🏰 🤹🏼 👉🏻 Tanyakan Ethan 101: Mengapa Semesta Tidak Merata? 👩🏿‍✈️ 🐱 🔠

Dengan kata lain, jika semuanya mulus, akankah bintang dan galaksi muncul hari ini?

Pertama lihat rumah saya. Dia, tentu saja, begitu-begitu, tetapi jauh lebih tidak-begitu dari rumah Anda.
- Kental, putri ruang angkasa, Waktu Petualangan

Membayangkan Alam Semesta, Anda mungkin tidak berpikir bahwa semuanya lancar dan homogen. Benjolan seperti planet Bumi jelas berbeda dari kekosongan kosmik! Tetapi dalam skala besar, Semesta cukup halus, dan pada masa-masa awal itu halus dan dalam skala yang lebih kecil. Saya sudah membicarakan hal ini, dan minggu ini saya memilih yang berikut dari pertanyaan Anda:

Saya punya pertanyaan tentang apa yang Anda katakan beberapa kali selama diskusi CMB. Khususnya, jika alam semesta seragam sempurna setelah big bang, maka strukturnya tidak akan terbentuk. Saya mengerti konsepnya. Tetapi apa yang membuat saya tertarik, dari sudut pandang mekanika kuantum, adalah mungkin bagi alam semesta untuk menjadi homogen secara sempurna? Dan jika tidak, mungkinkah untuk memiliki alam semesta yang lebih seragam pada awalnya, yang sebagai hasilnya akan mengarah pada apa yang kita miliki sekarang, apakah itu akan membutuhkan lebih banyak waktu?

Mari kita lihat jagat raya kita hari ini.

Pada skala dekat, kita memiliki gumpalan materi: bintang, planet, bulan, asteroid, manusia. Di antara mereka adalah ruang kosong besar yang dihuni oleh gumpalan yang lebih jarang: gas antarbintang, debu dan plasma, yang merupakan sisa-sisa bintang mati dan sekarat, atau tempat-tempat masa depan di mana bintang akan muncul. Dan semua ini terhubung bersama di galaksi besar kita, Bima Sakti.

Dalam skala besar, galaksi dapat hidup dalam isolasi (galaksi lapangan), dapat dihubungkan bersama dalam kelompok-kelompok kecil (seperti kelompok galaksi lokal kami), atau ada dalam kelompok besar yang terdiri dari ratusan dan ribuan galaksi besar. Melihat skala yang bahkan lebih besar, kami menemukan bahwa kelompok dan kelompok terletak di sepanjang filamen raksasa, beberapa di antaranya membentang hingga miliaran tahun cahaya ruang. Dan di antara mereka? Rongga raksasa, rongga: daerah jarang di mana tidak ada sama sekali, atau ada sangat sedikit galaksi dan bintang.

Pandangan pada skala yang lebih besar, dari puluhan miliar tahun cahaya, akan menunjukkan bahwa setiap area ruang terlihat sangat mirip dengan yang lain. Kepadatan yang sama, suhu yang sama, jumlah bintang dan galaksi yang sama, jenis galaksi yang sama, dll.

Pada skala terbesar, tidak ada satu pun bagian dari Semesta yang terlihat istimewa dibandingkan yang lain. Wilayah-wilayah berbeda dari kosmos, tampaknya, memiliki sifat-sifat dasar yang sama dengan yang lainnya.

Tetapi di awal alam semesta kita tidak ada benjolan dan kekosongan raksasa ini. Jika kita melihat "foto bayi" Alam Semesta - reliks radiasi (RI) - kita akan menemukan bahwa kerapatan Semesta muda itu sama pada semua skala secara harfiah di mana-mana. Dan ketika saya mengatakan "sama," maksud saya bahwa menurut pengukuran, suhu di semua arah adalah 2 K, kemudian 2,7 K, kemudian 2,73 K, kemudian 2,725 K. Itu sebenarnya seragam di mana-mana.

Akhirnya, pada 1990-an, kami menemukan bahwa beberapa daerah hanya sedikit lebih padat daripada rata-rata, sementara yang lain sedikit lebih jarang daripada rata-rata oleh 80-90 microkelvin. Alam semesta pada hari-hari awal rata-rata sangat homogen, dan penyimpangan dari ini tidak lebih dari 0,003%.

Foto bayi dari satelit Planck menunjukkan penyimpangan dari homogenitas ideal, di mana "hot spot" merah sesuai dengan daerah jarang dan "bintik dingin" biru menjadi padat: mereka kemudian tumbuh menjadi daerah yang kaya akan bintang dan galaksi. Alam semesta membutuhkan ketidaksempurnaan ini - tempat-tempat kepadatan yang meningkat dan menurun ini - sehingga struktur dapat terbentuk.

Jika seragam sempurna, tidak ada wilayah ruang yang bisa menarik lebih banyak materi daripada lainnya, dan pertumbuhan gravitasi tidak akan terjadi. Tetapi bahkan jika Anda mulai dengan ketidaksempurnaan yang sangat kecil - beberapa bagian per 100.000 - maka dalam 50-100 juta tahun bintang-bintang pertama akan terbentuk. Dalam beberapa ratus juta tahun, galaksi pertama akan muncul. Hanya dalam lebih dari setengah miliar tahun, begitu banyak bintang dan galaksi akan muncul sehingga cahaya tampak akan dapat melakukan perjalanan melalui Semesta tanpa menemukan materi netral yang menghalangi itu. Dalam miliaran tahun, gumpalan dan gugusan galaksi yang kita kenal sekarang akan muncul.

