📶 🧟 👤 اسأل إيثان 101: لماذا كان الكون غير مستو؟ 🙇🏿 🧚🏻 👩🏼‍🚒

وبعبارة أخرى ، إذا كانت ناعمة تمامًا ، فهل ستظهر النجوم والمجرات بحلول اليوم؟

أول نظرة على منزلي. هو ، بالطبع ، على هذا النحو ، ولكن أقل من ذلك بكثير من منزلك.
- لامبي ، أميرة الفضاء ، وقت المغامرة

تخيل الكون ، ربما لا تعتقد أنه كله سلس ومتجانس. كتلة مثل كوكب الأرض تختلف بشكل واضح عن الفراغ الكوني! لكن على نطاق واسع ، الكون سلس تمامًا ، وفي أوقات سابقة كان ناعما وعلى نطاق أصغر. لقد تحدثت بالفعل عن هذا الأمر ، واخترت هذا الأسبوع ما يلي من أسئلتك:

لدي سؤال حول ما ذكرته عدة مرات خلال مناقشة CMB. على وجه التحديد ، إذا كان الكون متجانسًا تمامًا بعد الانفجار الكبير ، لما كان الهيكل قد تشكل. أفهم المفهوم. ولكن ما الذي يثير اهتمامي ، من وجهة نظر ميكانيكا الكم ، هل من الممكن أن يكون الكون متجانسًا تمامًا؟ وإذا لم يكن الأمر كذلك ، فهل من الممكن أن يكون لدينا كون أكثر اتساقًا في البداية ، والذي سيؤدي بالتالي إلى ما لدينا الآن ، فهل سيستغرق الأمر وقتًا أطول؟

دعونا نلقي نظرة على عالمنا اليوم.

على المقاييس القريبة ، لدينا كتل من المادة: النجوم والكواكب والأقمار والكويكبات والأشخاص. بينهما مساحات فارغة ضخمة تسكنها جلطات أكثر ندرة: الغاز بين النجوم والغبار والبلازما ، والتي هي إما بقايا النجوم الميتة والمحتضرة ، أو الأماكن المستقبلية حيث ستظهر النجوم. وكل هذا مرتبط معًا في مجرتنا العظيمة ، درب التبانة.

على نطاق واسع ، يمكن أن توجد المجرات في عزلة (المجرات الميدانية) ، أو يمكن ربطها معًا في مجموعات صغيرة (مثل مجموعة المجرات المحلية) ، أو موجودة في مجموعات كبيرة تضم مئات وآلاف المجرات الكبيرة. بالنظر إلى المقاييس الأكبر ، نجد أن التجمعات والمجموعات تقع على طول خيوط عملاقة ، بعضها يمتد إلى مليارات السنين الضوئية من الفضاء. وبينهما؟ الفراغات الضخمة ، الفراغات: مناطق متفرقة لا يوجد فيها شيء على الإطلاق ، أو هناك عدد قليل جدًا من المجرات والنجوم.

نظرة على مقاييس أكبر ، من عشرات المليارات من السنين الضوئية ، ستظهر أن أي مساحة في الفضاء تشبه إلى حد كبير أي منطقة أخرى. نفس الكثافة ونفس درجة الحرارة ونفس عدد النجوم والمجرات ونفس أنواع المجرات وما إلى ذلك.

على أكبر المقاييس ، لا يبدو جزء واحد من الكون خاصًا بالنسبة إلى الآخرين. يبدو أن مناطق مختلفة من الكون لها نفس الخصائص الأساسية مثل جميع المناطق الأخرى.

لكن في بداية كوننا لم يكن هناك هذه الكتل والفراغات العملاقة. إذا نظرنا إلى "صورة الرضيع" للكون - الإشعاع المنبعث (RI) - سنجد أن كثافة الكون الصغير كانت متساوية على جميع المقاييس حرفيا في كل مكان. وعندما أقول "نفس الشيء" ، أعني أنه وفقًا للقياسات ، كانت درجة الحرارة في جميع الاتجاهات 2 كيلو ، ثم 2.7 كيلو ، ثم 2.73 كيلو ، ثم 2.725 كيلو.

وأخيرًا ، بحلول التسعينيات ، وجدنا أن بعض المناطق كانت أكثر كثافة بقليل من المتوسط ، في حين كانت مناطق أخرى أقل ندرة من المتوسط بنسبة 80-90 ميكروكيلفين. كان الكون في الأيام الأولى في المتوسط متجانسًا جدًا ، ولم تتجاوز الانحرافات عن ذلك 0.003 ٪.

تظهر صورة الرضيع من القمر الصناعي بلانك انحرافات عن التجانس المثالي ، حيث تتطابق "النقاط الساخنة" الحمراء مع مناطق متفرقة و "البقع الباردة" الزرقاء إلى مناطق كثيفة: ثم تنمو إلى مناطق غنية بالنجوم والمجرات. كان الكون بحاجة إلى هذه العيوب - هذه الأماكن ذات الكثافة المتزايدة والمنخفضة - حتى تتشكل الهياكل.

إذا كانت موحدة تمامًا ، فلن تتمكن أي منطقة من الفضاء من جذب مادة أكثر من أي منطقة أخرى ، ولن يحدث نمو الجاذبية. ولكن حتى إذا بدأت بعيوب صغيرة جدًا - عدد قليل من الأجزاء لكل 100000 - فستكون النجوم الأولى في 50-100 مليون سنة. في بضع مئات من ملايين السنين ، ستظهر المجرات الأولى. في أكثر من نصف مليار عام بقليل ، ستظهر العديد من النجوم والمجرات أن الضوء المرئي سيكون قادرًا على السفر عبر الكون دون أن يواجه مادة محايدة تمنعه. في بلايين السنين ، ستظهر كتل وعناقيد المجرات التي نعرفها اليوم.

دعونا نعود بهذه المعرفة إلى سؤال جيم. هل من الممكن خلق كون بدون تقلبات؟ الجواب: لا ، إذا قمت بإنشائه بالطريقة التي تم إنشاؤها بها. جاء الجزء المرئي من الكون من الانفجار العظيم ، عندما امتلأ الكون فجأة ببحر ساخن وكثيف من المادة ، المادة المضادة والإشعاع.

جاءت طاقة الانفجار العظيم الساخن من نهاية التضخم - ثم تحولت الطاقة الكامنة في الفضاء نفسه إلى مادة وإشعاع - في عملية تعرف باسم التسخين الكوني الثانوي. لم يسخن الكون إلى درجة الحرارة نفسها في جميع الأماكن ، لأنه خلال التضخم كانت هناك تقلبات كمية تمتد عبر الكون! هذا هو أصل ظهور المناطق الكثيفة والمتفرقة.

إذا أخذنا الكون الغني بالمادة والإشعاع الذي حدث نتيجة للتضخم وإطاعة قوانين الفيزياء المعروفة لنا ، فسوف نحصل على مثل هذه التقلبات بالضبط ، مما يؤدي إلى ظهور مناطق كثيفة ومتفرقة.

ولكن ما الذي يحدد حجمها؟ هل يمكن أن تكون أصغر؟

الجواب: نعم ، يمكنهم. إذا حدث التضخم عند طاقات أقل ، أو إذا كان لإمكانية التضخم خصائص أخرى ، فقد تكون هذه التقلبات أصغر بكثير. ليس أقل بعشر مرات فقط ، بل مائة وألف ومليون وحتى مليار مرة أقل مما لدينا!

هذا مهم للغاية لأن تكوين الهياكل الفضائية يستغرق وقتًا طويلاً جدًا. في كوننا ، يستغرق الانتقال من التقلبات الأولية إلى الوقت الذي تمكنا فيه من قياسها (RI) مئات الآلاف من السنين. يستغرق الانتقال من RI إلى اللحظة التي تساهم فيها الجاذبية في تكوين النجوم الأولى مئات الملايين من السنين.

لكن الانتقال من النجوم الأولى إلى الكون ، حيث تهيمن الطاقة المظلمة - والتي لن تكون فيها هياكل جديدة ، فقط تلك التي ترتبط بالفعل بالجاذبية - ليست كبيرة جدًا. يحتاج الكون حوالي 7.8 مليار سنة من الانفجار الكبير إلى بداية التسارع. لذا ، إذا كانت التقلبات الأولية أصغر بكثير ، بحيث لم تتشكل النجوم الأولى في العشرة مليارات سنة الأولى بعد الانفجار الكبير ، فإن الجمع بين هذه التقلبات الصغيرة مع الطاقة المظلمة سيؤدي بالتأكيد إلى حقيقة أن النجوم لن تظهر على الإطلاق.

ما مدى صغر هذه التقلبات؟ الجواب سوف يفاجئك - فقط بضع مئات المرات أقل من إجابتنا! إذا كانت أعداد هذه التقلبات في الرسم البياني أدناه (RI) في منطقة العشرات ، بدلاً من عدة آلاف ، فسيكون الكون محظوظًا إذا كان سيحتوي اليوم على نجمة أو مجرة واحدة على الأقل ، وسيبدو بالتأكيد مختلفًا عن نجمنا. الكون.

إذا لم يكن من أجل الطاقة المظلمة - إذا كان لدينا المادة والإشعاع فقط - فعندئذ ، إذا كان هناك وقت كاف ، فيمكننا تشكيل الهياكل ، بغض النظر عن حجم التقلبات الأولية. لكن حتمية التوسع المتسارع تعطي بعض الإلحاح ، الذي لن يكون موجودًا لولا ذلك ، ويجعل من الضروري للغاية أن يكون متوسط التذبذب 0.00001 ٪ على الأقل من متوسط الكثافة ، بحيث توجد أي هياكل متصلة ملحوظة في الكون.

اجعل التقلبات أصغر ، ولن يكون هناك شيء في الكون على الإطلاق. ارفعهم إلى مستوى "ضخم" بنسبة 0.003٪ ، ولن تواجه أي مشاكل في إنشاء كون مشابه لكوننا.

ولد كوننا بمخالفات ، ولكن إذا كان التضخم مختلفًا ، فيجب أن تكون كتل هذه الكتل مختلفة. أصغر بقوة - ونتيجة لذلك ، لن يتم الحصول على الهياكل. أكثر من ذلك بكثير - وسيكون الكون مليئًا بشكل كارثي بالثقوب السوداء التي تكونت في وقت مبكر جدًا.

من أجل الحصول على مثل هذا الكون كما لدينا اليوم ، يجب أن يحدث مزيج ناجح جدًا من الظروف ، ولحسن الحظ ، فإن كوننا ، على ما يبدو ، هو الكون الصحيح.

اسأل إيثان 101: لماذا كان الكون غير مستو؟

وبعبارة أخرى ، إذا كانت ناعمة تمامًا ، فهل ستظهر النجوم والمجرات بحلول اليوم؟

More articles: