Вселенная изначально была почти идеально однородной, а сегодня все совсем иначе. Вот как мы выросли.
Одним из самых странных фактов о Вселенной является то, насколько сильно она изменилась с течением времени. Сегодня мы видим Вселенную, заполненную большими галактиками, содержащими сотни миллиардов звезд, слипшихся и сгруппированных в массивную космическую паутину. Однако во времени, близком к Большому взрыву, все было чрезвычайно гладким и однородным, с очень небольшим количеством комков или скоплений, о которых можно было бы говорить. Вернитесь достаточно далеко, и вы вообще не найдете ни галактик, ни звезд.
Это имеет смысл с качественной точки зрения. Вселенная родилась с крошечными несовершенствами, гравитация их наращивает, пока Вселенная расширяется, и в зависимости от того, как и где побеждает гравитация, мы получаем эти огромные галактики и галактические скопления, разделенные областями, не содержащими ничего: космическими пустотами. Но структура не сформировалась сразу, и самые большие структуры сформировались последними. Это космическая причина, почему.
Представьте Вселенную такой, какой она была на этих ранних стадиях. Он полон материи и излучения, которые почти идеально равномерно распределены, куда бы вы ни посмотрели. После Большого взрыва типично сверхплотная область имела 100,003% средней плотности, а обычно пониженная плотность имела 99,997% средней плотности. Когда мы описываем раннюю Вселенную как однородную, это уровень однородности, которого мы достигли.
Эти избыточная и недостаточная плотность были почти одинаковыми на всех шкалах. Независимо от того, смотрите ли вы на область в несколько километров, или в несколько световых лет, или в несколько миллионов или миллиардов световых лет, одна и та же флуктуация, составляющая 1/30 000, описывает сверхплотные и недостаточно плотные области, с которых началась Вселенная.
Но так будет недолго. Гравитация сразу же начинает преимущественно притягивать массу в сверхплотные области по сравнению со всеми остальными. Неплотные области легче отдают свое вещество окружающим, сравнительно более плотным областям.
Тем не менее, несмотря на то, что закон всемирного тяготения универсален и одинаков во всех масштабах, Вселенная не образует звездные скопления, галактики и скопления галактик одновременно. На самом деле для образования первых звезд требуется менее 100 миллионов лет, но миллиарды лет - более чем в десять раз больше - прежде чем мы сформируем массивные галактические скопления, населяющие Вселенную.
Это может показаться нелогичным, но этому есть простая причина, которая видна на первом изображении, полученном нами из зарождающейся Вселенной: гравитация - это сила с бесконечным радиусом действия, но она не распространяется с бесконечной скоростью.. Он распространяется только со скоростью света, а это означает, что если вы хотите оказать влияние на область пространства, до которой вам потребуется 100 миллионов лет, чтобы добраться со скоростью света, она не почувствует вашего присутствия, пока не пройдет 100 миллионов лет.
Вот почему на графике космического микроволнового фона выше самые большие масштабы (слева) имеют совершенно плоские колебания температуры: гравитация еще не повлияла на них. Этот первый массивный пик - это то место, где сейчас происходит гравитационное сжатие, но коллапса не было достаточно, чтобы вызвать отпор со стороны излучения. А пики и впадины за ним представляют собой плескание в масштабах меньших, чем нынешний космический горизонт.
Все это превращается в подробную дорожную карту того, как формируется крупномасштабная структура Вселенной. Мы можем разбить его на несколько общих правил.
- Сначала структура будет формироваться в меньших масштабах: звезды перед галактиками, галактики перед скоплениями, скопления перед сверхскоплениями.
- Та характеристическая шкала, на которой флуктуации плотности самые большие, будет соответствовать сегодняшней шкале расстояний, где мы с большей вероятностью увидим корреляции галактик, чем на более коротком или более длинном масштабе.
- Если позже во Вселенной возникнет какая-то фаза ускорения, это вызовет отсечку в структурообразовании: максимум, самый большой масштаб для структуры.
- И как только вы становитесь гравитационно связанными, вы должны оставаться гравитационно связанными, даже несмотря на бесконечное расширение Вселенной.
Основываясь на наших наблюдениях далекой Вселенной, все эти предсказания подтверждаются.
Первые звезды, как мы их понимаем, появляются, когда возраст Вселенной составляет от 50 до 100 миллионов лет. Требуются многие миллионы солнечных масс (но менее миллиарда), чтобы инициировать гравитационный коллапс до звезд для первичного материала во Вселенной, а это означает, что даже в самых плотных регионах не появятся звезды, пока не пройдет много десятков миллионов лет. прошедший.
Потребуется дополнительное время, чтобы эти отдельные звездные скопления слились вместе, чтобы создать галактики, чтобы эти галактики слились вместе, чтобы создать эволюционировавшие галактики и группы галактик, и чтобы эти группы слились вместе, чтобы сформировать скопления галактик.. Именно это мы имеем в виду, когда говорим о космической паутине и крупномасштабной структуре Вселенной: она должна строить сама себя, от малых масштабов (где в первую очередь действует гравитация) до крупных.
