Obserwowalny wszechświat - Observable universe

Obserwowalny wszechświat
Obserwowalny wszechświat z pomiarami 01.png
Wizualizacja całego obserwowalnego wszechświata. Skala jest taka, że ​​drobne ziarna reprezentują kolekcje dużej liczby supergromad. SUPERGROMADA LOKALNA -home Drogi Mlecznej, jest oznaczony w centrum miasta, ale jest zbyt małe, aby je zobaczyć.
Średnica 8,8 × 10 26  m lub 880 Ym (28,5 Gpc lub 93 Gly )
Tom 3,566 × 10 80  m 3
Msza (zwykła materia) 1,5 × 10 53  kg
Gęstość (całkowitej energii) 9,9 × 10 -27  kg/m 3 (co odpowiada 6 protonom na metr sześcienny przestrzeni)
Wiek 13,799 ± 0,021  miliarda lat
Średnia temperatura 2,72548 K
Zawartość

Zaobserwować wszechświat jest kulisty obszar świata obejmujący wszystkie sprawę , że może być obserwowany z ziemi lub jego teleskopów kosmicznych i czujników badawczych w obecnym czasie, ponieważ promieniowanie elektromagnetyczne z tych przedmiotów ma czas do osiągnięcia układ słoneczny i Ziemia od początku ekspansji kosmologicznej . W obserwowalnym wszechświecie mogą znajdować się 2 biliony galaktyk , chociaż liczba ta została ostatnio oszacowana na zaledwie kilkaset miliardów na podstawie nowych danych z New Horizons . Zakładając, że wszechświat jest izotropowy , odległość do krawędzi obserwowalnego wszechświata jest mniej więcej taka sama we wszystkich kierunkach. Oznacza to, że obserwowalny wszechświat ma sferyczną objętość ( kulę ) wyśrodkowaną na obserwatorze. Każde miejsce we wszechświecie ma swój własny obserwowalny wszechświat, który może, ale nie musi, pokrywać się z tym, którego środkiem jest Ziemia.

Słowo obserwowalny w tym sensie nie odnosi się do zdolności nowoczesnej technologii do wykrywania światła lub innych informacji z obiektu, ani do tego, czy jest coś do wykrycia. Odnosi się do fizycznej granicy stworzonej przez samą prędkość światła . Żaden sygnał nie może podróżować szybciej niż światło, stąd istnieje maksymalna odległość (zwana horyzontem cząstek ), poza którą nic nie można wykryć, ponieważ sygnały nie mogły jeszcze do nas dotrzeć. Czasami astrofizycy rozróżniają widzialny wszechświat, który obejmuje tylko sygnały emitowane od czasu rekombinacji (kiedy atomy wodoru powstały z protonów i elektronów i fotonów zostały wyemitowane) – i obserwowalny wszechświat, który obejmuje sygnały od początku ekspansji kosmologicznej ( Wielki Wybuch). w tradycyjnej kosmologii fizycznej , koniec epoki inflacyjnej we współczesnej kosmologii).

Zgodnie z obliczeniami, aktualna odległość przemieszczania — właściwa odległość, uwzględniająca rozszerzenie Wszechświata od czasu wyemitowania światła — do cząstek, z których zostało wyemitowane kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (CMBR), które reprezentuje promień widzialnego Wszechświata , wynosi około 14,0 miliarda parseków (około 45,7 miliarda lat świetlnych), podczas gdy odległość do krawędzi obserwowalnego Wszechświata wynosi około 14,3 miliarda parseków (około 46,6 miliarda lat świetlnych), około 2% większa. Promień zatem obserwowalnego świata szacuje się na około 46,5 miliard lat świetlnych, a jego średnica około 28,5 gigaparsecs (93 miliardy lat świetlnych , lub 8,8 x 10 26 m i 2,89 x 10 27 stóp), co równa się 880 yottametres . Korzystając z gęstości krytycznej i średnicy obserwowalnego wszechświata, można obliczyć, że całkowita masa zwykłej materii we wszechświecie wynosi około 1,5 × 10 53  kg. W listopadzie 2018 roku astronomowie poinformowali, że pozagalaktyczne światło tła (EBL) wynosiło 4 × 10 84 fotony.

