Et kort over det klumpende / klyngende mønster, som galakser i vores univers viser i dag. Billedkredit: Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Space Flight Center.

Et perfekt univers

Kunne universet være født helt ensartet og stadig have givet anledning til os?

”Først skal du tjekke mit hus. Det er ligesom temmelig halt, men langt mindre halt end, som dit hus. ” -Lumpy Space Princess, Adventure Time

Når du tænker på universet, tænker du bestemt ikke på det som et glat, ensartet sted. Når alt kommer til alt er en klump som planeten Jorden forfærdeligt anderledes end det tomme rum afgrund! Alligevel er universet på de største skalaer temmelig glat, og på tidlige tidspunkter var det glat selv på mindre skalaer. Selvom vores univers er i sagens natur kvante med alle de dertil knyttede kvanteudsving, kan du måske spekulere på, om det kunne have været født perfekt glat og simpelthen vokset derfra. Lad os se på det univers, vi har i dag, og finde ud af det.

Jorden, stjernerne og Mælkevejen viser bestemt klumphed, men måske stod de fra en tidligere, ensartet tilstand? Billedkredit: ESO / S. Guisard.

På nærliggende skalaer har vi tætte klumper af stof: ting som stjerner, planeter, måner, asteroider og mennesker. I mellem dem er store afstande af tomt rum, befolket også af mere diffuse klumper af stof: interstellar gas, støv og plasma, der repræsenterer enten resterne af døde og døende stjerner eller de fremtidige placeringer af stjerner, der endnu er at blive født . Og alle disse er bundet sammen i vores store galakse: Mælkevejen.

På større skalaer kan galakser eksistere isoleret (feltgalakser), de kan bindes sammen i små grupper på bare et par få (som vores egen lokale gruppe), eller de kan eksistere i større antal klynger sammen, der indeholder hundreder eller endda tusinder af store. Hvis vi ser på endnu større skalaer, finder vi ud af, at klynger-og-grupper er struktureret langs gigantiske filamenter, hvoraf nogle strækker sig i mange milliarder lysår på tværs af kosmos. Og imellem dem? Kæmpe tomrum: underdense regioner med få eller endda ingen galakser og stjerner i dem overhovedet.

Både simuleringer (rød) og galakseundersøgelser (blå / lilla) viser de samme storskala klyngemønstre. Billedkredit: Gerard Lemson & Virgo Consortium, via http://www.mpa-garching.mpg.de/millennium/.

Men hvis vi begynder at se på endnu større skalaer - på skalaer titusindvis af milliarder lysår i størrelse - finder vi ud af, at et bestemt rumområde, vi ser på, ligner meget enhver anden region i rummet. Den samme densitet, den samme temperatur, det samme antal stjerner og galakser, de samme typer galakser osv. På de største skalaer af alle er ingen del af vores univers noget mere eller mindre specielt end nogen anden del af Univers. Forskellige rumområder synes alle at have de samme generelle egenskaber overalt og overalt, hvor vi ser.

Billedkredit: Jomfruekonsortium / A. Amblard / ESA (top og midten), af en simulering af mørkt stof, og hvor galakserne skal være; ESA / SPIRE Consortium / HerMES konsortier (nederst) fra Lockman Hole, hvor hver prik er en galakse.

Men vores univers startede overhovedet ikke med disse gigantiske klumper og hulrum. Når vi ser på det tidligste "babybillede" af vores univers - den kosmiske mikrobølgebakgrund - finder vi, at densiteten for det unge univers var den samme på alle skalaer absolut overalt. Og når jeg siger det samme, mener jeg, vi målte, at temperaturen var 3 K i alle retninger, og derefter 2,7 K, og derefter 2,73 K, og derefter 2,725K. Det var virkelig, virkelig ensartet overalt. Endelig i 1990'erne opdagede vi, at der var nogle regioner, der bare var lidt tættere end gennemsnittet, og nogle, der bare var lidt mindre tæt end gennemsnittet: ca. 80-90 mikrokelvin. Universet var i gennemsnit meget, meget ensartet i de tidlige dage, hvor afgang fra perfekt ensartethed kun var 0,003%.

Svingningerne i den kosmiske mikrobølgebakgrund varierer fra titusinder til hundreder af μK, men den samlede temperatur er 2.725 K. Billedkredit: ESA og Planck-samarbejdet.

Dette babybillede fra Planck-satellitten viser udsvingene fra perfekt ensartethed, med de røde "hot spots" svarende til de underdense regioner og de blå "kolde pletter" svarende til overdense: dem, der vil vokse til stjerne-og-galakse- rige regioner med plads. Universet krævede disse ufuldkommenheder - disse overdensiteter og underdensiteter - så strukturen overhovedet ville danne sig.

Hvis det var perfekt ensartet, ville ingen region i rummet fortrinsvis tiltrække mere stof end nogen anden, og derfor ville ingen gravitationsvækst forekomme over tid. Men hvis du starter med endda de små ufuldkommenheder - de få dele i 100.000, som vores univers begyndte med - så går 50 til 100 millioner år med tiden, har vi dannet de første stjerner i universet. Efterhånden som der er gået et par hundrede millioner år, har vi dannet de første galakser. Efterhånden som lidt over en halv milliard år er gået, har vi dannet så mange stjerner og galakser, at synligt lys kan rejse frit over hele universet uden at løbe ind i den lysblokerende neutrale stof. Og efterhånden som mange milliarder af år er gået, har vi de klumper og klynger af galakser, vi genkender i dag.

Så ville det være muligt at skabe et univers uden udsving? En, der blev født perfekt glat, men voksede disse udsving efterhånden som tiden gik? Svaret er: ikke hvis du opretter universet, som vores blev skabt. Du kan se, vores observerbare univers kom fra den varme Big Bang, hvor universet pludselig blev fyldt med et varmt, tæt hav af stof, antimaterie og stråling. Energien til den varme Big Bang kom fra slutningen af ​​inflationen - hvor energi iboende i rummet selv blev omdannet til stof og stråling - under en proces, der blev kendt som kosmisk genopvarmning. Men universet varmer ikke op til de samme temperaturer på alle steder, for under inflationen var der kvanteudsving, der blev strakt over hele universet! Dette er roden til, hvor disse overdense og underdense regioner kom fra.

Mens kosmisk inflation strækker universet fladt, strækker den også kvantesvingningerne i tomt rum over selve universet og præciserer densitet / energisvingninger på stoffet i rumtiden. Billedkredit: E. Siegel.

Hvis du har et materie-og-stråling-rigt univers, der havde en inflatorisk oprindelse og fysikloverne, som vi kender, vil du have disse udsving, der fører til overdense og underdense regioner.

Men hvad bestemte deres størrelse? Kunne de have været mindre?

Svaret er ja: hvis inflationen fandt sted i lavere energiskalaer, eller hvis inflationspotentialet havde forskellige egenskaber end dem, den må have haft, kunne disse udsving have været meget, meget mindre. De kunne ikke kun have været noget som ti gange mindre, men hundrede, tusind, en million, en milliard eller endda mindre end dem, vi har!

Inflation oprettede den varme Big Bang og gav anledning til det observerbare univers, vi har adgang til, men det er udsvingene fra inflationen, der voksede ind i den struktur, vi har i dag. Billedkredit: Bock et al. (2006, astro-ph / 0604101); ændringer af E. Siegel.

Dette er afgørende vigtigt, fordi kosmisk strukturdannelse tager lang tid at ske. Det går hundrede tusinder af år at gå fra disse indledende udsving til første gang, vi kan måle dem (CMB). For at gå fra CMB til når tyngdekraften muliggør dannelsen af ​​universets første stjerner, tager det omkring hundrede millioner år.

Men at gå fra de første stjerner til et mørkt energidomineret univers - en, hvor der ikke vil dannes nogen ny struktur, hvis du ikke allerede er bundet af gravitations - det er ikke et så stort spring. Det tager kun ca. 7,8 milliarder år fra Big Bang for universet at begynde at accelerere, hvilket betyder, at hvis de indledende udsving var meget mindre, så vi ikke ville have dannet de første stjerner før, for eksempel, ti milliarder år efter Big Bang , kombinationen af ​​små udsving med mørk energi ville sikre, at vi aldrig får stjerner overhovedet.

En enkelt, massiv stjerne kan komme ud af en kollapsende gassky, men tidsplanerne kan være enorme, hvis den indledende udsving resulterende i skyen var lille nok. Billedkredit: Nøglehulletågen via NASA / Hubble Heritage Team (STScI).

Hvor små ville de svingninger skulle have været? Svaret er overraskende: kun et par hundrede gange mindre end dem, vi faktisk har! Hvis "skalaen" af disse udsving i CMB (nedenfor) havde tal, der var på skalaen fra et dusin i stedet for et par tusind, ville vores univers have været heldig at have endda en stjerne eller galakse i det i dag, og ville ser bestemt ikke ud som det univers, vi faktisk har.

Svingninger i forskellige skalaer giver anledning til den struktur, vi ser på forskellige skalaer. Uden ufuldkommenheder er der intet at vokse. Billedkredit: NASA / WMAP videnskabsteam.

Hvis det ikke var for mørk energi - hvis alt hvad vi havde var stof og stråling - så i nok tid, kunne vi danne struktur i universet, uanset hvor små de oprindelige udsving var. Men den uundgåelighed af en accelereret ekspansion giver vores univers en følelse af presserende hastighed, som vi ikke ville have haft ellers, og gør det absolut nødvendigt, at størrelsen af ​​de gennemsnitlige udsving er mindst ca. 0,00001% af den gennemsnitlige tæthed for at have en Univers med overvejende markante bundne strukturer. Gør dine udsving mindre end det, og du har et univers uden overhovedet intet. Men hæv disse udsving op til et "massivt" 0,003% niveau, og du har ikke noget problem med at få et univers, der ligner vores.

Med udsving kun lidt mindre end dem, vi havde, ville galakse-klynger - som den her vist - aldrig være kommet til at eksistere. Billedkredit: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) & Giovanni Anselmi (Coelum Astronomia), Hawaiian Starlight.

Vores univers må have været født med klumper, men hvis inflationen var anderledes, ville masserne af disse klumper også have været meget forskellige. Meget mindre, og der ville overhovedet ikke være nogen struktur. Meget større, og vi kunne have haft et univers katastrofalt fyldt med sorte huller fra en meget, meget tidlig tid. For at give os det univers, vi har i dag, krævede vi en ekstremt heldig kombination af omstændigheder, og heldigvis for os ser den, vi fik, ud til at være helt rigtig.

Dette indlæg blev første gang vist på Forbes og bringes til dig annoncefrit af vores Patreon-tilhængere. Kommenter til vores forum, og køb vores første bog: Beyond The Galaxy!