Не секрет, что вселенная - чрезвычайно обширное место. 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 невероятными.
На этом уровне, по оценкам, существует от 10 до78 до 1082 атомы в известной, наблюдаемой вселенной. С точки зрения непрофессионала, это получается между десятью квадриллионными атомами винилтиллиона.
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.
В то время как немецкий суперкомпьютер недавно 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 достигать 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 1035 грамм. Таким образом, общая масса будет около 1058 грамм (это 1,0 х 1052 метрических тонн). Поскольку каждый грамм вещества имеет около 1024 протоны, или примерно одинаковое количество атомов водорода (поскольку один атом водорода имеет только один протон), то общее число атомов водорода будет примерно 1086 - ака. 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.
Наблюдаемое вещество Вселенной также распространяется изотропно; Это означает, что ни одно направление наблюдения не отличается от любого другого, и каждый участок неба имеет примерно одинаковое содержание. Вселенная также залита 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 вызывать видимых нарушений 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 заключается 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 осложнение этой теории. Это является следствием специальной теории относительности, в которой добавление энергии к объекту увеличивает его массу постепенно. Между всеми слияниями и делениями атомы регулярно превращаются из частиц в энергии и обратно.
Тем не менее, в больших масштабах общая плотность вещества во Вселенной остается неизменной во времени. Нынешняя 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 всего 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.
У нас есть много статей, которые связаны с количеством вещества во Вселенной здесь, в журнале «Космос», например, Сколько галактик во Вселенной и Сколько звезд находится в Млечном Пути?
У НАСА также есть следующие статьи о вселенной: «Сколько там галактик?». и эта статья о звездах в нашей галактике.
У нас также есть эпизоды подкастов из Astronomy Cast на тему галактик и переменных звезд.
