия Голям взрив и породи наблюдаваната Вселена, до която имаме достъп, но това е колебанията от инфлацията, прераснали в структурата, която имаме днес. Кредитна снимка: Bock et al. (2006 г., astro-ph / 0604101); модификации от Е. Сийгел.

Това е изключително важно, защото формирането на космическата структура отнема много време. В нашата Вселена, за да преминем от тези първоначални колебания до първия път, когато можем да ги измерим (CMB), са необходими стотици хиляди години. За да преминете от CMB до когато гравитацията даде възможност за образуването на първите звезди на Вселената, са необходими около сто милиона години.

Но да преминете от първите звезди към тъмна енергия, доминирана във Вселената - такава, при която няма да се образува нова структура, ако вече не сте гравитационно обвързани - това не е толкова голям скок. Само от 7,8 милиарда години от Големия взрив Вселената започва да се ускорява, което означава, че ако първоначалните колебания бяха много по-малки, така че нямаше да формираме първите звезди до, да речем, десет милиарда години след Големия взрив , комбинацията от малки колебания с тъмна енергия би гарантирала, че изобщо няма да получим звезди.

От сриващ се газов облак може да изплува единична, масивна звезда, но времевите диапазони могат да бъдат огромни, ако първоначалното колебание в резултат на облака беше достатъчно малко. Кредитно изображение: мъглявината на ключодържателя чрез NASA / Hubble Heritage Team (STScI).

Колко малки биха били тези колебания? Отговорът е изненадващ: само няколкостотин пъти по-малък от тези, които всъщност имаме! Ако „мащабът“ на тези колебания в CMB (по-долу) имаше числа, които бяха в мащаба на дузина вместо няколко хиляди, нашата Вселена би имала късмет да има дори една звезда или галактика в нея до днес, и би със сигурност не изглеждат като Вселената, която всъщност имаме.

Колебанията в различни скали пораждат структурата, която виждаме в различни мащаби. Без несъвършенства няма какво да расте. Кредитно изображение: Научен екип на НАСА / WMAP.

Ако не беше тъмна енергия - ако всичко, което имахме, беше материя и радиация - тогава за достатъчно време бихме могли да формираме структура във Вселената, без значение колко малки са тези първоначални колебания. Но тази неизбежност на ускорено разширяване дава на нашата Вселена усещане за неотложност, което не бихме имали иначе, и прави абсолютно необходимо величината на средните колебания да е поне около 0,00001% от средната плътност, за да имаме Вселена с никакви забележими свързани структури. Направете колебанията си по-малки от това и ще имате Вселена, която няма нищо. Но повишете тези колебания до „масивно” ниво 0,003% и нямате проблем да получите Вселена, която изглежда точно като нашата.

С колебанията, малко по-малки от тези, които имахме, галактическите клъстери - като показаните тук - никога нямаше да съществуват. Кредит за изображение: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) и Джовани Анселми (Coelum Astronomia), Хавайска звездна светлина.

Нашата Вселена трябва да се е родила с бучки, но ако инфлацията беше различна, масите на тези бучки също биха били много различни. Много по-малки и изобщо нямаше да има структура. Много по-големи и можехме да имаме Вселена, катастрофално запълнена с черни дупки от много, много рано. За да ни даде Вселената, ние днес изисквахме изключително щастлива комбинация от обстоятелства и за щастие за нас, този, който ни беше даден, изглежда е точно.

Тази публикация за пръв път се появи във Forbes и е предоставена без реклами от нашите привърженици на Patreon. Коментирайте на нашия форум и купете първата ни книга: Beyond The Galaxy!