Mapa wzoru zlepiania się gromad, który galaktyki w naszym wszechświecie wykazują dzisiaj. Źródło zdjęcia: Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Space Flight Center.

Idealny wszechświat

Czy wszechświat urodził się całkowicie jednolity i nadal nas zrodził?

„Najpierw powinieneś sprawdzić mój dom. To trochę kulawe, ale o wiele mniej kulawe niż w twoim domu. -Lumpy Space Princess, Adventure Time

Kiedy myślisz o Wszechświecie, z pewnością nie myślisz o nim jako o gładkim, jednolitym miejscu. W końcu kępa podobna do planety Ziemia jest strasznie inna niż otchłań pustej przestrzeni! Jednak w największych skalach Wszechświat jest dość gładki, a na początku był gładki nawet w mniejszych skalach. Chociaż nasz Wszechświat ma z natury kwantową naturę i wszystkie towarzyszące mu fluktuacje kwantowe, możesz się zastanawiać, czy mógł się urodzić idealnie gładki i stamtąd wyrosnąć. Spójrzmy na Wszechświat, który mamy dzisiaj i przekonajmy się.

Ziemia, gwiazdy i Droga Mleczna zdecydowanie wykazują grudki, ale może powstały z wcześniejszego jednolitego stanu? Źródło zdjęcia: ESO / S. Guisard.

Na pobliskich skalach mamy gęste skupiska materii: rzeczy takie jak gwiazdy, planety, księżyce, asteroidy i ludzie. Pomiędzy nimi znajdują się ogromne odległości pustej przestrzeni, zamieszkane również przez bardziej rozproszone skupiska materii: gaz międzygwiezdny, pył i plazmę, które reprezentują resztki umierających i umierających gwiazd lub przyszłe lokalizacje gwiazd, które dopiero się narodzą . A wszystko to jest połączone w naszej wielkiej galaktyce: Drodze Mlecznej.

W większych skalach galaktyki mogą istnieć w izolacji (galaktyki polowe), mogą być powiązane w małe grupy, składające się tylko z kilku (jak nasza lokalna grupa), lub mogą istnieć w większej liczbie skupionych razem, zawierających setki, a nawet tysiące duże. Jeśli spojrzymy na jeszcze większe skale, stwierdzimy, że gromady i grupy są zbudowane wzdłuż gigantycznych włókien, z których niektóre rozciągają się na wiele miliardów lat świetlnych w kosmosie. A pomiędzy nimi? Olbrzymie pustki: poddenne regiony z niewielką liczbą galaktyk lub gwiazd lub wcale w nich wcale.

Zarówno symulacje (czerwona), jak i badania galaktyk (niebieskie / fioletowe) pokazują te same wzorce grupowania na dużą skalę. Zdjęcie: Gerard Lemson & the Virgo Consortium, via http://www.mpa-garching.mpg.de/millennium/.

Ale jeśli zaczniemy patrzeć na jeszcze większe łuski - w skali dziesiątków miliardów lat świetlnych - okaże się, że każdy konkretny obszar przestrzeni, na który patrzymy, wygląda bardzo podobnie jak każdy inny obszar przestrzeni kosmicznej. Ta sama gęstość, ta sama temperatura, ta sama liczba gwiazd i galaktyk, te same typy galaktyk itp. W największych skalach ze wszystkich żadna część naszego Wszechświata nie jest mniej więcej specjalna niż jakakolwiek inna część Wszechświat. Różne regiony przestrzeni wydają się mieć te same ogólne właściwości wszędzie i gdziekolwiek spojrzymy.

Źródło zdjęć: konsorcjum Virgo / A. Amblard / ESA (góra i środek), symulacji ciemnej materii i miejsca, w którym powinny znajdować się galaktyki; Konsorcjum ESA / SPIRE / konsorcja HerMES (u dołu) z Otworu Lockmana, w którym każda kropka jest galaktyką.

Ale nasz Wszechświat wcale nie zaczął od tych gigantycznych grudek i pustek. Kiedy patrzymy na najwcześniejszy „obraz dziecka” naszego Wszechświata - Kosmiczne Tło Mikrofalowe - stwierdzamy, że gęstość młodego Wszechświata była taka sama we wszystkich skalach absolutnie wszędzie. A kiedy mówię to samo, mam na myśli, że zmierzyliśmy, że temperatura wynosiła 3 K we wszystkich kierunkach, a następnie 2,7 K, a następnie 2,73 K, a następnie 2,725 K. Wszędzie było naprawdę jednolicie. Wreszcie w latach 90. odkryliśmy, że niektóre regiony były nieco gęstsze od średniej, a niektóre były nieco mniej gęste od średniej: o około 80–90 mikrokelwinów. Wszechświat był bardzo bardzo bardzo jednolity na początku, gdzie odstępy od idealnej jednolitości wynosiły zaledwie 0,003%.

