Fragen Sie Ethan 101: Warum war das Universum ungleichmäßig?
Mit anderen Worten, wenn es vollkommen glatt wäre, würden heute Sterne und Galaxien erscheinen?
Schau dir zuerst mein Haus an. Er ist natürlich so lala, aber viel weniger so lala als dein Haus.
- Klumpige Weltraumprinzessin, Abenteuerzeit
Wenn Sie sich das Universum vorstellen, denken Sie wahrscheinlich nicht, dass alles glatt und homogen ist. Ein Klumpen wie der Planet Erde unterscheidet sich deutlich von der kosmischen Leere! Aber im großen Maßstab ist das Universum ziemlich glatt, und in früheren Zeiten war es glatt und im kleineren Maßstab. Ich habe bereits darüber gesprochen und diese Woche Folgendes aus Ihren Fragen ausgewählt:Ich habe eine Frage zu dem, was Sie während der Diskussion über CMB mehrmals gesagt haben. Insbesondere wenn das Universum nach dem Urknall vollkommen einheitlich wäre, hätte sich die Struktur nicht gebildet. Ich verstehe das Konzept. Aber was mich aus quantenmechanischer Sicht interessiert, ist es möglich, dass das Universum vollkommen homogen ist? Und wenn nicht, wäre es möglich, zu Beginn ein einheitlicheres Universum zu haben, was zu dem führen würde, was wir jetzt haben. Würde es einfach mehr Zeit in Anspruch nehmen?Werfen wir heute einen Blick auf unser Universum.
Auf den nahen Skalen haben wir Materieklumpen: Sterne, Planeten, Monde, Asteroiden, Menschen. Zwischen ihnen befinden sich riesige leere Räume, in denen dünnere Gerinnsel leben: interstellares Gas, Staub und Plasma, die entweder Überreste toter und sterbender Sterne sind, oder zukünftige Orte, an denen Sterne erscheinen werden. Und all dies ist in unserer großen Galaxie, der Milchstraße, miteinander verbunden.In großem Maßstab können Galaxien isoliert existieren (Feldgalaxien), in kleinen Gruppen miteinander verbunden sein (wie unsere lokale Galaxiengruppe) oder in großen Clustern von Hunderten und Tausenden großer Galaxien existieren. Bei noch größeren Maßstäben stellen wir fest, dass sich Cluster und Gruppen entlang riesiger Filamente befinden, von denen sich einige über viele Milliarden Lichtjahre Raum erstrecken. Und zwischen ihnen? Gigantische Hohlräume, Hohlräume: spärliche Gebiete, in denen es überhaupt keine gibt oder in denen es nur sehr wenige Galaxien und Sterne gibt.
Ein Blick auf noch größere Maßstäbe von zig Milliarden Lichtjahren zeigt, dass jeder Raumbereich jedem anderen sehr ähnlich sieht. Die gleiche Dichte, die gleiche Temperatur, die gleiche Anzahl von Sternen und Galaxien, die gleichen Arten von Galaxien usw.Auf den größten Skalen sieht kein einziger Teil des Universums im Vergleich zu anderen besonders aus. Offensichtlich haben verschiedene Regionen des Kosmos die gleichen grundlegenden Eigenschaften wie alle anderen.
Aber am Anfang unseres Universums gab es keine dieser riesigen Klumpen und Hohlräume. Wenn wir uns das „Säuglingsfoto“ des Universums - Reliktstrahlung (RI) - ansehen, werden wir feststellen, dass die Dichte des jungen Universums buchstäblich überall auf allen Skalen gleich war. Und wenn ich „dasselbe“ sage, meine ich, dass laut Messungen die Temperatur in alle Richtungen 2 K betrug, dann 2,7 K, dann 2,73 K, dann 2,725 K. Sie war tatsächlich überall gleichmäßig.Schließlich stellten wir in den neunziger Jahren fest, dass einige Gebiete nur geringfügig dichter als der Durchschnitt waren, während andere mit 80-90 Mikrokelvin etwas seltener als der Durchschnitt waren. Das Universum war in den frühen Tagen im Durchschnitt sehr homogen, und die Abweichungen davon betrugen nicht mehr als 0,003%.
Das Säuglingsfoto vom Planck-Satelliten zeigt Abweichungen von der idealen Homogenität, wobei die roten „Hot Spots“ spärlichen Regionen und die blauen „Cold Spots“ dichten Regionen entsprechen: Sie wachsen dann zu Regionen heran, die reich an Sternen und Galaxien sind. Das Universum brauchte diese Unvollkommenheiten - diese Orte mit erhöhter und verringerter Dichte -, damit sich Strukturen bilden konnten.Wenn es vollkommen einheitlich wäre, könnte kein Raumbereich mehr Materie anziehen als jeder andere, und es würde kein Gravitationswachstum auftreten. Aber selbst wenn Sie mit sehr kleinen Unvollkommenheiten beginnen - ein paar Teile pro 100.000 -, werden sich in 50-100 Millionen Jahren die ersten Sterne bilden. In einigen hundert Millionen Jahren werden die ersten Galaxien erscheinen. In etwas mehr als einer halben Milliarde Jahren werden so viele Sterne und Galaxien erscheinen, dass sichtbares Licht durch das Universum wandern kann, ohne auf neutrale Materie zu stoßen, die es blockiert. In vielen Milliarden von Jahren werden die Klumpen und Galaxienhaufen, die wir heute kennen, auftauchen.Kehren wir mit diesem Wissen zur Frage von Jim zurück. Ist es möglich, ein Universum ohne Schwankungen zu erschaffen? Antwort: Nein, wenn Sie es so erstellen, wie es erstellt wurde. Der sichtbare Teil des Universums kam vom Urknall, als sich das Universum plötzlich mit einem heißen und dichten Meer aus Materie, Antimaterie und Strahlung füllte.Die Energie des heißen Urknalls kam vom Ende der Inflation - dann verwandelte sich die dem Raum selbst innewohnende Energie in Materie und Strahlung - in einem Prozess, der als sekundäre kosmische Erwärmung bekannt ist. Das Universum erwärmte sich nicht an allen Orten auf die gleiche Temperatur, da sich während der Inflation Quantenschwankungen über das Universum erstreckten! Dies ist die Wurzel für das Auftreten dichter und spärlicher Gebiete.
Wenn wir das Universum nehmen, das reich an Materie und Strahlung ist, das infolge der Inflation entstanden ist und den uns bekannten Gesetzen der Physik gehorcht, dann werden wir genau solche Schwankungen erhalten, die zum Auftreten dichter und spärlicher Regionen führen.Aber was bestimmt ihre Größe? Könnten sie kleiner sein?Antwort: Ja, sie könnten. Wenn die Inflation bei niedrigeren Energien auftrat oder wenn das Inflationspotential andere Eigenschaften hatte, könnten diese Schwankungen sehr viel geringer sein. Nicht nur zehnmal weniger, sondern hundert, tausend, eine Million und sogar eine Milliarde Mal weniger als unsere!
Dies ist äußerst wichtig, da die Bildung von Raumstrukturen sehr lange dauert. In unserem Universum dauert der Übergang von anfänglichen Schwankungen zu der Zeit, als wir sie messen konnten (RI), Hunderttausende von Jahren. Ein Übergang von RI zu dem Moment, in dem die Schwerkraft zur Bildung der ersten Sterne beiträgt, dauert Hunderte Millionen Jahre.Aber der Übergang von den ersten Sternen zum Universum, in dem dunkle Energie dominiert - und in dem es keine neuen Strukturen geben wird, nur solche, die bereits durch die Schwerkraft verbunden sind - ist nicht so groß. Das Universum braucht vom Urknall bis zum Beginn der Beschleunigung etwa 7,8 Milliarden Jahre. Wenn also die anfänglichen Schwankungen viel kleiner wären, so dass sich die ersten Sterne in den ersten zehn Milliarden Jahren nach dem Urknall nicht bilden würden, würde die Kombination dieser kleinen Schwankungen mit dunkler Energie definitiv dazu führen, dass die Sterne überhaupt nicht erscheinen würden.
Wie klein sollten solche Schwankungen sein? Die Antwort wird Sie überraschen - nur ein paar hundert Mal weniger als unsere! Wenn die Anzahl dieser Schwankungen in der Grafik unten (RI) im Bereich von zehn und nicht mehreren tausend liegen würde, hätte das Universum Glück, wenn es heute mindestens einen Stern oder eine Galaxie hätte, und es würde sicherlich anders aussehen als unsere Das Universum.
Wenn es keine dunkle Energie gäbe - wenn wir nur Materie und Strahlung hätten -, könnten wir, wenn genügend Zeit vorhanden wäre, Strukturen bilden, unabhängig von der Größe der anfänglichen Schwankungen. Die Unvermeidlichkeit einer beschleunigten Expansion gibt jedoch eine gewisse Dringlichkeit, die sonst nicht existieren würde, und macht es unbedingt erforderlich, dass die durchschnittliche Fluktuation mindestens 0,00001% der durchschnittlichen Dichte beträgt, damit im Universum erkennbare zusammenhängende Strukturen vorhanden sind.Verringern Sie die Schwankungen, und es wird überhaupt nichts im Universum geben. Erhöhen Sie sie auf ein "riesiges" Niveau von 0,003%, und Sie werden keine Probleme haben, ein Universum zu erschaffen, das unserem ähnlich ist.
Unser Universum wurde mit Unregelmäßigkeiten geboren, aber wenn die Inflation anders gewesen wäre, hätte die Masse dieser Klumpen anders sein müssen. Stark kleiner - und dadurch werden keine Strukturen erhalten. Viel mehr - und das Universum wäre katastrophal voller schwarzer Löcher, die sich sehr früh gebildet haben.Um ein solches Universum zu erhalten, wie wir es heute haben, musste eine sehr erfolgreiche Kombination von Umständen eintreten, und glücklicherweise ist unser Universum anscheinend genau das richtige.Source: https://habr.com/ru/post/de398643/
All Articles