Обычное вещество во вселенной это

Вещество Вселенной

Каждый кубический сантиметр пространства содержит около 500 реликтовых фотонов. Вещества на этот же объём приходится гораздо меньше: около 10’6 барионов (так называют тяжёлые элементарные частицы, в том числе протоны и нейтроны). Поскольку фотоны никуда не исчезают (пространство между галактиками прозрачно), отношение числа фотонов к числу барионов в ходе расширения Вселенной сохраняется. Но энергия фотонов со временем уменьшается из-за красного смещения. Следовательно, когда-то в прошлом плотность энергии излучения была больше плотности энергии обычных частиц вещества. Это означает, что до определённого момента фотоны не только числом, но и «массой» (масса — это просто энергия, делённая на квадрат скорости света) превосходили барионы. В те времена излучение полностью определяло характер расширения Вселенной. Об этой эпохе говорят как о радиационной стадии в эволюции Вселенной. На этой стадии температура вещества и излучения была одинаковой.

Но в один прекрасный момент, примерно через миллион лет после начала расширения Вселенной, всё изменилось: произошёл переход от радиационной стадии к стадии вещества. Это событие называют моментом регсои^мнд^им. Температура тогда понизилась до нескольких тысяч градусов. Из атомной физики известно, что при такой температуре начинается объединение (рекомбинация) электронов, бывших до этого свободными частицами, с протонами и ядрами гелия. Именно на этой стадии во Вселенной началось образование атомов, преимущественно водорода и гелия.

Если до рекомбинации ионизованное вещество и излучение активно взаимодействовали друг с другом, то после неё ситуация резко изменилась: кванты света почти перестали «замечать» нейтральные атомы. Вселенная стала прозрачной для излучения, которое начало путешествовать свободно. Именно это излучение улавливаем мы сейчас как реликтовое. Образно говоря, кванты реликтового излучения «запечатлели» эпоху рекомбинации и несут прямую информацию о далёком прошлом. Правда, с тех пор фотоны «покраснели» из-за расширения Вселенной и уменьшили свою энергию примерно в 1000 раз.

После рекомбинации вещество впервые начало эволюционировать самостоятельно, независимо от излучения, и в нём стали появляться уплотнения — зародыши будущих галактик и их скоплений. Вот почему так важны для учёных эксперименты по изучению свойств реликтового излучения — его спектра и пространственных неоднородностей (флуктуации). Их усилия не пропали даром: в начале 90-х гг. российский космический эксперимент «Реликт-2» и американский «Кобе» обнаружили очень маленькие различия температуры реликтового излучения и соседних участков неба. Величина отклонения от средней температуры (2,73 К) составляет всего около тысячной доли процента! Эти вариации температуры несут информацию об отклонении плотности вещества от среднего значения в эпоху рекомбинации. Именно вариации плотности впоследствии привели к образованию наблюдаемых во Вселенной крупномасштабных структур, скоплений галактик и отдельных галактик.

Сразу после рекомбинации ещё не было ни звёзд, ни галактик, ни других космических объектов; вещество было рассеяно во Вселенной почти равномерно. Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звёзды, планеты, галактики и т. д.) кроется в силе гравитации. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, а значит, более плотные образования становились ещё плотнее. И наоборот, области пониженной плотности делались всё разреженнее, поскольку вещество из них уходило в более плотные области. Таким образом, изначально почти однородная среда со временем разделилась на отдельные «облака», из которых сформировались галактики.

Источник

Вещество во Вселенной

Все вещества состоят из атомов, объединяющихся в разном количестве и сочетаниях. К настоящему времени на Земле обнаружено 92 типа атомов.

Они называются химическими элементами.Только представьте: почти все во Вселенной — звезды, Земля, растения, люди — состоит из одних первичных материалов! Они возникли очень давно. Насколько мы можем судить, это произошло вскоре после Большого взрыва, около 15 млрд лет назад, когда свет отделился от вещества, а Вселенная начала расширяться. Тогда возникли элементарные частицы, из которых и состоит известная нам материя.

Правильные ингредиенты

До этого Вселенная представляла собой своеобразную взрывчатую субстанцию. Описать это состояние невозможно даже в терминах современной физики. Не существовало ни времени, ни пространства в нашем понимании. Температура была бесконечно велика. Не было ни света, ни вещества как отдельных явлений.

Затем появились кварки, объединяясь, они образовали нейтроны (незаряженные частицы), протоны (положительно заряженные частицы) и электроны (отрицательно заряженные частицы). Из этих трех составляющих и сформировались атомы всех веществ.

В первые три минуты после Большого взрыва образовались наиболее легкие атомы. Простейший из них, атом водорода, состоит из протона и электрона. Атом дейтерия — разновидности водорода – имеет протон, нейтрон и электрон. Следующий по массе атом — атом гелия. Его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, а оболочка — из двух электронов. Сразу после Большого взрыва в мире еще не было сложных структур. Но появились основные ингредиенты, из которых и образовалась Вселенная: примерно 90% водорода, около 10% гелия и немного лития.

Мечта алхимика

Под действием сил гравитации изначально неупорядоченное вещество постепенно собиралось в галактики, в которых те же силы гравитации привели к возникновению звезд. Ядро звезды работает как термоядерный реактор: там происходит реакция термоядерного синтеза — слияние ядер. В результате из водорода возникают другие элементы. Внутри звезды, как в огромном тигле, выплавляются атомы более сложных элементов. В ходе цепи реакций слияния ядер последовательно образуются углерод, кремний, железо и множество других химических элементов. После образования железа дальнейшее слияние ядер в такого рода реакциях уже невозможно. Более тяжелые элементы (в том числе один из самых тяжелых – уран) смогут возникнуть только в конце жизни звезды, во время взрыва сверхновой. Таким образом, в процессе звездной эволюции легкие — простые — элементы превращаются в более сложные и тяжелые.

Кажущаяся простота

В наши дни известно 117 элементов, из которых 92 обнаружены в природе (в атмосфере и составе земной коры). Упорядоченную систему элементов впервые построил в 1869 г. русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Но в то время ничего не было известно о строении атомов, и причины, определяющие порядок элементов и распределение их свойств в системе, были неясны. Поэтому периодическая система Менделеева носила скорее эмпирический характер. В 1922 г. более полную классификацию элементов составил датский ученый Нильс Бор. Сейчас известны и описаны, по-видимому, все встречающиеся в природе элементы.

Но наука не стоит на месте. Сегодня ученые пытаются разобраться уже в фундаментальных основах строения материи, исследуя еще более простые, чем химические элементы, ее составляющие, такие, как кварки, глюоны и бозоны. Современная стандартная модель строения материи предполагает существование 12 частиц, из которых состоит все вещество во Вселенной. Собственно, частиц 24, потому что у каждой есть античастица. Фотоны, из которых состоит свет, не имеют массы и, вероятно, являются одновременно частицами и античастицами.

Источник

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