Spørg Ethan: Hvordan Ser Universets Kant Ud?
den simulerede store struktur af universet viser indviklede mønstre af klyngedannelse det… gentag aldrig. Men fra vores perspektiv kan vi kun se et begrænset volumen af universet. Hvad ligger ud over denne kant?
V. Springel et al., Mpa Garching, og Millenium Simulation
for 13,8 milliarder år siden begyndte universet som vi kender det med det varme Big Bang. I løbet af den tid er rummet selv udvidet, sagen har gennemgået gravitationsattraktion, og resultatet er det univers, vi ser i dag. Men så stort som det hele er, er der en grænse for, hvad vi kan se. Ud over en vis afstand forsvinder galakserne, stjernerne blinker ud, og ingen signaler fra det fjerne Univers kan ses. Hvad ligger der ud over det? Det er denne uges spørgsmål fra Dan Nyman, der spørger:
Hvis universet er endeligt i volumen, så er der en grænse? Er det tilgængeligt? Og hvad kan udsigten i den retning være?
lad os starte med at starte på vores nuværende placering og se så langt ud i afstanden som vi kan.
i nærheden ser stjernerne og galakserne meget ud som vores egne. Men når vi ser længere væk, vi… se universet som det var i den fjerne fortid: mindre struktureret, varmere, yngre og mindre udviklet.
NASA, ESA og A. Feild (STScI)
i vores egen baghave er universet fuld af stjerner. Men gå mere end omkring 100.000 lysår væk, og du har efterladt Mælkevejen. Derudover er der et hav af galakser: måske to billioner i alt indeholdt i vores observerbare univers. De kommer i en stor mangfoldighed af typer, former, størrelser og masser. Men når du ser tilbage på de fjernere, begynder du at finde noget usædvanligt: jo længere væk en galakse er, jo mere sandsynligt er det at være mindre, lavere i masse og at have dens Stjerner iboende blåere i farve end de nærliggende.
hvordan galakser forekommer forskellige på forskellige punkter i Universets historie: mindre, blåere,… yngre, og mindre udviklet på tidligere tidspunkter.NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University) og 3D-HST-teamet
dette giver mening i sammenhæng med et univers, der havde en begyndelse: en fødselsdag. Det var, hvad Big Bang var, den dag, universet, som vi kender det, blev født. For en galakse, der er relativt tæt på, er det næsten den samme alder, som vi er. Men når vi ser på en galakse, der er milliarder af lysår væk, har det lys brug for at rejse i milliarder af år for at nå vores øjne. En galakse, hvis lys tager 13 milliarder år at nå os, skal være mindre end en milliard år gammel, og jo længere væk vi ser, ser vi dybest set tilbage i tiden.
den fulde UV-synlige-ir-sammensætning af Hubble ekstreme dybe felt; det største billede, der nogensinde er frigivet… det fjerne Univers.
NASA, ESA, H. Teplitz og M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), og Z. Levay (STScI)
billedet herover er den Hubble ‘ eXtreme Deep Field (XDF), er det dybeste billede af det fjerne Univers, der nogensinde er taget. Der er tusindvis af galakser i dette billede, på et stort udvalg af afstande fra os og fra hinanden. Hvad du ikke kan se i simpel farve, er dog, at hver galakse har et spektrum forbundet med det, hvor skyer af gas absorberer lys ved meget bestemte bølgelængder, baseret på atomets enkle fysik. Efterhånden som Universet udvider sig, strækker denne bølgelængde sig, så de fjernere galakser ser rødere ud, end de ellers ville. Denne fysik giver os mulighed for at udlede deres afstand, og se og se, når vi tildeler afstande til dem, er de fjerneste galakser de yngste og mindste af alle.
ud over galakserne forventer vi, at der er de første stjerner, og derefter intet andet end neutral gas, da universet ikke havde haft tid nok til at trække stof i tætte nok stater til at danne en stjerne endnu. Går tilbage yderligere millioner af år, strålingen i Universet var så varmt, at neutrale atomer ikke kunne danne, hvilket betyder, at fotoner sprang ud af ladede partikler kontinuerligt. Når neutrale atomer dannede sig, skulle lyset simpelthen strømme i en lige linje for evigt, upåvirket af andet end universets udvidelse. Opdagelsen af denne resterende glød — den kosmiske Mikrobølgebaggrund — for mere end 50 år siden var den ultimative bekræftelse af Big Bang.
skematisk diagram over universets historie, der fremhæver reionisering. Før stjerner eller galakser… dannet var universet fuld af lysblokerende, neutrale atomer. Mens det meste af universet ikke bliver reioniseret indtil 550 millioner år bagefter, er nogle få heldige regioner for det meste reioniseret på tidligere tidspunkter.
kredit: S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center
så fra hvor vi er i dag, kan vi se ud i enhver retning, vi kan lide, og se den samme kosmiske historie udfolde sig. I dag, 13,8 milliarder år efter Big Bang, har vi de stjerner og galakser, vi kender i dag. Tidligere var galakser mindre, blåere, yngre og mindre udviklede. Før det var der de første stjerner, og før det, bare neutrale atomer. Før neutrale atomer var der et ioniseret plasma, så endnu tidligere var der frie protoner og neutroner, spontan skabelse af stof-og-antimatter, frie kvarker og gluoner, alle de ustabile partikler i standardmodellen og endelig selve Big Bang-øjeblikket. At se på større og større afstande svarer til at se helt tilbage i tiden.
kunstnerens logaritmiske skala opfattelse af det observerbare univers. Galakser giver plads til stor skala… struktur og den varme, tætte plasma af Big Bang i udkanten. Denne ‘kant’ er kun en grænse i tide.selvom dette definerer vores observerbare univers — med den teoretiske grænse for Big Bang placeret 46, 1 milliarder lysår fra vores nuværende position — er dette ikke en reel grænse i rummet. I stedet er det simpelthen en grænse i tide; der er en grænse for, hvad vi kan se, fordi lysets hastighed tillader information kun at rejse så langt i løbet af de 13,8 milliarder år siden hot Big Bang. Denne afstand er længere end 13.8 milliarder lysår, fordi universets stof er udvidet (og fortsætter med at udvide), men det er stadig begrænset. Men hvad med før Big Bang? Hvad ville du se, hvis du på en eller anden måde gik til tiden bare en lille brøkdel af et sekund tidligere end da Universet var på sit højeste energier, varmt og tæt og fuld af stof, antimaterie og stråling?
Inflation oprettede det varme Big Bang og gav anledning til det observerbare univers, vi har adgang til. Den… udsving fra inflationen plantede frøene, der voksede ind i den struktur, vi har i dag.
Bock et al. (2006, astro-ph / 0604101); ændringer af E. Siegel
du vil opdage, at der var en tilstand kaldet kosmisk inflation: hvor universet ekspanderede ultra hurtigt og domineret af energi, der er forbundet med selve rummet. Rummet ekspanderede eksponentielt i løbet af denne tid, hvor det blev strakt fladt, hvor det fik de samme egenskaber overalt, hvor allerede eksisterende partikler alle blev skubbet væk, og hvor udsving i kvantefelterne i rummet blev strakt over universet. Da inflationen sluttede, hvor vi er, fyldte det varme Big Bang universet med stof og stråling, hvilket gav anledning til den del af universet — det observerbare univers — som vi ser i dag. 13,8 milliarder år senere, her er vi.
det observerbare univers kan være 46 milliarder lysår i alle retninger fra vores synspunkt,… men der er bestemt mere, uobserverbart univers, måske endda en uendelig mængde, ligesom vores ud over det.
Kristian Jørgensen, annoteret af E. Siegel
sagen er, der er ikke noget særligt ved vores placering, hverken i rummet eller i tiden. Det faktum, at vi kan se 46 milliarder lysår væk, gør ikke den grænse eller den placering noget særligt; det markerer simpelthen grænsen for, hvad vi kan se. Hvis vi på en eller anden måde kunne tage et “øjebliksbillede” af hele universet og gå langt ud over den observerbare del, som det eksisterer 13, 8 milliarder år efter Big Bang overalt, ville det hele se ud som vores nærliggende univers gør i dag. Der ville være et stort kosmisk net af galakser, klynger, filamenter og kosmiske hulrum, der strækker sig langt ud over det forholdsvis lille område, vi kan se. Enhver observatør, hvor som helst, ville se et univers, der var meget lig det, vi ser fra vores eget perspektiv.
en af de fjerneste udsigter over universet viser nærliggende stjerner og galakser set langs… måde, men galakserne tættere på de ydre regioner ses simpelthen på et yngre, tidligere udviklingsstadium. Fra deres perspektiv er de 13.8 milliarder år gammel (og mere udviklet), og vi ser ud som vi gjorde for milliarder af år siden.
NASA, ESA, VARETEAMET og M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts)
de individuelle detaljer ville være forskellige, ligesom detaljerne i vores eget solsystem, galakse, lokal gruppe og så videre er forskellige fra enhver anden observatørs synspunkt. Men universet selv er ikke begrænset i volumen; det er kun den observerbare del, der er endelig. Årsagen til det er, at der er en grænse i tiden — Big Bang — der adskiller os fra resten. Vi kan kun nærme os denne grænse gennem teleskoper (som ser på tidligere tider i universet) og gennem teori. Indtil vi finder ud af, hvordan vi kan omgå den fremadrettede strøm af tid, vil det være vores eneste tilgang til bedre at forstå universets “kant”. Men i rummet? Der er ingen kant overhovedet. Til det bedste, vi kan fortælle, nogen på kanten af det, vi ser, ville simpelthen se os som kanten i stedet!
Send dine Ask Ethan-spørgsmål til start med at hænge på gmail dot com!
Leave a Reply