Mari kita kembali dengan pengetahuan ini ke pertanyaan Jim. Apakah mungkin menciptakan alam semesta tanpa fluktuasi? Jawab: tidak, jika Anda membuatnya seperti itu dibuat. Bagian yang terlihat dari Semesta berasal dari Big Bang, ketika Alam Semesta tiba-tiba dipenuhi oleh lautan materi, antimateri, dan radiasi yang panas dan padat.

Energi dari Big Bang panas berasal dari akhir inflasi - kemudian energi yang melekat dalam ruang itu sendiri berubah menjadi materi dan radiasi - dalam proses yang dikenal sebagai pemanasan kosmik sekunder. Semesta tidak melakukan pemanasan pada suhu yang sama di semua tempat, karena selama inflasi ada fluktuasi kuantum yang membentang di Semesta! Ini adalah akar dari penampilan daerah padat dan jarang.

Jika kita mengambil Semesta, yang kaya akan materi dan radiasi, yang terjadi sebagai akibat dari inflasi dan mematuhi hukum-hukum fisika yang kita kenal, maka kita akan mendapatkan fluktuasi yang persis seperti itu, yang mengarah pada penampilan daerah yang padat dan jarang.

Tapi apa yang menentukan ukurannya? Mungkinkah mereka lebih kecil?

Jawab: ya, mereka bisa. Jika inflasi terjadi pada energi yang lebih rendah, atau jika potensi inflasi memiliki sifat lain, fluktuasi ini bisa sangat jauh lebih kecil. Bukan hanya sepuluh kali lebih sedikit, tetapi seratus, seribu, satu juta, dan bahkan satu miliar kali lebih sedikit dari kita!

Ini sangat penting karena pembentukan struktur ruang membutuhkan waktu yang sangat lama. Di alam semesta kita, transisi dari fluktuasi awal ke waktu ketika kita dapat mengukurnya (RI) membutuhkan ratusan ribu tahun. Transisi dari RI ke saat ketika gravitasi berkontribusi pada pembentukan bintang-bintang pertama membutuhkan ratusan juta tahun.

Tetapi transisi dari bintang-bintang pertama ke Semesta, di mana energi gelap mendominasi - dan di mana tidak akan ada struktur baru, hanya yang sudah terhubung oleh gravitasi - tidak begitu besar. Alam semesta membutuhkan sekitar 7,8 miliar tahun dari Big Bang hingga awal percepatan. Jadi, jika fluktuasi awal jauh lebih kecil, sehingga bintang-bintang pertama dalam sepuluh miliar tahun pertama setelah Ledakan Besar tidak terbentuk, maka kombinasi fluktuasi kecil ini dengan energi gelap pasti akan mengarah pada fakta bahwa bintang-bintang tidak akan muncul sama sekali.

Seberapa kecil seharusnya fluktuasi seperti itu? Jawabannya akan mengejutkan Anda - hanya beberapa ratus kali lebih sedikit dari kami! Jika angka-angka fluktuasi dalam grafik di bawah ini (RI) berada di wilayah puluhan, bukan beberapa ribu, alam semesta akan beruntung jika hari ini akan memiliki setidaknya satu bintang atau galaksi, dan tentu saja akan terlihat berbeda dari kita Alam semesta.

Jika itu bukan untuk energi gelap - jika kita hanya memiliki materi dan radiasi - maka, jika ada cukup waktu, kita dapat membentuk struktur, terlepas dari ukuran fluktuasi awal. Tetapi ekspansi yang tak terelakkan memberikan beberapa urgensi, yang sebaliknya tidak akan ada, dan membuatnya sangat penting bahwa fluktuasi rata-rata setidaknya 0,00001% dari kepadatan rata-rata, sehingga ada struktur terhubung yang terlihat di alam semesta.

Buat fluktuasi lebih kecil, dan tidak akan ada apa pun di alam semesta ini sama sekali. Naikkan mereka ke level "besar" 0,003%, dan Anda tidak akan memiliki masalah menciptakan alam semesta yang mirip dengan kita.

Semesta kita dilahirkan dengan penyimpangan, tetapi jika inflasi berbeda, massa gumpalan ini seharusnya berbeda. Sangat kecil - dan sebagai hasilnya, tidak ada struktur yang akan diperoleh. Jauh lebih banyak - dan alam semesta akan penuh dengan bencana lubang hitam yang terbentuk sangat awal.

Untuk mendapatkan alam semesta seperti yang kita miliki saat ini, kombinasi keadaan yang sangat berhasil harus terjadi, dan untungnya, Semesta kita, tampaknya, adalah yang tepat.

Tanyakan Ethan 101: Mengapa Semesta Tidak Merata?

Dengan kata lain, jika semuanya mulus, akankah bintang dan galaksi muncul hari ini?

More articles: