Сколько атомов во Вселенной?

Ни для кого не секрет, что Вселенная чрезвычайно обширна. То, что мы можем наблюдать (также известное как «известная Вселенная»), оценивается примерно в 93 миллиарда световых лет. Это довольно впечатляющее число, особенно если учесть, что это единственное, что мы наблюдали до сих пор. И, учитывая огромный объем этого пространства, можно было бы ожидать, что количество материи, содержащейся внутри, будет таким же впечатляющим.

Но что интересно, когда вы смотрите на этот вопрос на самом маленьком масштабе, цифры становятся самыми ошеломляющими. Например, считается, что в пределах нашей наблюдаемой Вселенной существует от 120 до 300 секстиллионов (это от 1,2 x 10²³ до 3,0 x 10²³) звезд. Но при ближайшем рассмотрении, в атомном масштабе, цифры становятся еще более невообразимыми.

На этом уровне предполагается, что в известной наблюдаемой Вселенной существует от 10 78 до 10 82 атомов. С точки зрения непрофессионала, это составляет от десяти квадриллионов вигинтиллонов до ста тысяч квадриллионов вигинтиллонов атомов.

Удалить всю рекламу во Вселенной сегодня

Присоединяйтесь к нашему Patreon всего за 3 доллара!

Получите опыт без рекламы на всю жизнь

И все же эти цифры не совсем точно отражают, сколько материи действительно может содержать Вселенная. Как уже говорилось, эта оценка учитывает только наблюдаемую Вселенную, которая достигает 46 миллиардов световых лет в любом направлении, и основана на том, куда расширение пространства привело самые отдаленные наблюдаемые объекты.

В то время как немецкий суперкомпьютер недавно провел моделирование и подсчитал, что в пределах досягаемости находится около 500 миллиардов галактик, по более консервативной оценке это число составляет около 300 миллиардов. Поскольку количество звезд в галактике может достигать 400 миллиардов, то общее количество звезд вполне может составлять около 1,2×10 23 — или чуть более 100 секстиллионов.

В среднем каждая звезда может весить около 10 35 граммов. Таким образом, общая масса будет около 10 58 граммов (это 1,0 x 10 52 метрических тонны). Поскольку известно, что каждый грамм вещества содержит около 10 24 протонов, или примерно такое же количество атомов водорода (поскольку один атом водорода имеет только один протон), то общее число атомов водорода будет приблизительно равно 10 86 – ака. сто тысяч квадриллионов вигинтиллонов.

В этой наблюдаемой Вселенной эта материя однородно распределена по всему пространству, по крайней мере, при усреднении на расстояниях, превышающих 300 миллионов световых лет. Однако в меньших масштабах материя формируется в сгустки иерархически организованной светящейся материи, с которыми мы все знакомы.

Короче говоря, большинство атомов конденсируются в звезды, большинство звезд конденсируются в галактики, большинство галактик в скопления, большинство скоплений в сверхскопления и, наконец, в крупнейшие структуры, такие как Великая стена галактик (она же Великая стена Слоуна). . В меньших масштабах эти сгустки пронизаны облаками пылевых частиц, газовыми облаками, астероидами и другими небольшими сгустками звездного вещества.

Наблюдаемое вещество Вселенной также распространяется изотропно; это означает, что ни одно направление наблюдения не кажется отличным от любого другого, и каждая область неба имеет примерно одинаковое содержание.Вселенная также купается в волне высокоизотропного микроволнового излучения, что 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 утверждает, что физические законы действуют одинаково во всей Вселенной и, следовательно, не должны создавать наблюдаемых неоднородностей в крупномасштабной структуре. Эта теория была подкреплена астрономическими наблюдениями, которые помогли наметить эволюцию структуры Вселенной с тех пор, как она была изначально 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 новой материи в уравнение. Скорее считается, что то, что происходило в течение последних 13,7 миллиардов лет, было просто расширением или рассеиванием первоначально созданных масс. То есть никакое количество материи, которой не было в начале, не было добавлено во время этого расширения.

Однако эйнштейновская эквивалентность массы и энергии несколько усложняет эту теорию. Это следствие специальной теории относительности, согласно которой добавление энергии к объекту постепенно увеличивает его массу. Между всеми слияниями и делениями атомы регулярно превращаются из частиц в энергии и обратно.

Тем не менее, наблюдаемая в крупном масштабе, общая плотность материи во Вселенной остается неизменной с течением времени. Нынешняя плотность наблюдаемой Вселенной оценивается как очень низкая — примерно 9,9 × 10–30 граммов на кубический сантиметр. Эта масса-энергия состоит на 68,3% из темной энергии, на 26,8% из темной материи и всего на 4,9% из 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 они могут быть равномерно распределены или организованы в виде сгустков, как обычная материя. Однако считается, что темная материя притягивается так же, как и обычная материя, и, таким образом, замедляет расширение Вселенной. Напротив, темная энергия ускоряет свое расширение.

Еще раз, это число является лишь приблизительной оценкой. При использовании для оценки общей массы Вселенной она часто не соответствует тому, что предсказывают другие оценки. И, в конце концов, то, что мы видим, — это всего лишь меньшая часть целого.

У нас есть много статей, связанных с количеством материи во Вселенной, здесь, во Вселенной сегодня, например, «Сколько галактик во Вселенной» и «Сколько звезд в Млечном Пути?».

У НАСА также есть следующие статьи о Вселенной, например «Сколько существует галактик?». и эта статья о Звездах в нашей Галактике.

У нас также есть эпизоды подкаста от Astronomy Cast на тему галактик и переменных звезд.