Pergunte a Ethan 101: Por que o Universo era desigual?
Em outras palavras, se fosse perfeitamente suave, estrelas e galáxias apareceriam hoje?
Primeiro, olhe para minha casa. Ele, é claro, é mais ou menos, mas muito menos que sua casa.
- Lumpy, princesa do espaço, Hora da Aventura
Imaginando o universo, você provavelmente não acha que tudo é suave e homogêneo. Um pedaço como o planeta Terra é claramente diferente do vazio cósmico! Mas em larga escala, o Universo é bastante suave e, em épocas anteriores, era suave e em menor escala. Eu já falei sobre isso e nesta semana selecionei o seguinte em suas perguntas:Eu tenho uma pergunta sobre o que você declarou várias vezes durante a discussão do CMB. Especificamente, se o universo fosse perfeitamente uniforme após o big bang, a estrutura não teria se formado. Eu entendo o conceito. Mas o que me interessa, do ponto de vista da mecânica quântica, é possível que o universo seja perfeitamente homogêneo? E, se não, seria possível ter um universo mais uniforme no início, o que, como resultado, levaria ao que temos agora, levaria apenas mais tempo?Vamos dar uma olhada no nosso universo hoje.
Nas escalas próximas, temos aglomerados de matéria: estrelas, planetas, luas, asteróides, pessoas. Entre eles, há enormes espaços vazios habitados por coágulos mais rarefeitos: gás interestelar, poeira e plasma, que são restos de estrelas mortas e moribundas ou futuros lugares onde as estrelas aparecerão. E tudo isso está conectado em nossa grande galáxia, a Via Láctea.Em grande escala, as galáxias podem existir isoladamente (galáxias de campo), podem ser conectadas em pequenos grupos (como nosso grupo local de galáxias) ou existem em grandes aglomerados de centenas e milhares de galáxias grandes. Olhando para escalas ainda maiores, descobrimos que grupos e clusters estão localizados ao longo de filamentos gigantes, alguns dos quais se estendem por muitos bilhões de anos-luz de espaço. E entre eles? Vazios gigantescos, vazios: áreas esparsas nas quais não existem, ou existem muito poucas galáxias e estrelas.
Uma análise de escalas ainda maiores, de dezenas de bilhões de anos-luz de diâmetro, mostrará que qualquer área do espaço se parece muito com qualquer outra. A mesma densidade, a mesma temperatura, o mesmo número de estrelas e galáxias, os mesmos tipos de galáxias, etc.Nas escalas maiores, nenhuma parte do Universo parece especial em relação a outras. Aparentemente, diferentes regiões do cosmos têm as mesmas propriedades básicas que todas as outras.
Mas no começo do nosso universo não havia esses pedaços e vazios gigantes. Se olharmos para a “fotografia infantil” do Universo - radiação relicada (IR) - descobriremos que a densidade do jovem Universo era a mesma em todas as escalas, literalmente em todos os lugares. E quando digo "o mesmo", quero dizer que, de acordo com as medições, a temperatura em todas as direções era de 2 K, depois 2,7 K, depois 2,73 K, depois 2,725 K. Na verdade, era uniforme em todos os lugares.Finalmente, na década de 1990, descobrimos que algumas áreas eram apenas um pouco mais densas que a média, enquanto outras eram um pouco mais raras que a média em 80-90 microkelvin. O universo, nos primeiros dias, em média, era muito homogêneo e os desvios não eram superiores a 0,003%.
A foto infantil do satélite Planck mostra desvios da homogeneidade ideal, onde os “pontos quentes” vermelhos correspondem a regiões esparsas e os “pontos frios” azuis aos densos: eles crescem em regiões ricas em estrelas e galáxias. O universo precisava dessas imperfeições - esses locais de maior e menor densidade - para que as estruturas pudessem se formar.Se fosse perfeitamente uniforme, nenhuma região do espaço poderia atrair mais matéria do que qualquer outra, e o crescimento gravitacional não ocorreria. Mas mesmo se você começar com imperfeições muito pequenas - algumas partes por 100.000 -, em 50 a 100 milhões de anos as primeiras estrelas se formarão. Em algumas centenas de milhões de anos, as primeiras galáxias aparecerão. Em pouco mais de meio bilhão de anos, tantas estrelas e galáxias aparecerão que a luz visível será capaz de viajar pelo Universo sem encontrar matéria neutra que o bloqueie. Em muitos bilhões de anos, os aglomerados de galáxias que conhecemos hoje aparecerão.Voltemos com esse conhecimento à questão de Jim. É possível criar um universo sem flutuações? Resposta: não, se você criar da maneira como foi criado. A parte visível do Universo veio do Big Bang, quando o Universo de repente se encheu de um mar quente e denso de matéria, antimatéria e radiação.A energia do Big Bang quente veio do final da inflação - então a energia inerente ao espaço se transformou em matéria e radiação - em um processo conhecido como aquecimento cósmico secundário. O Universo não aqueceu a mesma temperatura em todos os lugares, porque durante a inflação houve flutuações quânticas se estendendo por todo o Universo! Essa é a raiz da aparência de áreas densas e esparsas.
Se pegarmos o Universo, que é rico em matéria e radiação, que ocorreu como resultado da inflação e obedece às leis da física conhecidas por nós, obteremos exatamente essas flutuações, levando ao aparecimento de regiões densas e esparsas.Mas o que determina seu tamanho? Eles poderiam ser menores?Resposta: sim, eles poderiam. Se a inflação ocorresse com energias mais baixas, ou se o potencial de inflação tivesse outras propriedades, essas flutuações poderiam ser muito menores. Não apenas dez vezes menos, mas cem, mil, um milhão e até um bilhão de vezes menos que o nosso!
Isso é extremamente importante porque a formação de estruturas espaciais leva muito tempo. Em nosso universo, a transição das flutuações iniciais para o momento em que conseguimos mensurá-las (RI) leva centenas de milhares de anos. A transição do RI para o momento em que a gravidade contribui para a formação das primeiras estrelas leva centenas de milhões de anos.Mas a transição das primeiras estrelas para o Universo, em que a energia escura domina - e na qual não haverá novas estruturas, apenas aquelas que já estão conectadas pela gravidade - não é tão grande. O universo precisa de cerca de 7,8 bilhões de anos desde o Big Bang até o início da aceleração. Portanto, se as flutuações iniciais fossem muito menores, para que as primeiras estrelas nos primeiros dez bilhões de anos após o Big Bang não se formassem, a combinação dessas pequenas flutuações com energia escura levaria definitivamente ao fato de que as estrelas não apareceriam.
Quão pequenas devem ser essas flutuações? A resposta irá surpreendê-lo - apenas algumas centenas de vezes menos que a nossa! Se o número dessas flutuações no gráfico abaixo (RI) estivesse na região de dezenas, em vez de vários milhares, o universo teria sorte se hoje tivesse pelo menos uma estrela ou galáxia e certamente pareceria diferente da nossa. O universo.
Se não fosse pela energia escura - se tivéssemos apenas matéria e radiação -, se houvesse tempo suficiente, poderíamos formar estruturas, independentemente do tamanho das flutuações iniciais. Mas a inevitabilidade da expansão acelerada dá alguma urgência, que de outra forma não existiria, e torna absolutamente imperativo que a flutuação média seja de pelo menos 0,00001% da densidade média, para que haja estruturas visíveis no universo.Diminua as flutuações e não haverá nada no universo. Aumente-os para um nível "enorme" de 0,003%, e você não terá problemas para criar um universo semelhante ao nosso.
Nosso universo nasceu com irregularidades, mas se a inflação fosse diferente, as massas desses pedaços deveriam ter sido diferentes. Fortemente menor - e, como resultado, nenhuma estrutura será obtida. Muito mais - e o universo estaria catastroficamente cheio de buracos negros que se formaram muito cedo.Para obter um universo como o que temos hoje, uma combinação muito bem-sucedida de circunstâncias teve que acontecer e, felizmente, nosso Universo, aparentemente, é o caminho certo.Source: https://habr.com/ru/post/pt398643/
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