Fragen Sie Ethan: Wie groß war das neugeborene Universum?

Sie stellen sich das Universum vielleicht unendlich vor, und ehrlich gesagt kann es sich wirklich so herausstellen - aber ich glaube nicht, dass wir jemals davon erfahren werden. Dank des Urknalls - der Tatsache, dass das Universum Geburtstag hat und wir die Zeit nicht unbegrenzt zurückspulen können - und der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, sind wir in dem Teil des Universums, den wir beobachten können, begrenzt. Der 13,8 Milliarden Jahre alte beobachtbare Teil des Universums, der bis heute überlebt hat, erstreckt sich von uns über 46,1 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen. Wie groß war es damals vor 13,8 Milliarden Jahren? Joe Muscarella fragt:

Ich habe gleich nach dem Ende der kosmischen Inflation sehr unterschiedliche Erklärungen über die Größe des Universums gelesen. Eine Quelle behauptet, dass es 0,77 cm groß war, eine andere - die Größe eines Fußballs und eine dritte - die größer ist als das beobachtbare Universum. Was ist die richtige Antwort?

Ein gutes Jahr war für Fragen nach der Arbeit von Einstein und der Natur der Raumzeit. Dies steht im Einklang mit dem 100. Jahrestag der Allgemeinen Relativitätstheorie. Beginnen wir mit der Diskussion des Universums, das wir sehen.



Wenn wir entfernte Galaxien beobachten, so weit unsere Teleskope schauen können, können wir leicht einige Parameter einer bestimmten Galaxie messen, nämlich:

• die Größe ihrer Rotverschiebung, dh die Verschiebung des von ihnen vom Trägheitsruhensystem emittierten Lichts,
• sichtbare Helligkeit oder Menge Licht erreicht uns über eine lange Distanz.
• Die scheinbare Größe oder Größe in Winkelgraden, die es am Himmel einnimmt.

Dies ist sehr wichtig, denn wenn wir die Lichtgeschwindigkeit (eines der wenigen Dinge, die wir sicher wissen) und die intrinsische Helligkeit oder Größe eines Objekts kennen (wir glauben, dass sie uns bekannt sind), können wir berechnen, wie weit dieses Objekt von uns entfernt ist



Tatsächlich können wir die Helligkeit und Größe des Objekts nur unter Verwendung einiger Annahmen abschätzen. Wenn Sie eine Supernova-Explosion in einer fernen Galaxie sehen, nehmen Sie ihre eigene Helligkeit basierend auf der beobachteten einmal näheren Supernova an, aber Sie nehmen auch an, dass diese Supernova dieselbe Umgebung hatte, dieselbe und zwischen Ihnen und ihr nicht nichts, was das empfangene Signal ändern würde. Astronomen nennen diese drei Annahmen zusätzlich zu diesen Effekten die Auswirkungen der Evolution (ob das ältere / weiter entfernte Objekt unterschiedlich ist), der Umgebung (ob sich diese Objekte überhaupt nicht dort befinden, wo wir denken) und der Auslöschung (wenn etwas das Licht blockiert) wessen Einfluss wir nicht vermuten.



Wenn wir die intrinsische Helligkeit (oder Größe) eines sichtbaren Objekts richtig erraten haben, können wir anhand eines einfachen Verhältnisses von Helligkeit zu Entfernung die Entfernung zu ihnen bestimmen. Indem Sie die Rotverschiebung messen, können Sie außerdem herausfinden, wie stark sich das Universum während der Zeit ausgedehnt hat, als das Licht uns erreichte. Und da es eine sehr eindeutige Beziehung zwischen Materie / Energie und Raum-Zeit gibt - was uns Einstein GR gibt - können wir diese Informationen verwenden, um die verschiedenen Kombinationen aller im Universum vorhandenen Formen von Materie und Energie zu bestimmen.

Aber das ist noch nicht alles!



Wenn Sie wissen, woraus Ihr Universum besteht, und hier haben wir es:

• 0,01% - Strahlung (Photonen)
• 0,1% - Neutrinos (millionenfach weniger massereich als Elektronen)
• 4,9% - gewöhnliche Materie, einschließlich Planeten, Sterne, Galaxien, Gas, Staub, Plasma, Schwarze Löcher.
• 27% - Dunkle Materie, die durch Gravitation mit gewöhnlichen interagiert, sich jedoch von allen Partikeln des Standardmodells unterscheidet.
• 68% - Dunkle Energie, die eine Expansion verursacht Um das Universum zu beschleunigen,

können Sie dieses Wissen nutzen, um die Extrapolation zeitlich auf einen beliebigen Punkt in der Vergangenheit des Universums umzukehren und herauszufinden, welche Mischung von Energiedichten damals war und welche Größe sie zu jedem Zeitpunkt hatte.

Also, speziell für dich, Joe, habe ich alle Berechnungen durchgeführt. Und er notierte sie auf einer logarithmischen Skala als informativer.



Es ist ersichtlich, dass der Beitrag der Dunklen Energie heute zwar groß ist, diese Situation jedoch in letzter Zeit aufgetreten ist. Während des größten Teils der ersten 9 Milliarden Jahre der Geschichte des Universums war Materie - eine Kombination aus normaler und dunkler Materie - der Hauptbestandteil des Universums. Aber in den ersten tausend Jahren war Strahlung (in Form von Photonen und Neutrinos) noch wichtiger als Materie!

Ich liste dies alles auf, weil verschiedene Komponenten, Strahlung, Materie, dunkle Energie, die Expansion des Universums auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Obwohl wir wissen, dass sich das Universum heute über 46,1 Milliarden Lichtjahre in jede Richtung erstreckt, müssen wir zur genauen Berechnung seiner Größe zu einem bestimmten Zeitpunkt die genaue Kombination dessen kennen, was es in jeder der Epochen in der Vergangenheit war. So sieht es aus.



Einige interessante Meilensteine ​​in der Vergangenheit:

• Der Durchmesser der Milchstraße beträgt 100.000 Lichtjahre. Das beobachtbare Universum hatte einen solchen Radius, als es 3 Jahre alt war.
• Als das Universum ein Jahr alt war, war es viel heißer und dichter als heute. Dies bedeutet, dass die Temperatur des Universums 2 Millionen Kelvin überstieg.
• Im Alter von einer Sekunde war sie zu heiß, als dass stabile Kerne in ihr erscheinen könnten. Protonen und Neutronen befanden sich in einem Meer aus heißem Plasma. Darüber hinaus hatte das gesamte beobachtbare Universum einen solchen Radius, dass es, wenn wir es um unsere aktuelle Sonne umrissen, nur sieben der nächsten Sternensysteme umfassen würde , von denen das am weitesten entfernte Ross 154 ist [ 9,6 Lichtjahre - ca. perev. ]]
• Sobald der Radius des Universums gleich der Entfernung von der Erde zur Sonne war, wurde es gealtert $$10 - 12 Sek. Die Expansionsrate des damaligen Universums war in$10^{-12}$$$10 29 mal mehr als heute. Wir können hin und her gehen, wo die Inflation zum ersten Mal endete und den Urknall auslöste. Wir möchten das Universum bis zum Punkt der Singularität extrapolieren, aber die Inflation beseitigt diese Notwendigkeit. Es ersetzt es durch eine Periode exponentieller Expansion von unbestimmter Dauer und endet mit der Geburt eines heißen, dichten und expandierenden Zustands, den wir mit dem Beginn des Universums verbinden. Wir verbinden uns mit dem letzten winzigen Anteil der Inflation irgendwo dazwischen$10^{29}$

$$10 - 30 bis$10^{-30}$$$10 - 35 Sekunden. Wann immer dies genau geschieht, müssen wir die Größe des Universums genau dann berechnen, am Ende der Inflation und am Beginn des Urknalls.Das Bild ist etwas veraltet - das Alter des Universums beträgt 13,8 Milliarden Jahre. Und wieder sprechen wir über die Größe des beobachteten Universums. Die reale "Größe des Universums" ist wahrscheinlich viel größer als wir sehen können, aber wir wissen nicht wie viel. Unsere besten Beobachtungen, der Sloan Digital Sky Survey und das Planck Space Observatory, machen uns klar, dass der Teil, den wir sehen, so ununterscheidbar von einem flachen Universum ist, dass das gesamte Universum zumindest sein sollte, wenn sich das Universum biegt und sich irgendwo schließt 250 mal größer als der Radius seines beobachteten Teils.$10^{-35}$






Im Prinzip kann es im Allgemeinen unendlich sein, da wir nicht wissen, was es in den frühen Stadien der Inflation getan hat. Alles, was bis zum letzten Sekundenbruchteil in der Geschichte der Inflation passiert ist, wurde geklärt, gemessen an dem, was wir aufgrund von Beobachtungen über die Inflation sagen können. Aber wenn wir über die Größe des beobachteten Universums sprechen und bedenken, dass wir nur die Lücke zwischen ihnen erreichen können$$10 - 30 und$10^{-30}$$$10 - 35 Sekunden Inflation vor dem Urknall, dann wissen wir, dass dann der beobachtete Teil des Universums 17 cm groß war (z$10^{-35}$$$10 - 35 ) bis zu 168 Meter (z$10^{-35}$$$10 - 30 ), und dass diese es vor Beginn des heißen und dichten Zustand war, was wir den Urknall nennen. Die Antwort von ca. 17 cm entspricht übrigens in etwa der Größe eines Fußballs! Wenn Sie sich also gefragt haben, welche der oben genannten Annahmen näher an der richtigen liegt, können Sie diese verwenden. Weniger als ein Zentimeter ist zu klein, wir haben Einschränkungen aufgrund von Reliktstrahlung, die besagen, dass die Inflation nicht bei so hohen Energien enden könnte, dh eine solche Größe des Universums zu Beginn des Urknalls ist ausgeschlossen. Die Antwort auf eine Größe, die größer als das heutige Universum ist, bezog sich anscheinend auf Schätzungen der Größe des gesamten nicht beobachtbaren Universums, was wahrscheinlich richtig ist, aber es ist immer noch nicht möglich, es zu messen.$10^{-30}$





Wie groß war das Universum, als es gerade geboren wurde? Wenn unsere besten Inflationsmodelle zutreffen, dann irgendwo von der Größe eines menschlichen Kopfes bis zu einem Stadtblock mit Wolkenkratzern. Und wenn Sie von diesem Moment an ein wenig warten, nur 13,8 Milliarden Jahre, dann haben Sie heute unser gesamtes Universum.