Ponieważ ekspansja wszechświata przyspiesza, wszystkie obecnie obserwowalne obiekty, poza naszą lokalną supergromadą , w końcu wydają się zastygać w czasie, emitując stopniowo coraz bardziej czerwone i słabsze światło. Na przykład obiekty z obecnym przesunięciem ku czerwieni z od 5 do 10 pozostaną obserwowalne przez nie więcej niż 4–6 miliardów lat. Ponadto światło emitowane przez obiekty znajdujące się obecnie poza pewną odległością (obecnie około 19 miliardów parseków) nigdy nie dotrze do Ziemi.

Wszechświat a obserwowalny wszechświat

Rozmiar całego wszechświata jest nieznany, a jego zasięg może być nieskończony. Niektóre części wszechświata są zbyt daleko, aby światło emitowane od Wielkiego Wybuchu miało wystarczająco dużo czasu, aby dotrzeć do Ziemi lub instrumentów kosmicznych, a zatem leżą poza obserwowalnym wszechświatem. W przyszłości światło z odległych galaktyk będzie miało więcej czasu na podróż, dzięki czemu można będzie obserwować dodatkowe regiony. Jednak dzięki prawu Hubble'a regiony dostatecznie odległe od Ziemi oddalają się od niej szybciej niż prędkość światła ( szczególna teoria względności uniemożliwia pobliskim obiektom w tym samym lokalnym regionie poruszanie się względem siebie z prędkością większą niż prędkość światła, ale nie ma takiego ograniczenia dla odległych obiektów, gdy przestrzeń między nimi się rozszerza; patrz zastosowanie odpowiedniej odległości do dyskusji), a ponadto tempo ekspansji wydaje się przyspieszać z powodu ciemnej energii .

Zakładając, że ciemna energia pozostaje stała (niezmienna stała kosmologiczna ), tak że tempo ekspansji wszechświata nadal przyspiesza, istnieje „granica przyszłej widoczności”, poza którą obiekty nigdy nie wejdą do naszego obserwowalnego wszechświata w nieskończonej przyszłości, ponieważ światło emitowane przez obiekty poza tym limitem nigdy nie mogło dotrzeć do Ziemi. (Subtelność polega na tym, że ponieważ parametr Hubble'a maleje z czasem, mogą wystąpić przypadki, w których galaktyka, która oddala się od Ziemi tylko nieco szybciej niż światło, emituje sygnał, który ostatecznie dociera do Ziemi). obliczona w odległości 19 miliardów parseków (62 miliardy lat świetlnych), przy założeniu, że wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, co implikuje liczbę galaktyk, które możemy kiedykolwiek teoretycznie obserwować w nieskończonej przyszłości (pomijając kwestię, że niektóre mogą być niemożliwe do zaobserwowania w praktyce z powodu przesunięcia ku czerwieni, o czym mowa w następnym akapicie) jest tylko większa niż liczba obecnie obserwowalna o współczynnik 2,36.

Koncepcja artysty w skali logarytmicznej obserwowalnego Wszechświata z Układem Słonecznym w centrum, planetami wewnętrznymi i zewnętrznymi , pasem Kuipera , obłokiem Oorta , Alfa Centauri , ramieniem Perseusza , galaktyką Drogi Mlecznej , Galaktyką Andromedy , pobliskimi galaktykami , Kosmiczną Siecią , Kosmicznym promieniowaniem mikrofalowym i niewidzialna plazma Wielkiego Wybuchu na krawędzi. Ciała niebieskie wydają się powiększone, aby docenić ich kształty.

Chociaż w zasadzie w przyszłości będzie można zaobserwować więcej galaktyk, w praktyce coraz większa liczba galaktyk będzie ekstremalnie przesunięta ku czerwieni z powodu trwającej ekspansji; tak bardzo, że wydają się znikać z pola widzenia i stać się niewidzialne. Dodatkową subtelnością jest to, że galaktyka w danej odległości poruszania się jest definiowana jako leżąca w „obserwowalnym wszechświecie”, jeśli możemy odbierać sygnały emitowane przez galaktykę w dowolnym wieku w jej przeszłej historii (powiedzmy, że sygnał wysłany z galaktyki tylko 500 milionów lata po Wielkim Wybuchu), ale z powodu ekspansji Wszechświata może nastąpić jakiś późniejszy wiek, w którym sygnał wysłany z tej samej galaktyki nigdy nie dotrze do Ziemi w żadnym punkcie w nieskończonej przyszłości (więc na przykład możemy nigdy nie zobaczyć, jak galaktyka wyglądała 10 miliardów lat po Wielkim Wybuchu), mimo że pozostaje w tej samej odległości przemieszczania się (odległość przemieszczania jest definiowana jako stała w czasie – w przeciwieństwie do właściwej odległości, która służy do określania prędkości recesji z powodu ekspansji przestrzeni), który jest mniejszy niż promień przemieszczania obserwowalnego wszechświata. Fakt ten można wykorzystać do zdefiniowania rodzaju kosmicznego horyzontu zdarzeń, którego odległość od Ziemi zmienia się w czasie. Na przykład aktualna odległość do tego horyzontu wynosi około 16 miliardów lat świetlnych, co oznacza, że ​​sygnał z zachodzącego obecnie zdarzenia może ostatecznie dotrzeć do Ziemi w przyszłości, jeśli zdarzenie znajduje się w odległości mniejszej niż 16 miliardów lat świetlnych, ale sygnał nigdy nie dotrze do Ziemi, jeśli zdarzenie będzie oddalone o więcej niż 16 miliardów lat świetlnych.

Zarówno popularne, jak i profesjonalne artykuły naukowe w kosmologii często używają terminu „wszechświat” w znaczeniu „obserwowalny wszechświat”. Można to uzasadnić na tej podstawie, że nigdy nie możemy dowiedzieć się niczego przez bezpośrednie eksperymenty na temat jakiejkolwiek części wszechświata, która jest przyczynowo odłączona od Ziemi, chociaż wiele wiarygodnych teorii wymaga całkowitego wszechświata znacznie większego niż wszechświat obserwowalny. Nie istnieją żadne dowody sugerujące, że granica obserwowalnego wszechświata stanowi granicę wszechświata jako całości, ani żaden z głównych modeli kosmologicznych nie sugeruje, że wszechświat ma jakąkolwiek fizyczną granicę, chociaż niektóre modele sugerują, że może to być skończona, ale nieograniczona, jak wielowymiarowy odpowiednik dwuwymiarowej powierzchni kuli, która ma skończoną powierzchnię, ale nie ma krawędzi.

Jest prawdopodobne, że galaktyki w naszym obserwowalnym wszechświecie stanowią tylko maleńki ułamek galaktyk we wszechświecie. Zgodnie z teorią kosmicznej inflacji wprowadzoną początkowo przez jej założycieli, Alana Gutha i D. Kazanasa, jeśli założyć, że inflacja rozpoczęła się około 10–37 sekund po Wielkim Wybuchu, to z prawdopodobnym założeniem, że rozmiar wszechświata przed inflacja była w przybliżeniu równa prędkości światła razy jej wiek, co sugerowałoby, że obecnie rozmiar całego Wszechświata wynosi co najmniej 3 × 10 23 (1,5 × 10 34 lat świetlnych) razy promień obserwowalnego Wszechświata.

Jeśli wszechświat jest skończony, ale nieograniczony, możliwe jest również, że wszechświat jest mniejszy niż wszechświat obserwowalny. W tym przypadku to, co uważamy za bardzo odległe galaktyki, może w rzeczywistości być zduplikowanymi obrazami pobliskich galaktyk, utworzonymi przez światło, które okrążyło wszechświat. Trudno jest przetestować tę hipotezę eksperymentalnie, ponieważ różne obrazy galaktyki pokazywałyby różne epoki w jej historii, a co za tym idzie, mogłyby wyglądać zupełnie inaczej. Bielewicz i in. twierdzą, że ustalają dolną granicę 27,9 gigaparseków (91 miliardów lat świetlnych) na średnicy ostatniej powierzchni rozpraszania (ponieważ jest to tylko dolna granica, ponieważ cały wszechświat jest prawdopodobnie znacznie większy, a nawet nieskończony). Ta wartość jest oparta na analizie kręgów dopasowania danych WMAP z 7 lat. Takie podejście zostało zakwestionowane.

Rozmiar

Obraz Hubble'a w ultragłębokim polu, przedstawiający region obserwowalnego wszechświata (odpowiednik wielkości obszaru nieba pokazany w lewym dolnym rogu), w pobliżu konstelacji Fornax . Każde miejsce to galaktyka składająca się z miliardów gwiazd. Światło z najmniejszych, najbardziej przesuniętych ku czerwieni galaktyk powstało prawie 14 miliardów lat temu.

Współrzędne współporuszające się z Ziemi do krawędzi obserwowalnego świata wynosi około 14,26 giga parsekach (46,5 mld lat świetlnych i 4,40 x 10 26  m) w każdym kierunku. Obserwowalny wszechświat jest zatem kulą o średnicy około 28,5 gigaparseków (93 miliardy lat świetlnych lub 8,8 × 10 26  m). Zakładając, że przestrzeń jest z grubsza płaska (w sensie bycia przestrzenią euklidesową ), rozmiar ten odpowiada poruszającej się objętości około1,22 × 10 4  Gpc 3 (4,22 × 10 5  Gly 3 lub3,57 × 10 80  m 3 ).

Cytowane powyżej liczby to odległości w chwili obecnej (w czasie kosmologicznym ), a nie odległości w momencie emisji światła. Na przykład, kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, które teraz widzimy, zostało wyemitowane w czasie odsprzęgania fotonów , oszacowano na około380 000 lat po Wielkim Wybuchu, który miał miejsce około 13,8 miliarda lat temu. Promieniowanie to zostało wyemitowane przez materię, która w międzyczasie w większości skondensowała się w galaktyki, a obecnie szacuje się, że galaktyki te znajdują się w odległości około 46 miliardów lat świetlnych od nas. Aby oszacować odległość do tej materii w momencie wyemitowania światła, możemy najpierw zauważyć, że zgodnie z metryką Friedmanna–Lemaître–Robertsona–Walkera , używaną do modelowania rozszerzającego się Wszechświata, jeśli w chwili obecnej otrzymujemy światło o ku czerwieni z z , a następnie współczynnik skali w okresie światła pierwotnie emitowanego przez dany

.

Dziewięcioletnie wyniki WMAP w połączeniu z innymi pomiarami dają przesunięcie ku czerwieni odsprzęgania fotonów jako z  = 1 091 0,64 ± 0,47 , co wskazuje, że współczynnik skalowania w czasie fotonów oddzielenie byłoby 1 / 1092,64 . Jeśli więc materia, która pierwotnie wyemitowała najstarsze fotony kosmicznego mikrofalowego tła (CMBR) ma obecną odległość 46 miliardów lat świetlnych, to w momencie odsprzęgania, kiedy fotony były pierwotnie emitowane, odległość ta wynosiłaby tylko około 42 milionów lat świetlnych. lat.

Odległość światło podróż do krawędzi obserwowalny wszechświat jest wiek Wszechświata podzielona przez prędkość światła , 13,8 miliarda lat świetlnych. Jest to odległość, jaką foton wyemitowany krótko po Wielkim Wybuchu, taki jak ten z mikrofalowego promieniowania tła , przebył, aby dotrzeć do obserwatorów na Ziemi. Ponieważ czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, odpowiadająca rozszerzaniu się przestrzeni , odległość ta nie odpowiada rzeczywistej odległości w żadnym momencie w czasie.

Struktura na dużą skalę

Gromady galaktyk, takie jak RXC J0142.9+4438 , są węzłami kosmicznej sieci, która przenika cały Wszechświat.
Wideo z kosmologicznej symulacji wszechświata lokalnego, pokazującej wielkoskalową strukturę gromad galaktyk i ciemnej materii

Badania nieba i mapowania różnych długościach fali pasma promieniowania elektromagnetycznego (w szczególności 21-cm emisji ) dostarczyły wielu informacji o treści i charakteru wszechświatowej strukturę „S. Organizacja struktury wydaje się przestrzegać hierarchiczny model z organizacji do skali od supergromad i włókien . Większa niż ta (w skali od 30 do 200 megaparseków), wydaje się, że nie istnieje ciągła struktura, zjawisko, które zostało określone jako Koniec wielkości .

Ściany, włókna, węzły i puste przestrzenie

Mapa kosmicznej sieci wygenerowana z algorytmu inspirowanego śluzową pleśń
Rekonstrukcja DTFE wewnętrznych części badania 2dF Galaxy Redshift Survey

Organizacja struktury prawdopodobnie zaczyna się na poziomie gwiezdnym, chociaż większość kosmologów rzadko zajmuje się astrofizyką na taką skalę. Gwiazdy są podzielone galaktyk , które z kolei mogą tworzyć grupy galaktyk , gromad , supergromadach , płyt, ścian i włókien , które są oddzielone przez ogromne pustek , tworząc szeroki piankowym konstrukcji czasami nazywany „kosmicznego internetowa”. Przed 1989 rokiem powszechnie zakładano, że zwirtualizowane gromady galaktyk są największymi istniejącymi strukturami i że są one rozmieszczone mniej więcej równomiernie w całym wszechświecie we wszystkich kierunkach. Jednak od początku lat 80. odkrywano coraz więcej struktur. W 1983 roku Adrian Webster zidentyfikował Webster LQG, dużą grupę kwazarów składającą się z 5 kwazarów. Odkrycie było pierwszą identyfikacją struktury wielkoskalowej i poszerzyło informacje o znanym grupowaniu materii we wszechświecie.

W 1987 roku Robert Brent Tully zidentyfikował Supergromadę Ryby-Cetus , włókno galaktyki, w której znajduje się Droga Mleczna. Ma średnicę około 1 miliarda lat świetlnych. W tym samym roku odkryto niezwykle duży region o znacznie niższym niż przeciętny rozkładzie galaktyk, Giant Void , który mierzy 1,3 miliarda lat świetlnych. W oparciu o dane z badania przesunięcia ku czerwieni , w 1989 Margaret Geller i John Huchra odkryli „ Wielki Mur ”, warstwę galaktyk o długości ponad 500 milionów lat świetlnych i szerokości 200 milionów lat świetlnych, ale grubości zaledwie 15 milionów lat świetlnych. Istnienie tej struktury przez tak długi czas umknęło uwadze, ponieważ wymaga ona lokalizowania położenia galaktyk w trzech wymiarach, co polega na łączeniu informacji o położeniu galaktyk z informacjami o odległości z przesunięć ku czerwieni . Dwa lata później astronomowie Roger G. Clowes i Luis E. Campusano odkryli Clowes-Campusano LQG , dużą grupę kwazarów mierzącą dwa miliardy lat świetlnych w najszerszym punkcie, która w momencie jej ogłoszenia była największą znaną strukturą we wszechświecie . W kwietniu 2003 roku odkryto kolejną wielkoskalową strukturę, Wielki Mur Sloan . W sierpniu 2007 r. w gwiazdozbiorze Eridanus wykryto możliwą superpustkę . Zbiega się to z " zimnym punktem CMB " , zimnym obszarem na niebie mikrofalowym , który jest wysoce nieprawdopodobny w obecnie preferowanym modelu kosmologicznym . Ta superpustka może spowodować zimną plamę, ale aby to zrobić, musiałaby być nieprawdopodobnie duża, prawdopodobnie miliard lat świetlnych, prawie tak duża, jak wspomniana powyżej Wielka Pustka.

Nierozwiązany problem w fizyce :

Największe struktury we wszechświecie są większe niż oczekiwano. Czy to są rzeczywiste struktury, czy losowe fluktuacje gęstości?

Symulowany komputerowo obraz obszaru przestrzeni o średnicy ponad 50 milionów lat świetlnych, przedstawiający możliwy wielkoskalowy rozkład źródeł światła we wszechświecie — dokładny względny udział galaktyk i kwazarów jest niejasny.

Inną wielkoskalową strukturą jest Protogromada SSA22 , zbiór galaktyk i ogromnych bąbelków gazu o średnicy około 200 milionów lat świetlnych.

W 2011 roku odkryto dużą grupę kwazarów U1.11 o średnicy około 2,5 miliarda lat świetlnych. 11 stycznia 2013 r. odkryto kolejną dużą grupę kwazarów, Huge-LQG , której średnicę zmierzono na cztery miliardy lat świetlnych, co było największą znaną strukturą we wszechświecie w tym czasie. W listopadzie 2013 roku astronomowie odkryli Wielki Mur Hercules-Corona Borealis , jeszcze większą strukturę dwa razy większą od poprzedniej. Zostało to określone przez mapowanie rozbłysków gamma .

W 2021 roku Amerykańskie Towarzystwo Astronomiczne ogłosiło wykrycie Wielkiego Łuku ; łańcuch galaktyk w kształcie półksiężyca, który ma długość 3,3 miliarda lat świetlnych, znajduje się 9,2 miliarda lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Boötesa z obserwacji uchwyconych przez Sloan Digital Sky Survey .

