Tanyakan Ethan: Berapa ukuran Semesta yang baru lahir?

Anda, mungkin, bayangkan Semesta tanpa batas, dan, sejujurnya, itu benar-benar dapat berubah menjadi seperti itu - tetapi saya tidak berpikir kita akan pernah mengetahuinya. Berkat Big Bang - fakta bahwa Semesta memiliki hari ulang tahun, dan kita tidak dapat memundurkan waktu tanpa batas waktu - dan fakta bahwa kecepatan cahaya terbatas, kita terbatas pada bagian Semesta mana yang dapat kita amati. Setelah selamat sampai hari ini, bagian yang dapat diamati dari Semesta, berusia 13,8 miliar tahun, meluas lebih dari 46,1 miliar tahun cahaya ke segala arah dari kita. Jadi, ukuran apa itu, 13,8 miliar tahun lalu? Joe Muscarella bertanya:

Saya membaca penjelasan yang sangat berbeda tentang ukuran alam semesta tepat setelah akhir inflasi kosmik. Satu sumber mengklaim bahwa ukurannya 0,77 cm, yang lain - ukuran bola sepak, dan yang ketiga - yang lebih besar dari alam semesta yang dapat diamati. Jadi apa jawaban yang benar?

Tahun yang baik ternyata untuk pertanyaan tentang karya Einstein dan sifat ruang-waktu. Ini konsisten dengan peringatan 100 tahun Teori Umum Relativitas. Mari kita mulai dengan membahas alam semesta yang kita lihat.



Mengamati galaksi jauh sejauh teleskop kita dapat melihat, kita dapat dengan mudah mengukur beberapa parameter dari galaksi tertentu, yaitu:

• Besarnya pergeseran merah, yaitu, pergeseran cahaya yang dipancarkan oleh mereka dari sistem istirahat inersia,
• Kecerahan terlihat, atau kuantitas cahaya mencapai kita dari jarak yang jauh,
• Ukuran nyata, atau ukuran dalam derajat sudut, ditempati olehnya di langit.

Ini sangat penting, karena jika kita mengetahui kecepatan cahaya (salah satu dari beberapa hal yang kita ketahui dengan pasti), dan kecerahan intrinsik atau ukuran suatu objek (kita percaya bahwa kita mengenal mereka), maka kita dapat menghitung seberapa jauh objek ini dari kita.



Bahkan, kita hanya bisa memperkirakan kecerahan dan ukuran objek menggunakan beberapa asumsi. Jika Anda melihat ledakan supernova di galaksi jauh, Anda menganggap kecerahannya berdasarkan supernova yang diamati sekali lebih dekat, tetapi Anda juga menganggap bahwa supernova memiliki lingkungan yang sama, itu adalah sama, dan tidak ada di antara Anda dan itu. tidak ada yang akan mengubah sinyal yang Anda terima. Para astronom menyebut ketiga asumsi ini sebagai efek evolusi (apakah objek yang lebih tua / lebih jauh berbeda), lingkungan (apakah objek-objek ini tidak terletak sama sekali di tempat yang kita pikirkan) dan kepunahan (jika ada sesuatu yang menghalangi cahaya), selain efek-efek itu, tentang yang pengaruhnya tidak kita curigai.



Jika kita menebak dengan benar kecerahan intrinsik (atau ukuran) dari objek yang terlihat, maka berdasarkan rasio sederhana kecerahan terhadap jarak, kita dapat menentukan jarak ke objek tersebut. Selain itu, dengan mengukur pergeseran merah, Anda dapat mengetahui berapa banyak Semesta berkembang selama waktu cahaya itu mencapai kita. Dan karena ada hubungan yang sangat pasti antara materi / energi dan ruang-waktu - apa yang diberikan Einstein GR kepada kita - kita dapat menggunakan informasi ini untuk menentukan kombinasi berbeda dari semua bentuk materi dan energi yang ada di Semesta.

Tapi bukan itu saja!



Jika Anda tahu apa yang terdiri dari Alam Semesta Anda, dan ini dia:

• 0,01% - radiasi (foton)
• 0,1% - neutrino (sejuta kali lebih kecil dari elektron)
• 4,9% - materi biasa, termasuk planet, bintang, galaksi, gas, debu, plasma, lubang hitam
• 27% - materi gelap, berinteraksi gravitasi dengan biasa, tetapi berbeda dari semua partikel pada Model Standar
• 68% - energi gelap, yang menyebabkan ekspansi Universe untuk berakselerasi,

maka Anda dapat menggunakan pengetahuan ini untuk membalikkan ekstrapolasi dalam waktu ke titik di masa lalu Semesta, dan mencari tahu apa campuran kepadatan energi pada waktu itu, dan berapa ukurannya setiap saat.

Jadi, khusus untuk Anda, Joe, saya melakukan semua perhitungan. Dan dia mencatatnya dalam skala logaritmik, karena lebih informatif.



Dapat dilihat bahwa meskipun kontribusi energi gelap besar hari ini, situasi ini telah muncul baru-baru ini. Untuk sebagian besar dari 9 miliar tahun pertama sejarah Alam Semesta, materi - kombinasi materi normal dan gelap - adalah komponen utama Alam Semesta. Tetapi beberapa ribu tahun pertama, radiasi (dalam bentuk foton dan neutrino) bahkan lebih penting daripada materi!

Saya mencantumkan semua ini karena berbagai komponen, radiasi, materi, energi gelap, memengaruhi perluasan Alam Semesta dengan berbagai cara. Meskipun kita tahu bahwa hari ini Semesta meluas lebih dari 46,1 miliar tahun cahaya ke segala arah, untuk menghitung ukurannya pada saat tertentu, kita perlu mengetahui kombinasi persis apa yang ada di setiap era di masa lalu. Ini tampilannya.



Beberapa tonggak sejarah yang menarik di masa lalu:

• Diameter Bima Sakti adalah 100.000 tahun cahaya. Alam semesta yang dapat diamati memiliki radius seperti ketika berumur 3 tahun.
• Ketika alam semesta berumur satu tahun, ia jauh lebih panas dan lebih padat daripada sekarang. Ini berarti bahwa suhu alam semesta melebihi 2 juta Kelvin.
• Pada usia satu detik, dia terlalu panas untuk nuklei stabil muncul di dirinya. Proton dan neutron berada di lautan plasma panas. Selain itu, seluruh Alam Semesta yang dapat diamati memiliki jari-jari sehingga jika kita menjabarkannya di sekitar Matahari kita saat ini, itu akan mencakup hanya tujuh sistem bintang terdekat , yang terjauh di antaranya adalah Ross 154 [ 9,6 tahun cahaya - sekitar. perev. ]
• Setelah jari-jari Semesta sama dengan jarak dari Bumi ke Matahari, ia berusia $$dtk. Tingkat ekspansi Universe saat itu adalah di$10^{-12}$$$ kali lebih banyak dari hari ini. Kita bisa bolak-balik ke tempat inflasi berakhir untuk pertama kalinya, menimbulkan Big Bang. Kami ingin mengekstrapolasi alam semesta kembali ke titik singularitas, tetapi inflasi menghilangkan kebutuhan ini. Ini menggantikannya dengan periode ekspansi eksponensial dengan durasi tidak terbatas, dan berakhir dengan kelahiran negara yang panas, padat, dan berkembang yang kita kaitkan dengan permulaan Alam Semesta. Kami terhubung dengan bagian kecil terakhir dari inflasi di suatu tempat di antara keduanya$10^{29}$

$$hingga$10^{-30}$$$ detik. Kapan pun ini terjadi dengan tepat, kita perlu menghitung ukuran Alam Semesta dengan tepat, pada akhir inflasi dan awal Big Bang.Gambarannya agak ketinggalan jaman - usia Alam Semesta adalah 13,8 miliar tahun. Dan lagi, kita berbicara tentang ukuran Alam Semesta yang diamati. "Ukuran alam semesta" yang sesungguhnya mungkin jauh lebih besar daripada yang dapat kita lihat, tetapi kita tidak tahu seberapa banyak. Pengamatan terbaik kami, Sloan Digital Sky Survey dan Planck Space Observatory, memperjelas kepada kami bahwa jika Semesta membengkokkan, menutup sendiri di suatu tempat, maka bagian yang kita lihat sangat tidak dapat dibedakan dari Semesta yang rata sehingga seluruh Semesta harus setidaknya 250 kali lebih besar dari jari-jari bagian yang diamati.$10^{-35}$






Pada prinsipnya, secara umum dapat menjadi tak terbatas, karena kita tidak menyadari apa yang dilakukannya pada tahap awal inflasi. Segala sesuatu yang terjadi sampai sepersekian detik terakhir dalam sejarah inflasi telah dihapus, dilihat dari apa yang dapat kita katakan tentang inflasi berdasarkan pengamatan. Tetapi jika kita berbicara tentang ukuran Semesta yang diamati, dan menganggap bahwa kita hanya dapat mencapai jarak di antara keduanya$$ dan$10^{-30}$$$ detik inflasi sebelum Dentuman Besar, maka kita tahu bahwa bagian yang diamati dari Alam Semesta adalah dari ukuran 17 cm (untuk$10^{-35}$$$ ) hingga 168 meter (untuk$10^{-35}$$$ ), dan bahwa seperti itu sebelum awal negara panas dan padat, yang kita sebut Big Bang. By the way, sekitar 17 cm, kira-kira sesuai dengan ukuran bola sepak! Jadi, jika Anda bertanya-tanya mana dari asumsi di atas yang lebih dekat dengan yang benar, Anda bisa menggunakan ini. Kurang dari satu sentimeter terlalu kecil, kita memiliki batasan yang berasal dari radiasi peninggalan kembali, mengatakan bahwa inflasi tidak dapat berakhir dengan energi setinggi itu, yaitu, ukuran Semesta di awal Ledakan Besar tidak termasuk. Jawaban tentang ukuran yang lebih besar dari Alam Semesta saat ini, tampaknya, terkait dengan perkiraan ukuran seluruh Alam Semesta yang tidak dapat diamati, yang mungkin benar, tetapi masih belum memungkinkan untuk mengukurnya.$10^{-30}$





Jadi, apa ukuran alam semesta saat baru lahir? Jika model inflasi terbaik kita benar, maka di suatu tempat dari ukuran kepala manusia ke blok kota dengan gedung pencakar langit. Dan jika sejak saat itu Anda menunggu sedikit, hanya 13,8 miliar tahun, maka Anda akan memiliki seluruh alam semesta kita hari ini.