Pregúntele a Ethan 101: ¿Por qué el universo era desigual?
En otras palabras, si fuera perfectamente liso, ¿aparecerían las estrellas y las galaxias hoy?
Primero mira mi casa. Él, por supuesto, es más o menos, pero mucho menos que tu casa.
- Bultos, princesa espacial, Hora de Aventuras
Imaginando el Universo, probablemente no pienses que todo es suave y homogéneo. ¡Un bulto como el planeta Tierra es claramente diferente del vacío cósmico! Pero a gran escala, el Universo es bastante suave, y en épocas anteriores era suave y a menor escala. Ya hablé sobre esto, y esta semana seleccioné lo siguiente de sus preguntas:Tengo una pregunta sobre lo que dijo varias veces durante la discusión de CMB. Específicamente, si el universo fuera perfectamente uniforme después del Big Bang, entonces la estructura no se habría formado. Entiendo el concepto. Pero lo que me interesa, desde el punto de vista de la mecánica cuántica, ¿es posible que el universo sea perfectamente homogéneo? Y si no, ¿sería posible tener un universo más uniforme al principio, lo que como resultado llevaría a lo que tenemos ahora, solo tomaría más tiempo?Echemos un vistazo a nuestro universo hoy.
En las escalas cercanas, tenemos grupos de materia: estrellas, planetas, lunas, asteroides, personas. Entre ellos hay enormes espacios vacíos habitados por coágulos más raros: gas interestelar, polvo y plasma, que son restos de estrellas muertas y moribundas, o lugares futuros donde aparecerán estrellas. Y todo esto está conectado en nuestra gran galaxia, la Vía Láctea.A gran escala, las galaxias pueden existir de forma aislada (galaxias de campo), pueden conectarse entre sí en pequeños grupos (como nuestro grupo local de galaxias) o existir en grandes cúmulos de cientos y miles de galaxias grandes. Mirando escalas aún más grandes, encontramos que los grupos y grupos están ubicados a lo largo de filamentos gigantes, algunos de los cuales se extienden por miles de millones de años luz de espacio. ¿Y entre ellos? Vacíos gigantescos, vacíos: áreas dispersas en las que no hay ninguno, o hay muy pocas galaxias y estrellas.
Una mirada a escalas aún más grandes, desde decenas de miles de millones de años luz de diámetro, mostrará que cualquier área del espacio se ve muy similar a cualquier otra. La misma densidad, la misma temperatura, el mismo número de estrellas y galaxias, los mismos tipos de galaxias, etc.En las escalas más grandes, ni una sola parte del Universo se ve especial en relación con otras. Aparentemente, las diferentes regiones del cosmos tienen las mismas propiedades básicas que todas las demás.
Pero al comienzo de nuestro universo no había estos bultos y vacíos gigantes. Si observamos la "fotografía infantil" del Universo, la radiación relicta (IR), encontraremos que la densidad del Universo joven era la misma en todas las escalas, literalmente en todas partes. Y cuando digo "lo mismo", quiero decir que, según las mediciones, la temperatura en todas las direcciones fue de 2 K, luego de 2,7 K, luego de 2,73 K, luego de 2,725 K. En realidad, era uniforme en todas partes.Finalmente, en la década de 1990, encontramos que algunas áreas eran solo un poco más densas que el promedio, mientras que otras eran un poco más raras que el promedio en 80-90 microkelvin. El universo en los primeros días en promedio fue muy homogéneo, y las desviaciones de esto no fueron más de 0.003%.
La foto infantil del satélite Planck muestra desviaciones de la homogeneidad ideal, donde los "puntos calientes" rojos corresponden a regiones dispersas y los "puntos fríos" azules a densos: luego crecen en regiones ricas en estrellas y galaxias. El universo necesitaba estas imperfecciones, estos lugares de mayor y menor densidad, para que se pudieran formar estructuras.Si fuera perfectamente uniforme, ninguna región del espacio podría atraer más materia que ninguna otra, y no se produciría un crecimiento gravitacional. Pero incluso si comienza con imperfecciones muy pequeñas, unas pocas partes por 100,000, entonces en 50-100 millones de años se formarán las primeras estrellas. En unos pocos cientos de millones de años, aparecerán las primeras galaxias. En poco más de medio billón de años, aparecerán tantas estrellas y galaxias que la luz visible podrá viajar a través del Universo sin encontrar materia neutral que lo bloquee. En muchos miles de millones de años, aparecerán los cúmulos y cúmulos de galaxias que conocemos hoy.Volvamos con este conocimiento a la pregunta de Jim. ¿Es posible crear un universo sin fluctuaciones? Respuesta: no, si lo crea de la forma en que fue creado. La parte visible del Universo vino del Big Bang, cuando el Universo se llenó repentinamente de un mar caliente y denso de materia, antimateria y radiación.La energía del Big Bang caliente vino del final de la inflación, luego la energía inherente al espacio se convirtió en materia y radiación, en un proceso conocido como calentamiento cósmico secundario. ¡El Universo no se calentó a la misma temperatura en todos los lugares, porque durante la inflación hubo fluctuaciones cuánticas que se extendieron por todo el Universo! Esta es la raíz de la aparición de áreas densas y dispersas.
Si tomamos el Universo, que es rico en materia y radiación, que ocurrió como resultado de la inflación y obedece las leyes de la física que conocemos, entonces obtendremos exactamente tales fluctuaciones, lo que conducirá a la aparición de regiones densas y dispersas.Pero, ¿qué determina su tamaño? ¿Podrían ser más pequeños?Respuesta: sí, podrían. Si la inflación ocurriera a energías más bajas, o si el potencial de inflación tuviera otras propiedades, estas fluctuaciones podrían ser mucho más pequeñas. ¡No solo diez veces menos, sino cien, mil, un millón e incluso mil millones de veces menos que el nuestro!
Esto es extremadamente importante porque la formación de estructuras espaciales lleva mucho tiempo. En nuestro Universo, la transición de las fluctuaciones iniciales al momento en que pudimos medirlas (RI) lleva cientos de miles de años. Una transición de RI al momento en que la gravedad contribuye a la formación de las primeras estrellas lleva cientos de millones de años.Pero la transición de las primeras estrellas al Universo, en la que domina la energía oscura, y en la que no habrá nuevas estructuras, solo aquellas que ya están conectadas por la gravedad, no es tan grande. El universo necesita alrededor de 7.800 millones de años desde el Big Bang hasta el comienzo de la aceleración. Entonces, si las fluctuaciones iniciales fueron mucho más pequeñas, de modo que las primeras estrellas en los primeros diez mil millones de años después del Big Bang no se formaron, entonces la combinación de estas pequeñas fluctuaciones con energía oscura definitivamente conduciría al hecho de que las estrellas no aparecerían en absoluto.
¿Qué tan pequeñas deberían ser tales fluctuaciones? La respuesta te sorprenderá, ¡solo unas cientos de veces menos que la nuestra! Si los números de estas fluctuaciones en el gráfico a continuación (RI) estuvieran en la región de las decenas, en lugar de varios miles, el universo sería afortunado si hoy tuviera al menos una estrella o galaxia, y ciertamente se vería diferente a la nuestra El universo
Si no fuera por la energía oscura, si solo tuviéramos materia y radiación, entonces, si hubiera suficiente tiempo, podríamos formar estructuras, independientemente del tamaño de las fluctuaciones iniciales. Pero la inevitabilidad de la expansión acelerada da cierta urgencia, que de otro modo no existiría, y hace que sea absolutamente imperativo que la fluctuación promedio sea al menos 0.00001% de la densidad promedio, de modo que haya estructuras conectadas notables en el universo.Reduzca las fluctuaciones y no habrá nada en el universo. Si los eleva a un nivel "enorme" de 0.003%, no tendrá problemas para crear un universo similar al nuestro.
Nuestro universo nació con irregularidades, pero si la inflación fuera diferente, entonces las masas de estos bultos deberían haber sido diferentes. Fuertemente más pequeño, y como resultado, no se obtendrán estructuras. Mucho más, y el universo estaría catastróficamente lleno de agujeros negros que se formaron muy temprano.Para obtener un universo como el que tenemos hoy, tuvo que suceder una combinación muy exitosa de circunstancias, y afortunadamente, nuestro Universo, aparentemente, es el correcto.Source: https://habr.com/ru/post/es398643/
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