Карта схемы сгущения / скопления, которую демонстрируют галактики в нашей Вселенной сегодня. Изображение предоставлено: Грег Бэкон / STScI / Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

Идеальная вселенная

Могла ли Вселенная родиться полностью однородной и до сих пор рожденной для нас?

«Во-первых, вы должны проверить мой дом. Это вроде как отстойно, но гораздо менее отстойно, чем твой дом. Принцесса Космических Принцесс, Время Приключений

Когда вы думаете о Вселенной, вы, конечно, не думаете о ней как о гладком, однородном месте. В конце концов, комок планеты Земля ужасно отличается от бездны пустого пространства! Тем не менее, в самых больших масштабах Вселенная довольно гладкая, и в ранние времена она была гладкой даже в меньших масштабах. Хотя наша Вселенная по своей природе является квантовой по своей природе, со всеми сопутствующими квантовыми флуктуациями, вы можете задаться вопросом, могла ли она родиться совершенно гладкой и просто выросшей оттуда. Давайте посмотрим на Вселенную, которую мы имеем сегодня, и узнаем.

Земля, звезды и Млечный путь определенно демонстрируют комковатость, но, возможно, они возникли из более раннего однородного состояния? Изображение предоставлено: ESO / S. Guisard.

В близлежащих масштабах у нас есть плотные скопления вещества: такие вещи, как звезды, планеты, луны, астероиды и люди. Между ними огромные расстояния пустого пространства, населенного также более рассеянными скоплениями вещества: межзвездный газ, пыль и плазма, которые представляют собой либо остатки умирающих звезд, либо будущие местоположения звезд, которые еще не родились. , И все это связано в нашей великой галактике: Млечном Пути.

В больших масштабах галактики могут существовать изолированно (полевые галактики), они могут быть связаны в небольшие группы по несколько человек (например, наша собственная локальная группа), или они могут существовать в больших количествах, сгруппированных вместе, содержащих сотни или даже тысячи большие. Если мы посмотрим на еще большие масштабы, то обнаружим, что кластеры и группы структурированы вдоль гигантских нитей, некоторые из которых простираются на многие миллиарды световых лет по всему космосу. И между ними? Гигантские пустоты: недолговечные области, в которых мало или совсем нет галактик и звезд вообще.

Обе симуляции (красный) и галактические съемки (синий / фиолетовый) показывают одинаковые крупномасштабные схемы кластеризации. Изображение предоставлено: Джерард Лемсон и Консорциум Девы, http://www.mpa-garching.mpg.de/millennium/.

Но если мы начнем смотреть в еще больших масштабах - в масштабах десятки миллиардов световых лет - мы обнаружим, что любая конкретная область пространства, на которую мы смотрим, очень похожа на любую другую область пространства. Одинаковая плотность, одинаковая температура, одинаковое количество звезд и галактик, одинаковые типы галактик и т. Д. В самых больших масштабах ни одна из частей нашей Вселенной не является более или менее особенной, чем любая другая часть Вселенная. Кажется, что разные области пространства имеют одинаковые общие свойства везде и всюду, куда бы мы ни смотрели.

Изображения предоставлены: Консорциум Дева / A. Amblard / ESA (верх и середина), симуляции темной материи и того, где должны быть галактики; Консорциум ESA / SPIRE / Консорциум HerMES (внизу), из Отверстия Локмана, где каждая точка - галактика.

Но наша Вселенная вообще не начиналась с этих гигантских комков-пустот. Когда мы смотрим на самую раннюю «детскую картину» нашей Вселенной - космический микроволновый фон - мы обнаруживаем, что плотность молодой вселенной была одинаковой во всех масштабах абсолютно везде. И когда я говорю то же самое, я имею в виду, что мы измерили, что температура была 3 К во всех направлениях, а затем 2,7 К, а затем 2,73 К, а затем 2,725 К. Это было действительно, действительно везде одинаково. Наконец, в 1990-х годах мы обнаружили, что некоторые регионы были чуть плотнее, чем в среднем, а некоторые - чуть менее плотными, чем в среднем: примерно на 80–90 микрокельвин. Вселенная была очень, очень однородной в среднем в первые дни, когда отклонения от идеальной однородности составляли всего 0,003% или около того.

Флуктуации космического микроволнового фона колеблются от десятков до сотен мкК, но общая температура составляет 2,725 К. Фото: ESA и Planck Collaboration.

Это детское изображение со спутника Планка показывает колебания от идеальной однородности, с красными «горячими точками», соответствующими недогазированным областям, и синими «холодными точками», соответствующими переполненным: те, которые вырастут в звезды и галактики. богатые регионы космоса. Вселенная нуждалась в этих несовершенствах - этих сверхплотностях и недостатках - чтобы вообще могла сформироваться структура.

Если бы он был совершенно однородным, ни одна область пространства не привлекла бы больше материи, чем любая другая, и поэтому со временем гравитационный рост не происходил бы. Тем не менее, если вы начнете даже с тех небольших несовершенств - с тех немногих частей в 100 000, с которых начиналась наша Вселенная - то к тому времени, через 50-100 миллионов лет, мы сформировали первые звезды во Вселенной. К тому времени прошло несколько сотен миллионов лет, мы сформировали первые галактики. К тому времени прошло немногим более полумиллиарда лет, мы сформировали так много звезд и галактик, что видимый свет может свободно перемещаться по всей Вселенной, не сталкиваясь с этой нейтральной веществом, блокирующим свет. И к тому времени, когда прошло много миллиардов лет, у нас есть скопления и скопления галактик, которые мы узнаем сегодня.

Можно ли было создать Вселенную без колебаний? Тот, который родился совершенно гладким, но со временем эти колебания росли? Ответ: нет, если вы создадите Вселенную так, как была создана наша. Видите ли, наша наблюдаемая Вселенная произошла от горячего Большого взрыва, где Вселенная внезапно наполнилась горячим, плотным морем вещества, антивещества и излучения. Энергия для горячего Большого взрыва пришла от конца инфляции - когда энергия, присущая самому пространству, была преобразована в вещество и радиацию - во время процесса, известного как космическое нагревание. Но Вселенная не нагревается до одинаковых температур во всех местах, потому что во время инфляции были квантовые флуктуации, которые распространялись по всей Вселенной! Это корень того, откуда пришли эти чрезмерные и недостаточные области.

В то время как космическая инфляция растягивает плоскость Вселенной, она также растягивает квантовые флуктуации пустого пространства по всей Вселенной, запечатлевая флуктуации плотности / энергии на ткани пространства-времени. Изображение предоставлено: E. Siegel.

Если у вас есть вселенная, богатая материей и радиацией, которая имела инфляционное происхождение и законы физики, которые мы знаем, у вас будут эти колебания, которые приводят к увеличению и уменьшению областей.

Но что определило их величину? Могли ли они быть меньше?

Ответ - да: если инфляция произошла в более низких энергетических масштабах или если инфляционный потенциал имел свойства, отличные от тех, которые он должен был иметь, эти колебания могли бы быть намного, намного меньше. Они могли бы быть не только в десять раз меньше, но в сто, тысяча, миллион, миллиард или даже меньше, чем у нас!

Инфляция привела к горячему Большому взрыву и дала начало наблюдаемой Вселенной, к которой у нас есть доступ, но именно колебания инфляции переросли в структуру, которая у нас есть сегодня. Изображение предоставлено: Bock et al. (2006, astro-ph / 0604101); модификации Э. Зигеля.

Это очень важно, потому что формирование космической структуры занимает много времени. В нашей Вселенной, чтобы перейти от этих первоначальных колебаний к первому их измерению (CMB), требуются сотни тысяч лет. Чтобы перейти от CMB к тому моменту, когда гравитация позволяет формировать первые звезды Вселенной, требуется около ста миллионов лет.

Но перейти от этих первых звезд к вселенной, в которой доминирует темная энергия - та, в которой не будет образовываться новая структура, если вы еще не связаны гравитацией - это не такой большой скачок. От Большого взрыва требуется всего около 7,8 миллиардов лет, чтобы Вселенная начала ускоряться, а это означает, что если бы начальные колебания были намного меньше, чтобы мы не образовали первые звезды, скажем, через десять миллиардов лет после Большого взрыва сочетание небольших флуктуаций с темной энергией гарантирует, что мы никогда не получим звезд вообще.

Из коллапсирующего газового облака может появиться одна массивная звезда, но временные масштабы могут быть огромными, если первоначальное колебание, приводящее к облаку, было достаточно маленьким. Изображение предоставлено: туманность замочной скважины через NASA / Hubble Heritage Team (STScI).

Насколько маленькими должны были быть эти колебания? Ответ удивителен: всего в несколько сотен раз меньше, чем у нас на самом деле! Если бы «масштаб» этих колебаний в CMB (ниже) имел числа в масштабе дюжины, а не нескольких тысяч, наша Вселенная была бы счастлива иметь сегодня даже одну звезду или галактику, и была бы конечно, ничто не похоже на вселенную, которую мы на самом деле имеем.

Колебания в разных масштабах порождают структуру, которую мы видим в разных масштабах. Без недостатков расти нечего. Изображение предоставлено научной группой NASA / WMAP.

Если бы не темная энергия - если бы у нас были только материя и радиация, - то через достаточно времени мы могли бы сформировать структуру во Вселенной, независимо от того, насколько малы были эти начальные колебания. Но эта неизбежность ускоренного расширения дает нашей Вселенной ощущение срочности, которого у нас не было бы в противном случае, и делает абсолютно необходимым, чтобы величина средних флуктуаций составляла не менее примерно 0,00001% от средней плотности, чтобы иметь Вселенная с какими-либо заметными связанными структурами вообще. Сделайте ваши колебания меньше, и у вас будет Вселенная, в которой ничего нет. Но поднимите эти колебания до «массивного» уровня 0,003%, и у вас не возникнет проблем с получением Вселенной, которая будет выглядеть так же, как наша.

С флуктуациями, немного меньшими, чем у нас, скопления галактик - как показано здесь - никогда бы не появилось. Фото предоставлено: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) и Джованни Ансельми (Coelum Astronomia), гавайский Starlight.

Наша Вселенная, должно быть, была рождена с комочками, но если бы инфляция была другой, массы этих комков тоже были бы совсем другими. Гораздо меньше, и не было бы никакой структуры вообще. Намного больше, и у нас могла бы быть Вселенная, катастрофически заполненная черными дырами с очень и очень раннего времени. Чтобы дать нам Вселенную, которая нам сегодня нужна, нам понадобилось чрезвычайно случайное сочетание обстоятельств, и, к счастью для нас, тот, который нам дали, выглядит правильным.

Этот пост впервые появился в Forbes и доступен вам без рекламы нашими сторонниками из Патреона. Прокомментируйте наш форум и купите нашу первую книгу: Beyond The Galaxy!