Wahania tła kosmicznej mikrofalówki wynoszą od dziesiątek do setek µK, ale ogólna temperatura wynosi 2,725 K. Źródło zdjęcia: ESA i Planck Collaboration.

To zdjęcie niemowlęcia z satelity Planck pokazuje fluktuacje od doskonałej jednorodności, z czerwonymi „gorącymi punktami” odpowiadającymi obszarom poddennym i niebieskim „zimnymi punktami” odpowiadającymi obszarom nadmiernym: te, które wyrośnie w gwiazdę i galaktykę bogate regiony kosmiczne. Wszechświat wymagał tych niedoskonałości - tych nadmiernych gęstości i niedostatków - aby struktura w ogóle mogła się uformować.

Gdyby było idealnie jednorodne, żaden obszar kosmiczny nie przyciągałby preferencyjnie więcej materii niż jakikolwiek inny, a zatem z czasem nie nastąpiłby wzrost grawitacyjny. Ale jeśli zaczniesz od nawet tych drobnych niedoskonałości - kilku części na 100 000, od których zaczął się nasz Wszechświat - to z czasem minie 50 do 100 milionów lat, stworzyliśmy pierwsze gwiazdy we wszechświecie. Zanim minęło kilkaset milionów lat, stworzyliśmy pierwsze galaktyki. Z czasem minęło ponad pół miliarda lat, stworzyliśmy tak wiele gwiazd i galaktyk, że światło widzialne może swobodnie podróżować po wszechświecie bez wpadania w tę neutralną materię blokującą światło. Z czasem minęło wiele miliardów lat, mamy grudki i gromady galaktyk, które rozpoznajemy dzisiaj.

Czy byłoby możliwe stworzenie Wszechświata bez wahań? Taki, który urodził się idealnie gładko, ale z biegiem czasu te fluktuacje rosły? Odpowiedź brzmi: nie, jeśli stworzysz Wszechświat w sposób, w jaki powstał nasz. Widzicie, nasz obserwowalny Wszechświat pochodził z gorącego Wielkiego Wybuchu, gdzie Wszechświat nagle wypełnił się gorącym, gęstym morzem materii, antymaterii i promieniowania. Energia gorącego Wielkiego Wybuchu pochodziła z końca inflacji - kiedy energia związana z samą przestrzenią kosmiczną została przekształcona w materię i promieniowanie - podczas procesu znanego jako kosmiczne ogrzewanie. Ale Wszechświat nie nagrzewa się do tych samych temperatur we wszystkich lokalizacjach, ponieważ podczas inflacji występowały fluktuacje kwantowe, które rozciągały się w całym Wszechświecie! To jest źródło pochodzenia tych nadmiernie i zaniżonych regionów.

Podczas gdy kosmiczna inflacja rozciąga Wszechświat na płasko, rozciąga także kwantowe fluktuacje pustej przestrzeni w całym Wszechświecie, odciśając fluktuacje gęstości / energii na materiale czasoprzestrzeni. Źródło zdjęcia: E. Siegel.

Jeśli masz Wszechświat bogaty w materię i promieniowanie, który ma inflacyjne pochodzenie i znane nam prawa fizyki, będziesz miał te fluktuacje, które prowadzą do regionów nadmiernie i zaniżonych.

Ale co decydowało o ich wielkości? Czy mogły być mniejsze?

Odpowiedź brzmi: tak, jeśli inflacja wystąpiła przy niższych skalach energii lub jeśli potencjał inflacyjny miałby inne właściwości niż te, które musiał mieć, te fluktuacje mogłyby być znacznie, znacznie mniejsze. Mogły nie tylko być dziesięć razy mniejsze, ale sto, tysiąc, milion, miliard, a nawet mniejszy niż te, które mamy!

Inflacja doprowadziła do wybuchu Wielkiego Wybuchu i dała początek obserwowanemu Wszechświatowi, do którego mamy dostęp, ale to fluktuacje inflacji urosły do ​​obecnej struktury. Źródło zdjęcia: Bock i in. (2006, astro-ph / 0604101); modyfikacje E. Siegel.

Jest to niezwykle ważne, ponieważ tworzenie się struktury kosmicznej zajmuje dużo czasu. W naszym Wszechświecie przejście od tych początkowych fluktuacji do pierwszego ich pomiaru (CMB) zajmuje setki tysięcy lat. Przejście od CMB do momentu, w którym grawitacja umożliwia formowanie się pierwszych gwiazd Wszechświata, zajmuje około stu milionów lat.

Ale przejście od tych pierwszych gwiazd do wszechświata zdominowanego przez ciemną energię - takiej, w której nie powstanie żadna nowa struktura, jeśli nie jesteś już związany grawitacyjnie - nie jest to tak duży skok. Wszechświat potrzebuje tylko około 7,8 miliarda lat, aby Wszechświat zaczął przyspieszać, co oznacza, że ​​gdyby początkowe fluktuacje były znacznie mniejsze, nie stworzylibyśmy pierwszych gwiazd, powiedzmy, dziesięć miliardów lat po Wielkim Wybuchu , połączenie małych fluktuacji z ciemną energią zapewniłoby, że nigdy nie dostalibyśmy gwiazd.

Pojedyncza, masywna gwiazda może wyłonić się z zapadającej się chmury gazu, ale skala czasu może być ogromna, jeśli początkowe wahania skutkujące chmurą byłyby wystarczająco małe. Źródło zdjęcia: Mgławica Dziurka od klucza przez NASA / Hubble Heritage Team (STScI).

Jak małe musiałyby być te fluktuacje? Odpowiedź jest zaskakująca: tylko kilkaset razy mniejsza niż w rzeczywistości! Gdyby „skala” tych fluktuacji w CMB (poniżej) miała liczby, które byłyby w skali kilkunastu zamiast kilku tysięcy, nasz Wszechświat byłby szczęśliwy, gdyby do dziś miał w sobie nawet jedną gwiazdę lub galaktykę i z pewnością nie przypominają Wszechświata, który faktycznie mamy.

Wahania w różnych skalach powodują powstanie struktury, którą widzimy w różnych skalach. Bez niedoskonałości nie ma nic do wzrostu. Źródło zdjęcia: zespół naukowy NASA / WMAP.

Gdyby nie ciemna energia - gdybyśmy tylko mieli materię i promieniowanie - to w wystarczającym czasie moglibyśmy uformować strukturę we Wszechświecie bez względu na to, jak małe byłyby te początkowe fluktuacje. Ale ta nieuchronność przyspieszonej ekspansji daje naszemu Wszechświatowi poczucie pilności, której inaczej byśmy nie mieli, i sprawia, że ​​absolutnie konieczne jest, aby wielkość średnich fluktuacji wynosiła co najmniej około 0,00001% średniej gęstości, aby uzyskać Wszechświat ze wszystkimi znaczącymi związanymi strukturami. Zmniejsz swoje fluktuacje, a będziesz mieć Wszechświat bez niczego. Ale podnieś te fluktuacje do poziomu „masywnego” 0,003%, a nie będziesz mieć problemu z uzyskaniem Wszechświata, który wygląda tak jak nasz.

Z wahaniami nieco mniejszymi niż te, które mieliśmy, gromady galaktyk - jak ta tutaj pokazana - nigdy by nie istniały. Źródło zdjęcia: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) i Giovanni Anselmi (Coelum Astronomia), Hawaiian Starlight.

Nasz Wszechświat musiał się urodzić z grudkami, ale gdyby inflacja była inna, masy tych grudek również byłyby bardzo różne. Znacznie mniejszy i nie byłoby żadnej struktury. Znacznie większy i moglibyśmy mieć Wszechświat katastroficznie wypełniony czarnymi dziurami od bardzo, bardzo wczesnego czasu. Aby dać nam Wszechświat, którego dzisiaj potrzebowaliśmy, mieliśmy wyjątkowo przypadkową kombinację okoliczności. Na szczęście dla nas ta, którą otrzymaliśmy, wydaje się być właściwa.

Ten post pojawił się po raz pierwszy w Forbes i jest dostarczany bez reklam przez naszych zwolenników Patreon. Skomentuj nasze forum i kup pierwszą książkę: Beyond The Galaxy!