Несмотря на то, что именно так формируется структура во Вселенной, порождая сеть нитей, где кластеры существуют в связях, сеть сначала появляется в меньших масштабах. Более крупные масштабы не проявляют структуры до тех пор, пока Вселенная не состарится еще больше из-за чрезвычайно большого количества времени, которое требуется гравитационному сигналу, чтобы пересечь сотни миллионов или миллиарды световых лет.
К настоящему времени у нас есть наблюдаемая Вселенная диаметром около 92 миллиардов световых лет. И масштаб, в котором мы, скорее всего, увидим эти корреляции галактик, составляет около 500 миллионов световых лет, а это означает, что если вы нажмете пальцем на любую галактику и посмотрите на определенное расстояние, вы, скорее всего, найдете другую. галактика на расстоянии 500 миллионов световых лет, чем вы находитесь на расстоянии 400 или 600 миллионов световых лет.
Кроме того, крупномасштабные особенности, которые мы распознаем как скопления галактик, не должны присутствовать на самых ранних стадиях. В течение многих сотен миллионов лет вообще не должно быть скоплений галактик, и должны пройти миллиарды лет, прежде чем большие скопления галактик слипнутся в настоящие скопления галактик.
Более того, те, что появляются в эти ранние времена, должны иметь меньшую массу, чем те, которые появляются позже. В целом, это убедительно подтверждается наблюдениями: самые ранние известные массивные галактические скопления появляются намного позже того, как массивные галактики становятся многочисленными. Если мы посмотрим вблизи, то обнаружим более массивные скопления галактик, содержащие гораздо больше галактик, чем более далекие.
Самое впечатляющее, кажется, существует ограничение на размер и массу структур. Возможно, вы слышали о нашем местном сверхскоплении: Ланиакея, которое содержит Млечный Путь, местную группу, скопление Девы и многие другие скопления и группы, которые, кажется, организованы в виде веретенообразной структуры, похожей на паутину. Если бы вы нанесли на карту все это, у вас мог бы возникнуть соблазн сделать вывод, что Ланиакея реальна, и что этот массивный объект является еще более крупной структурой, чем большие скопления галактик, которые мы видим во Вселенной.
Но это не более чем фантазм. Ланиакея - только кажущаяся структура; он не связан гравитацией. В самых больших космических масштабах темная энергия доминирует над силой гравитации, и так было последние 6 миллиардов лет. Если объект гравитационно не вырос до достаточной плотности, чтобы к тому времени схлопнуться под действием собственной силы, он никогда этого не сделает.
Ланиакея, как и все огромные структуры масштаба сверхскопления, в настоящее время разрывается на части расширением Вселенной. В среднем этим крупным скоплениям галактик требуется от 2 до 3 миллиардов лет, чтобы вырасти до достаточной плотности, чтобы гравитационно коллапсировать. Самые массивные из них сегодня могут содержать многие тысячи галактик размером с Млечный Путь, но нет гигантов, охватывающих десятки миллиардов световых лет или содержащих внутри себя десятки тысяч Млечных Путей. Ускоренное расширение Вселенной просто слишком велико, чтобы гравитация могла его преодолеть.
Хотя семена, необходимые для космической структуры, были посажены на самых ранних стадиях Вселенной, требуется время и нужные ресурсы, чтобы эти семена дали плоды. Семена мелкомасштабной структуры прорастают первыми, поскольку гравитационная сила распространяется со скоростью света, превращая сверхплотные области в самые ранние звездные скопления всего через несколько десятков миллионов лет. С течением времени семена структуры галактического масштаба тоже прорастают, и требуются сотни миллионов лет, чтобы образовались галактики во Вселенной.
Но скопления галактик, вырастающие из семян одинаковой величины на больших расстояниях, занимают миллиарды лет. К тому времени, когда Вселенной исполнится 7,8 миллиарда лет, ускоренное расширение взяло верх, что объясняет, почему нет более крупных связанных структур, чем скопления галактик. Космическая паутина больше не растет, как когда-то, а в первую очередь разрывается на части темной энергией. Наслаждайтесь тем, что у нас есть, пока оно у нас есть; Вселенная больше никогда не будет такой структурированной!
Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Как это было, когда начался Большой Взрыв?
- Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
- Как это было, когда бозон Хиггса придал Вселенной массу?
- Как это было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
- Как это было, когда мы потеряли последнюю часть нашей антиматерии?
- Как это было, когда Вселенная создала свои первые элементы?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала атомы?
- Каково было, когда во Вселенной не было звезд?
- Как это было, когда первые звезды начали освещать Вселенную?
- Как это было, когда погибли первые звезды?
- Как это было, когда во Вселенной образовалось второе поколение звезд?
- Как это было, когда Вселенная создала самые первые галактики?
- Как это было, когда звездный свет впервые прорвался сквозь нейтральные атомы Вселенной?
- Как это было, когда образовались первые сверхмассивные черные дыры?
- Что было, когда жизнь во Вселенной впервые стала возможной?
- Как это было, когда галактики образовывали наибольшее количество звезд?
- Как это было, когда формировались первые обитаемые планеты?