Почти пусто: астрономы выяснили, сколько во Вселенной материи
Сколько в космосе материи? Ответ на этот вопрос искали и нашли астрономы из США и Египта, опубликовавшие результаты своих исследований в научном журнале Astrophysical Journal.
Космос как винегрет
Из чего состоит Вселенная? Разумеется, в ней есть звезды и планеты. А еще межзвездный газ, которого примерно столько же, сколько звезд (по массе). На бескрайних просторах между галактиками изредка встречаются атомы межгалактического газа. Изредка-то изредка, однако в сумме это вещество весит вчетверо больше, чем звезды и межзвездный газ вместе взятые. Но и это далеко не основной ингредиент космического салата. Ученые уже несколько десятилетий знают о существовании еще одного компонента — темной материи. Это вещество не наблюдается ни в какие телескопы, но более чем ярко проявляет себя своей гравитацией. Под дудку его тяготения пляшут и звезды в галактиках, и галактики в скоплениях.
Существование темной материи — доказанный факт, он надежно установлен несколькими способами. Но вот вопрос, из чего она состоит, спорный. Несомненно, некоторую ее часть составляют привычные астрономам объекты, такие как черные дыры, коричневые карлики, холодный газ и так далее. Просто они слишком далекие и тусклые, чтобы земные телескопы могли их разглядеть. Эта часть темной материи называется барионной — в честь барионов, то есть класса частиц, к которому относятся протоны и нейтроны. Именно из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, а потому к барионной материи относится все знакомое нам обычное вещество.
Однако большинство специалистов склоняются к мысли, что львиная доля темной материи не может состоять из атомных ядер. После Большого взрыва просто не могло образоваться столько барионов, говорят они и приводят весьма убедительные расчеты. Так что предполагается, что большая часть темной материи состоит из неизвестных частиц, еще не открытых физиками-экспериментаторами. Эта загадочная субстанция вполне логично называется небарионной темной материей. Подчеркнем, что небарионная природа подавляющей части темной материи еще не доказана. Но эта гипотеза настолько авторитетна, что включена в господствующую модель Вселенной (ΛCDM-модель).
Однако и это еще не все. Главный ингредиент «космического винегрета» — темная энергия, ускоряющая расширение Вселенной. Существование этого дополнительного ускорения — хорошо проверенный факт, за открытие которого Брайан Шмидт и Адам Рисс в 2011 году удостоились Нобелевской премии по физике. А вот о природе вызывающей его темной энергии ученые продолжают спорить. Большинство экспертов считают, что это некое свойство вакуума или же пронизывающее пространство поле. Встречаются, однако, и более экзотичные версии.
Божественные пропорции
Сколько в мире барионной материи (то есть видимой и некоторой части темной), небарионной темной материи и темной энергии? В каких пропорциях смешан этот салат? Это важный вопрос, от которого зависит, например, как расширяется Вселенная и как образовались галактики и их скопления.
Для начала поясним, как сравнивают материю с энергией. Дело в том, что в любой массе заключена энергия, количество которой можно вычислить по знаменитой формуле Е = mc 2 . И, между прочим, это количество впечатляет: в одном грамме вещества заперто около двадцати килотонн в тротиловом эквиваленте. Пересчитав массу в энергию, космологи выясняют вклад барионного вещества, небарионной материи и темной энергии в полную энергию Вселенной. Такие расчеты проводились неоднократно и разными способами. Но авторы новой статьи использовали собственный путь.
Как взвесить Вселенную
Когда мир был юным, вещество было рассеяно по пространству гораздо более равномерно, чем сейчас. Под действием собственной гравитации оно стянулось в галактики и их скопления. Этот процесс очень сильно зависел от количества материи во Вселенной. Чем больше вещества (барионного и небарионного вместе взятого), тем чаще должны встречаться скопления галактик и тем более высокую массу они должны иметь. Исследователи смоделировали на компьютере образование скоплений галактик при разном количестве материи во Вселенной и сравнили результаты с данными наблюдений.
Это не новый метод, и он успел хорошо зарекомендовать себя. Но авторы внесли в него важное изменение. Они разработали и применили процедуру, которая помогает понять, принадлежит ли та или иная галактика к скоплению. Это непростой вопрос, поскольку при взгляде с Земли мы видим не трехмерную картину, а плоскую. Звездная система, которая кажется нам принадлежащей к кластеру, может на самом деле находиться перед ним или за ним.
Используя свой алгоритм, ученые индивидуально вычисляли массу каждого скопления. Этим их исследование отличается от работ предшественников, в которых использовалась средняя масса многих скоплений. Кроме того, астрономы опирались на собственный каталог скоплений галактик GalWCat19. В нем перечислены более 1800 кластеров, в которые входит в общей сложности более 38500 галактик. Свой каталог авторы сформировали по данным крупнейшего обзора SDSS, выбирая самые яркие и близкие скопления. Особенно важно, что они близкие. Их свет путешествовал до Земли не более 2,5 млрд лет. Это позволяет не делать поправку на расширение Вселенной и те перемены, которые могли произойти в этих кластерах со временем.
Наш мир пуст
Завершив расчеты, исследователи получили, что вся материя в целом (видимое вещество, барионная часть темной материи и ее небарионная часть вместе взятые) обеспечивают только 31% всей энергии во Вселенной. Остальные 69% приходятся на таинственную темную энергию. Отметим также, что, хотя из расчета авторов это и не следует, ранее было установлена доля привычной нам барионной материи среди всей материи Вселенной — она составляет всего 20%.
Результаты авторов не очень отличаются от данных, полученных другими методами. Некоторые измерения отводят темной энергии чуть большую долю космического пирога — более 70%. Другие останавливаются на 68%. Но так или иначе именно это загадочное нечто — по-прежнему самый большой резервуар энергии в космосе.
Совпадение результатов, полученных разными способами, — хорошее свидетельство их надежности. Другими словами, похоже, что Вселенная действительно устроена именно так.
Авторы приводят выразительный пример. Представим, что вся материя, в том числе и та, которая обычно считается небарионной, состоит из водорода. Сколько понадобилось бы атомов, чтобы обеспечить ее наблюдаемое количество? В среднем всего шесть атомов на кубический метр пространства. Для сравнения: в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане.
Считанные атомы на кубический метр — это не просто вакуум. Это настолько глубокий вакуум, что его создание лежит далеко за границами технических возможностей человечества. Если усреднить космос, получится пустота. Звезды, планеты и мы сами существуем только потому, что материя не рассеяна по пространству равномерно, а собрана в плотные комки, разделенные пустынными безднами. Возможно, понимание этого факта поможет человечеству осознать свою уникальность в космосе и еще раз удивиться чуду научного познания, позволяющего на основе наблюдений и компьютерных моделей постигать устройство мироздания.
Космические деньги: почему бизнесмены инвестируют в безвоздушное пространство
Источник
Как выглядит самая маленькая частица во Вселенной?
Многие из вас могут наивно полагать, что самой маленькой частицей во Вселенной является атом. Что же, атом действительно считался мельчайшей и неделимой частицей вплоть до открытия в 1897 году Джозефом Томпсоном электрона; протона, который был открыт в 1920 году Эрнестом Резерфордом, а в 1932 году и нейтрона, который впервые был обнаружен английским физиком Джеймсом Чедвиком. Спустя почти 100 лет, мы знаем, что все во Вселенной состоит из кварков — загадочных частиц, которые принимают активное участие в гравитационных и электромагнитных взаимодействиях. Так что же такое кварк и как он выглядит?
Кварки — самая маленькая частица во Вселенной
Что такое кварк?
Кварк — наименьшая частица мироздания. Именно из кварков состоят все электроны, нейтроны и протоны атомов, каждый из которых был образован 13,7 миллиардов лет назад сразу после Большого Взрыва. Спустя несколько минут после рождения Вселенной, наше мироздание смогло остынуть настолько, что смогли образоваться первые элементарные частицы — кварки и электроны. Кварки соединились друг с другом, образовав ядро атомов. Спустя примерно 400 000 лет Вселенная смогла остынуть настолько, что произошло замедление в движении электронов, позволив атомным ядрам их захватить. Именно таким образом все видимое и невидимое нам пространство смогло обзавестись первыми атомами гелия и водорода, которые, между прочим, все еще остаются самыми распространенными веществами во Вселенной.
Как выглядят атомные частицы?
Наиболее крупными атомными частицами считаются протоны и нейтроны, которые несколько тяжелее электронов и располагаются прямо в самом центре атома. Электроны же образуют легковесное облако, которое вращается вокруг атомного ядра. Известно, что вес 1800 электронов соответствует одному тяжеловесу-протону. Помимо этого, добавление хотя бы одного протона к атому приводит к образованию нового вещества с отличными от оригинала свойствами, причем добавление лишнего нейтрона создает всего лишь изотоп вещества или же просто более тяжелую его версию.
Ядро атома состоит из протонов, нейтронов и электронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков
Наиболее крупными атомными частицами считаются протоны и нейтроны, которые несколько тяжелее электронов и располагаются прямо в самом центре атома. Электроны же образуют легковесное облако, которое вращается вокруг атомного ядра. Известно, что вес 1800 электронов соответствует одному тяжеловесу-протону. Помимо этого, добавление хотя бы одного протона к атому приводит к образованию нового вещества с отличными от оригинала свойствами, причем добавление лишнего нейтрона создает всего лишь изотоп вещества или же просто более тяжелую его версию.
Как уже говорилось выше, абсолютно все элементарные частицы состоят из кварков. которые представляют из себя основу мироздания. Интересный факт: Название “кварк” было взято в одном из романов известного в XX веке писателя-модерниста Джеймса Джойса, который необычным словом решил обозначить звук, воспроизводимый утками.
Джеймс Джойс — писатель, благодаря которому появился термин «кварки»
Сами же кварки подразделяются на 6 так называемых “ароматов”, каждый из которых обладает своими собственными характеристиками или “цветом”. Кроме того, каждый из 6 типов кварков обладает и собственным весьма оригинальным именем. Так, помимо нижнего и верхнего видов кварков, существуют также странный, очарованный, прелестный и истинный кварки.
Конечно же, “странность” или “прелестность” кварков сильно отличаются от привычных нам понятий. Точно так же, как и понятие цвета кварков на самом деле имеет в виду далеко не их оттенок, но способ взаимодействия кварков и других микрочастиц — глюонов. Что ж, фантазия ученых иногда умеет удивлять.
Если вам нравится данная статья, предлагаю вам посетить наш канал на Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из мира науки и техники.
В любом случае, кварки представляют из себя по-настоящему уникальные частицы, от которых во всех смыслах зависит существование нашей Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем. Быть может, тайна возникновения Большого взрыва и наше постижение основных законов Вселенной действительно зависят от одной крошечной песчинки, которая в тысячи и тысячи раз меньше атома.
Источник
Сколько атомов во Вселенной?
Не секрет, что вселенная — чрезвычайно обширное место. То, что мы можем наблюдать (известное как «известная вселенная»), оценивается примерно в 93 миллиарда световых лет. Это довольно внушительное число, особенно если учесть, что это только то, что мы наблюдали до сих пор. И учитывая огромный объем этого пространства, можно было бы ожидать, что количество вещества, содержащегося в нем, будет столь же впечатляющим.
Но что интересно, именно когда вы смотрите на этот вопрос в самых маленьких масштабах, цифры становятся самыми ошеломляющими. Например, считается, что в нашей наблюдаемой вселенной существует от 120 до 300 секстиллионов (то есть от 1,2 x 10 2 до 3,0 x 10 2) звезд. Но при ближайшем рассмотрении в атомном масштабе цифры становятся еще более немыслимыми.
На этом уровне считается, что в известной наблюдаемой вселенной существует от 10 78 до 10 82 атомов. С точки зрения непрофессионала, это получается между десятью квадриллионными атомами вининтиллиона.
И тем не менее, эти цифры не совсем точно отражают, сколько материи действительно может вместить вселенная. Как уже говорилось, эта оценка учитывает только наблюдаемую вселенную, которая достигает 46 миллиардов световых лет в любом направлении, и основана на том, где расширение пространства охватило самые отдаленные наблюдаемые объекты.
История Вселенной начинается с Большого взрыва.
Немецкий суперкомпьютер провел симуляцию и оценил, что в пределах диапазона наблюдения существует около 500 миллиардов галактик, более консервативная оценка оценивает их в 300 миллиардов. Поскольку число звезд в галактике может доходить до 400 миллиардов, то общее число звезд вполне может быть около 1,2 × 10 23 — или чуть более 100 секстиллионов.
В среднем каждая звезда может весить около 10 35 грамм. Таким образом, общая масса будет около 10 58 граммов (это 1,0 x 10 52 метрических тонн). Поскольку известно, что на каждый грамм вещества приходится около 10 24 протонов или примерно одинаковое количество атомов водорода (поскольку один атом водорода имеет только один протон), то общее число атомов водорода будет примерно 10 86 — иначе. сто тысяч квадриллионов вигинтиллионов.
В пределах этой наблюдаемой вселенной это вещество равномерно распространяется по всему пространству, по крайней мере, при усреднении по расстояниям, превышающим 300 миллионов световых лет. В меньших масштабах, однако, наблюдается образование материи в пучки иерархически организованной светящейся материи, с которой мы все знакомы.
Короче говоря, большинство атомов сконденсировано в звезды, большинство звезд сконденсировано в галактики, большинство галактик — в скопления, большинство скоплений — в сверхскопления и, наконец, в структуры самого большого масштаба, такие как Великая стена галактик (или Великая стена Слоана ), В меньшем масштабе эти скопления пронизаны облаками пылевых частиц, газовыми облаками, астероидами и другими небольшими скоплениями звездного вещества.
Представление временной шкалы Вселенной за 13,7 миллиардов лет и последующего расширения Вселенной. Предоставлено: НАСА / Научная команда WMAP.
Наблюдаемое вещество Вселенной также распространяется изотропно; Это означает, что ни одно направление наблюдения не отличается от любого другого, и каждая область неба имеет примерно одинаковое содержание. Вселенная также омывается волной высокоизотропного микроволнового излучения, которое соответствует тепловому равновесию примерно 2,725 Кельвина (чуть выше абсолютного нуля).
Гипотеза о том, что крупномасштабная вселенная однородна и изотропна, известна как космологический принцип. Это говорит о том, что физические законы действуют равномерно по всей вселенной и, следовательно, не должны приводить к заметным нарушениям в крупномасштабной структуре. Эта теория была подкреплена астрономическими наблюдениями, которые помогли наметить эволюцию структуры вселенной, так как она была первоначально заложена Большим взрывом.
Текущий консенсус среди ученых состоит в том, что подавляющее большинство материи было создано в этом событии, и что расширение Вселенной с тех пор не добавило новую материю в уравнение. Скорее, считается, что то, что происходило в течение последних 13,7 миллиардов лет, было просто расширением или рассеянием первоначально созданных масс. То есть, во время этого расширения не было добавлено никакого количества вещества, которого не было в начале.
Однако эквивалентность массы и энергии Эйнштейном представляет небольшое усложнение этой теории. Это является следствием специальной теории относительности , в которой добавление энергии к объекту увеличивает его массу постепенно. Между всеми слиянием и делением атомы регулярно превращаются из частиц в энергии и обратно.
Плотность атомов больше слева (начало эксперимента), чем 80 миллисекунд после симулированного Большого взрыва. Предоставлено: Чен-Лунг Хунг.
Тем не менее в больших масштабах общая плотность вещества во Вселенной остается неизменной во времени. Присутствует плотность наблюдаемой Вселенной оценивается как очень низкая — примерно 9,9 × 10- 30 грамм на кубический сантиметр. Эта массовая энергия состоит из 68,3% темной энергии, 26,8% темной материи и только 4,9% обычной (светящейся) материи. Таким образом, плотность атомов составляет порядка одного атома водорода на каждые четыре кубических метра объема.
Свойства темной энергии и темной материи в значительной степени неизвестны и могут быть равномерно распределены или организованы в сгустки, подобные нормальной материи. Тем не менее считается, что темная материя тяготеет, как обычная материя, и, таким образом, работает, чтобы замедлить расширение Вселенной. Напротив, темная энергия ускоряет свое расширение.
Еще раз, это число — приблизительная оценка. Когда используется для оценки общей массы Вселенной, она часто не соответствует тому, что предсказывают другие оценки. И, в конце концов, мы видим лишь меньшую часть целого.
Источник