Koniec wielkości

The End of Greatness to skala obserwacyjna odkryta z grubsza 100  Mpc (w przybliżeniu 300 milionów lat świetlnych), w której grudkowatość obserwowana w wielkoskalowej strukturze wszechświata jest ujednolicona i izotropowana zgodnie z zasadą kosmologiczną . W tej skali nie jest widoczna żadna pseudolosowa fraktalność . W supergromady i włókna widoczne w mniejszych badań są losowo przydzieleni do tego stopnia, że sprawne rozmieszczenie wszechświecie jest widoczne gołym okiem. Dopiero po zakończeniu badań przesunięcia ku czerwieni z lat 90. można było dokładnie zaobserwować tę skalę.

Obserwacje

„Panoramiczny widok całego nieba w bliskiej podczerwieni ujawnia rozkład galaktyk poza Drogę Mleczną . Obraz pochodzi z 2MASS Extended Source Catalog (XSC) — ponad 1,5 miliona galaktyk oraz Point Source Catalog (PSC) — prawie 0,5 miliarda gwiazd Drogi Mlecznej. Galaktyki są oznaczone kolorami przez " przesunięcie ku czerwieni " uzyskane z przeglądów UGC , CfA , Tully NBGC, LCRS, 2dF , 6dFGS i SDSS (oraz z różnych obserwacji zgromadzonych przez NASA Extragalactic Database ) lub zdjęcia -wyprowadzone metrycznie z pasma K (2,2 μm). Niebieskie to najbliższe źródła ( z < 0,01), zielone to w umiarkowanych odległościach (0,01 < z < 0,04), a czerwone to najdalsze źródła, które rozwiązuje 2MASS (0,04 < z < 0.1). Mapa jest rzutowana z równym obszarem Aitoff w systemie galaktycznym (Droga Mleczna w środku)."

Innym wskaźnikiem struktury wielkoskalowej jest ' las Lyman-alpha '. Jest to zbiór linii absorpcyjnych, które pojawiają się w widmach światła z kwazarów , które interpretuje się jako wskazujące na istnienie ogromnych cienkich warstw gazu międzygalaktycznego (głównie wodoru ). Te arkusze wydają się zapadać we włókna, które mogą zasilać galaktyki, gdy rosną w miejscach, gdzie włókna krzyżują się lub są nadmiernie zagęszczone. Wczesnym bezpośrednim dowodem na istnienie tej kosmicznej sieci gazu było wykrycie w 2019 r. przez astronomów z gromady RIKEN Cluster for Pioneering Research w Japonii i Uniwersytetu Durham w Wielkiej Brytanii światła z najjaśniejszej części tej sieci, otaczającej i oświetlonej przez gromadę formujących się galaktyk, działając jako kosmiczne latarki do fluorescencji wodoru między skupiskami średniej wielkości poprzez emisje Lyman-alfa.

W 2021 r. międzynarodowy zespół, kierowany przez Rolanda Bacona z Centre de Recherche Astrophysique de Lyon, zgłosił pierwszą obserwację rozproszonej, rozszerzonej emisji Lyman-alfa z przesunięcia ku czerwieni 3,1 do 4,5, która śledziła kilka włókien sieci kosmicznej w skali 2,5-4 cMpc. we włóknistych środowiskach poza masywnymi strukturami typowymi dla węzłów sieciowych.

Wymagana jest pewna ostrożność przy opisywaniu struktur w skali kosmicznej, ponieważ rzeczy często różnią się od tego, jak wyglądają. Soczewkowanie grawitacyjne (zaginanie światła przez grawitację) może sprawić, że obraz będzie wyglądał, jakby pochodził z innego kierunku niż jego rzeczywiste źródło. Dzieje się tak, gdy obiekty na pierwszym planie (takie jak galaktyki) zakrzywiają się wokół czasoprzestrzeni (zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności ) i odchylają przechodzące promienie świetlne. Bardzo przydatne, silne soczewkowanie grawitacyjne może czasami powiększać odległe galaktyki, ułatwiając ich wykrycie. Słabe soczewkowanie (ścinanie grawitacyjne) przez interweniujący wszechświat ogólnie również subtelnie zmienia obserwowaną wielkoskalową strukturę.

Wielkoskalowa struktura Wszechświata również wygląda inaczej, jeśli do pomiaru odległości do galaktyk używa się tylko przesunięcia ku czerwieni . Na przykład, galaktyki znajdujące się za gromadą galaktyk są do niej przyciągane i spadają w jej kierunku, przez co są lekko przesunięte ku czerwieni (w porównaniu do tego, jak wyglądałyby, gdyby nie było gromady). Z drugiej strony rzeczy są lekko przesunięte ku czerwieni. Tak więc środowisko gromady wygląda na nieco zgniecione, jeśli do pomiaru odległości używa się przesunięć ku czerwieni. Odwrotny efekt działa na galaktyki znajdujące się już w gromadzie: galaktyki mają pewien losowy ruch wokół centrum gromady, a kiedy te losowe ruchy są przekształcane w przesunięcia ku czerwieni, gromada wydaje się wydłużona. Tworzy to „ palc Boga ” – iluzję długiego łańcucha galaktyk skierowanych na Ziemię.

Kosmografia kosmicznego sąsiedztwa Ziemi

W centrum supergromady Hydra-Centaurus anomalia grawitacyjna zwana Wielkim Atraktorem wpływa na ruch galaktyk w obszarze o średnicy setek milionów lat świetlnych. Wszystkie te galaktyki są przesunięte ku czerwieni , zgodnie z prawem Hubble'a . Wskazuje to, że oddalają się one od nas i od siebie nawzajem, ale różnice w ich przesunięciu ku czerwieni są wystarczające, aby ujawnić istnienie koncentracji masy odpowiadającej dziesiątkom tysięcy galaktyk.

Wielki Atraktor, odkryty w 1986 roku, leży w odległości od 150 milionów do 250 milionów lat świetlnych (250 milionów to najnowsze szacunki), w kierunku gwiazdozbiorów Hydry i Centaura . W jego sąsiedztwie przeważają duże stare galaktyki, z których wiele zderza się ze swoimi sąsiadami lub emituje duże ilości fal radiowych.

W 1987 roku astronom R. Brent Tully z Instytutu Astronomii Uniwersytetu Hawajskiego zidentyfikował coś, co nazwał supergromadą Ryby-Cetus , strukturę o długości miliarda lat świetlnych i średnicy 150 milionów lat świetlnych, w której, jak twierdził, wbudowana została Lokalna Supergromada.

Masa zwykłej materii

Masę obserwowalnego wszechświata często podaje się jako 10 50 ton lub 10 53 kg. W tym kontekście masa odnosi się do zwykłej materii i obejmuje ośrodek międzygwiazdowy (ISM) i ośrodek międzygalaktyczny (IGM). Wyklucza jednak ciemną materię i ciemną energię . Podaną wartość masy zwykłej materii we wszechświecie można oszacować na podstawie gęstości krytycznej. Obliczenia dotyczą tylko obserwowalnego wszechświata, ponieważ objętość całości jest nieznana i może być nieskończona.

Szacunki oparte na gęstości krytycznej

Gęstość krytyczna to gęstość energii, dla której wszechświat jest płaski. Jeśli nie ma ciemnej energii, jest to również gęstość, dla której ekspansja wszechświata znajduje się między ciągłą ekspansją a zapadaniem się. Z równań Friedmanna wartość gęstości krytycznej wynosi:

gdzie G jest stałą grawitacyjną, a H ​​= H 0 jest aktualną wartością stałej Hubble'a . Wartość H 0 , uzyskana dzięki teleskopowi Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej, wynosi H 0 = 67,15 kilometrów na sekundę na megaparsek. Daje to krytyczną gęstość0,85 × 10 -26  kg/m 3 (powszechnie podawany jako około 5 atomów wodoru na metr sześcienny). Gęstość ta obejmuje cztery istotne typy energii/masy: zwykłą materię (4,8%), neutrina (0,1%), zimną ciemną materię (26,8%) i ciemną energię (68,3%). Chociaż neutrina są cząstkami Modelu Standardowego , są wymienione osobno, ponieważ są ultrarelatywistyczne i dlatego zachowują się raczej jak promieniowanie niż jak materia. Gęstość zwykłej materii, mierzona przez Plancka, wynosi 4,8% całkowitej gęstości krytycznej lub4,08 × 10 -28  kg/m 3 . Aby zamienić tę gęstość na masę, musimy pomnożyć przez objętość, wartość opartą na promieniu „obserwowalnego wszechświata”. Ponieważ Wszechświat rozszerza się od 13,8 miliarda lat, odległość przemieszczania (promień) wynosi obecnie około 46,6 miliarda lat świetlnych. Tak więc objętość (4/3πr 3 ) równa się3,58 × 10 80  m 3 a masa zwykłej materii równa się gęstości (4,08 × 10 −28  kg/m 3 ) razy objętość (3,58 × 10 80  m 3 ) lub1,46 x 10 53  kilogramy .

Zawartość materii – liczba atomów

Zakładając, że masa zwykłej materii wynosi około 1,45 × 10 53  kg, jak omówiono powyżej, i zakładając, że wszystkie atomy są atomami wodoru (które stanowią około 74% wszystkich atomów w naszej galaktyce pod względem masy, patrz Obfitość pierwiastków chemicznych ), szacowana całkowita liczba atomów w obserwowalnym wszechświecie wynosi otrzymany przez podzielenie masy zwykłej materii przez masę atomu wodoru (1,45 × 10 53  kg podzielone przez1,67 x 10 -27  kilogramy ). Rezultatem jest około 10 80 atomów wodoru, znanych również jako liczba Eddingtona .

Najbardziej odległe obiekty

Najdalszym zidentyfikowanym obiektem astronomicznym (stan na 2016 r.) jest galaktyka sklasyfikowana jako GN-z11 . W 2009 roku Ray wybuch gamma , GRB 090423 , stwierdzono, że posiada przesunięcie ku czerwieni 8,2, co wskazuje, że zawaleniem gwiazda, która go spowodowała eksplodowała, gdy Wszechświat miał zaledwie 630 milionów lat. Rozbłysk miał miejsce około 13 miliardów lat temu, więc w mediach powszechnie cytowano odległość około 13 miliardów lat świetlnych (lub czasami bardziej dokładną liczbę 13,035 miliardów lat świetlnych), chociaż byłaby to „odległość podróży światła” (patrz Miary odległości (kosmologia) ) zamiast " właściwej odległości " używanej zarówno w prawie Hubble'a, jak i przy określaniu rozmiaru obserwowalnego wszechświata (kosmolog Ned Wright argumentuje przeciwko powszechnemu używaniu odległości podróży światła w astronomicznych komunikatach prasowych na tej stronie , a na dole strony znajdują się kalkulatory online, których można użyć do obliczenia aktualnej właściwej odległości do odległego obiektu w płaskim wszechświecie na podstawie przesunięcia ku czerwieni z lub czasu podróży światła). Właściwa odległość dla przesunięcia ku czerwieni wynoszącego 8,2 wynosiłaby około 9,2 Gpc , czyli około 30 miliardów lat świetlnych. Innym rekordzistą dla najbardziej odległych obiektów jest galaktyka obserwowana przez i znajdująca się poza Abell 2218 , również z odległością podróży światła około 13 miliardów lat świetlnych od Ziemi, z obserwacjami z teleskopu Hubble'a wskazującymi na przesunięcie ku czerwieni między 6,6 a 7,1 oraz obserwacje z teleskopów Kecka wskazują na przesunięcie ku czerwieni w kierunku górnego końca tego zakresu, około 7. Światło galaktyki, które można teraz obserwować na Ziemi, zaczęłoby emanować ze swojego źródła około 750 milionów lat po Wielkim Wybuchu .

Horyzonty

Granica obserwowalności w naszym wszechświecie jest wyznaczona przez zestaw kosmologicznych horyzontów, które ograniczają — na podstawie różnych fizycznych ograniczeń — stopień, w jakim możemy uzyskać informacje o różnych wydarzeniach we wszechświecie. Najbardziej znanym horyzontem jest horyzont cząstek, który ze względu na skończony wiek wszechświata wyznacza granicę dokładnej odległości, którą można zobaczyć . Dodatkowe horyzonty są związane z możliwym przyszłym zasięgiem obserwacji (większe niż horyzont cząstek ze względu na rozszerzanie się przestrzeni ), „horyzont optyczny” na powierzchni ostatniego rozproszenia oraz powiązane horyzonty z powierzchnią ostatniego rozproszenia dla neutrin i grawitacji fale .

Schemat naszej lokalizacji w obserwowalnym wszechświecie. ( Obraz alternatywny . )
Logarytmiczna mapa obserwowalnego wszechświata. Od lewej do prawej statki kosmiczne i ciała niebieskie są ułożone zgodnie z ich odległością od Ziemi.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki