Eine Karte des Klumpen- / Clustermusters, das Galaxien in unserem Universum heute aufweisen. Bildnachweis: Greg Bacon / STScI / Goddard Space Flight Center der NASA.

Ein perfektes Universum

Könnte das Universum völlig einheitlich geboren worden sein und uns dennoch entstehen lassen?

„Zuerst solltest du mein Haus überprüfen. Es ist ein bisschen lahm, aber viel weniger lahm als dein Haus. “ -Lumpy Space Princess, Abenteuerzeit

Wenn Sie an das Universum denken, denken Sie sicherlich nicht an einen glatten, einheitlichen Ort. Immerhin ist ein Klumpen wie der Planet Erde schrecklich anders als der Abgrund des leeren Raums! Auf den größten Skalen ist das Universum jedoch ziemlich glatt, und zu frühen Zeiten war es sogar auf kleineren Skalen glatt. Obwohl unser Universum von Natur aus quantenhaft ist, mit all den damit verbundenen Quantenfluktuationen, könnten Sie sich fragen, ob es vollkommen glatt geboren und einfach von dort gewachsen sein könnte. Werfen wir einen Blick auf das Universum, das wir heute haben, und finden es heraus.

Die Erde, die Sterne und die Milchstraße weisen definitiv Klumpen auf, aber vielleicht sind sie aus einem früheren, einheitlichen Zustand entstanden? Bildnachweis: ESO / S. Guisard.

Auf nahe gelegenen Skalen haben wir dichte Materieklumpen: Dinge wie Sterne, Planeten, Monde, Asteroiden und Menschen. Dazwischen befinden sich weite Entfernungen des leeren Raums, die auch von diffuseren Materieklumpen bevölkert sind: interstellares Gas, Staub und Plasma, die entweder die Überreste von toten und sterbenden Sternen oder die zukünftigen Standorte von Sternen darstellen, die noch geboren werden müssen . Und all dies ist in unserer großen Galaxie miteinander verbunden: der Milchstraße.

In größeren Maßstäben können Galaxien isoliert existieren (Feldgalaxien), sie können in kleinen Gruppen von nur wenigen (wie unsere eigene lokale Gruppe) zusammengebunden sein oder sie können in größerer Anzahl zusammen existieren und Hunderte oder sogar Tausende von Galaxien enthalten Große. Wenn wir noch größere Maßstäbe betrachten, stellen wir fest, dass die Cluster und Gruppen entlang riesiger Filamente strukturiert sind, von denen sich einige über viele Milliarden Lichtjahre über den Kosmos erstrecken. Und dazwischen? Riesige Hohlräume: Regionen mit wenigen oder gar keinen Galaxien und Sternen unterdichten.

Sowohl Simulationen (rot) als auch Galaxienvermessungen (blau / lila) zeigen dieselben großräumigen Clustermuster. Bildnachweis: Gerard Lemson & the Virgo Consortium, über http://www.mpa-garching.mpg.de/millennium/.

Wenn wir jedoch anfangen, auf noch größere Maßstäbe zu schauen - auf Maßstäben von mehreren zehn Milliarden Lichtjahren -, stellen wir fest, dass jede bestimmte Region des Raums, die wir betrachten, einer anderen Region des Raums sehr ähnlich sieht. Dieselbe Dichte, dieselbe Temperatur, dieselbe Anzahl von Sternen und Galaxien, dieselben Arten von Galaxien usw. Auf den größten Skalen von allen ist kein Teil unseres Universums mehr oder weniger speziell als irgendein anderer Teil des Universums Universum. Verschiedene Regionen des Weltraums scheinen überall und überall die gleichen allgemeinen Eigenschaften zu haben.

Bildnachweis: Jungfrau-Konsortium / A. Amblard / ESA (oben und Mitte) einer Simulation der Dunklen Materie und wo sich die Galaxien befinden sollten; ESA / SPIRE-Konsortium / HerMES-Konsortien (unten) des Lockman-Lochs, wobei jeder Punkt eine Galaxie ist.

Aber unser Universum begann überhaupt nicht mit diesen riesigen Klumpen und Hohlräumen. Wenn wir uns das früheste „Babybild“ unseres Universums ansehen - den kosmischen Mikrowellenhintergrund - stellen wir fest, dass die Dichte des jungen Universums auf allen Skalen absolut überall gleich war. Und wenn ich dasselbe sage, meine ich, wir haben gemessen, dass die Temperatur 3 K in alle Richtungen betrug und dann 2,7 K und dann 2,73 K und dann 2,725 K. Es war wirklich überall sehr, sehr einheitlich. Schließlich stellten wir in den neunziger Jahren fest, dass es einige Regionen gab, die nur geringfügig dichter als der Durchschnitt waren, und einige, die nur geringfügig weniger dicht als der Durchschnitt waren: um etwa 80 bis 90 Mikrokelvin. Das Universum war in seinen frühen Tagen im Durchschnitt sehr, sehr einheitlich, wobei die Abweichungen von der perfekten Einheitlichkeit nur etwa 0,003% betrugen.

Die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund reichen von zehn bis Hunderten von µK, aber die Gesamttemperatur beträgt 2,725 K. Bildnachweis: ESA und Planck Collaboration.

Dieses Babybild vom Planck-Satelliten zeigt die Schwankungen der perfekten Gleichmäßigkeit, wobei die roten „Hot Spots“ den unterdichten Regionen und die blauen „Cold Spots“ den überdichten Regionen entsprechen: diejenigen, die zu Sternen und Galaxien heranwachsen. reiche Regionen des Weltraums. Das Universum benötigte diese Unvollkommenheiten - diese Über- und Unterdichten -, damit sich überhaupt eine Struktur bilden konnte.

Wenn es vollkommen einheitlich wäre, würde kein Raumbereich bevorzugt mehr Materie anziehen als jeder andere, und daher würde im Laufe der Zeit kein Gravitationswachstum auftreten. Wenn Sie jedoch mit diesen kleinen Unvollkommenheiten beginnen - den wenigen Teilen von 100.000, mit denen unser Universum begann -, dann haben wir mit der Zeit von 50 bis 100 Millionen Jahren die ersten Sterne im Universum gebildet. Mit der Zeit, die einige hundert Millionen Jahre vergangen sind, haben wir die ersten Galaxien gebildet. Mit etwas mehr als einer halben Milliarde Jahren haben wir so viele Sterne und Galaxien gebildet, dass sichtbares Licht sich frei im Universum bewegen kann, ohne auf diese lichtblockierende neutrale Materie zu stoßen. Und mit der Zeit sind viele Milliarden Jahre vergangen, wir haben die Klumpen und Galaxienhaufen, die wir heute erkennen.

Wäre es also möglich, ein Universum ohne Schwankungen zu erschaffen? Eine, die vollkommen glatt geboren wurde, aber diese Schwankungen im Laufe der Zeit vergrößerte? Die Antwort lautet: Nicht, wenn Sie das Universum so erschaffen, wie wir es erschaffen haben. Sie sehen, unser beobachtbares Universum kam vom heißen Urknall, wo sich das Universum plötzlich mit einem heißen, dichten Meer aus Materie, Antimaterie und Strahlung füllte. Die Energie für den heißen Urknall kam vom Ende der Inflation - wo die dem Raum selbst innewohnende Energie in Materie und Strahlung umgewandelt wurde - während eines Prozesses, der als kosmische Wiedererwärmung bekannt ist. Aber das Universum erwärmt sich nicht an allen Orten auf die gleichen Temperaturen, denn während der Inflation gab es Quantenschwankungen, die sich über das Universum erstreckten! Dies ist die Wurzel, aus der diese über- und unterdichten Regionen stammen.

Während die kosmische Inflation das Universum flach streckt, streckt sie auch die Quantenfluktuationen des leeren Raums über das Universum selbst und prägt Dichte- / Energiefluktuationen auf das Gewebe der Raumzeit. Bildnachweis: E. Siegel.

Wenn Sie ein Universum haben, das reich an Materie und Strahlung ist und einen inflationären Ursprung hat und die Gesetze der Physik, die wir kennen, haben Sie diese Schwankungen, die zu über- und unterdichten Regionen führen.

Aber was bestimmte ihre Größe? Könnten sie kleiner gewesen sein?

Die Antwort lautet ja: Wenn die Inflation auf niedrigeren Energieskalen stattgefunden hätte oder wenn das Inflationspotential andere Eigenschaften hätte als die, die es gehabt haben muss, könnten diese Schwankungen viel, viel geringer gewesen sein. Sie hätten nicht nur zehnmal kleiner sein können, sondern auch hundert, tausend, eine Million, eine Milliarde oder sogar kleiner als die, die wir haben!

Die Inflation hat den heißen Urknall ausgelöst und das beobachtbare Universum hervorgebracht, zu dem wir Zugang haben, aber es sind die Schwankungen der Inflation, die zu der Struktur gewachsen sind, die wir heute haben. Bildnachweis: Bock et al. (2006, astro-ph / 0604101); Modifikationen von E. Siegel.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Bildung der kosmischen Struktur lange dauert. In unserem Universum dauert es Hunderttausende von Jahren, um von diesen anfänglichen Schwankungen zum ersten Mal zu gelangen, an dem wir sie messen können (CMB). Es dauert ungefähr hundert Millionen Jahre, bis die Schwerkraft die Bildung der ersten Sterne des Universums ermöglicht.

Aber von diesen ersten Sternen zu einem von dunkler Energie dominierten Universum zu gelangen - eines, in dem sich keine neue Struktur bildet, wenn Sie nicht bereits an die Gravitation gebunden sind -, ist kein so großer Sprung. Es dauert nur etwa 7,8 Milliarden Jahre ab dem Urknall, bis sich das Universum beschleunigt, was bedeutet, dass wenn die anfänglichen Schwankungen viel geringer wären, wir die ersten Sterne erst etwa zehn Milliarden Jahre nach dem Urknall gebildet hätten Die Kombination kleiner Schwankungen mit dunkler Energie würde sicherstellen, dass wir niemals Sterne bekommen würden.

Ein einzelner massereicher Stern kann aus einer kollabierenden Gaswolke hervorgehen, aber die Zeitskalen können enorm sein, wenn die anfängliche Schwankung, die zur Wolke führt, klein genug ist. Bildnachweis: Der Schlüssellochnebel über das NASA / Hubble Heritage Team (STScI).

Wie gering wären diese Schwankungen gewesen? Die Antwort ist überraschend: Nur ein paar hundert Mal kleiner als die, die wir tatsächlich haben! Wenn die „Skala“ dieser Schwankungen im CMB (unten) Zahlen hätte, die auf der Skala von einem Dutzend statt einigen Tausend liegen, hätte unser Universum das Glück gehabt, bis heute auch nur einen Stern oder eine Galaxie darin zu haben, und würde dies tun Sieht sicherlich nicht nach dem Universum aus, das wir tatsächlich haben.

Schwankungen auf verschiedenen Skalen führen zu der Struktur, die wir auf verschiedenen Skalen sehen. Ohne Unvollkommenheiten gibt es nichts zu wachsen. Bildnachweis: NASA / WMAP-Wissenschaftsteam.

Wenn es keine dunkle Energie gäbe - wenn wir nur Materie und Strahlung hätten -, könnten wir in ausreichender Zeit eine Struktur im Universum bilden, egal wie klein diese anfänglichen Schwankungen waren. Aber diese Unvermeidlichkeit einer beschleunigten Expansion gibt unserem Universum ein Gefühl der Dringlichkeit, das wir sonst nicht gehabt hätten, und macht es absolut notwendig, dass die Größe der mittleren Schwankungen mindestens etwa 0,00001% der durchschnittlichen Dichte beträgt, um a zu haben Universum mit allen bemerkenswerten gebundenen Strukturen überhaupt. Wenn Sie Ihre Schwankungen kleiner machen, haben Sie ein Universum, in dem es überhaupt nichts gibt. Erhöhen Sie diese Schwankungen jedoch auf ein „massives“ Niveau von 0,003%, und Sie haben kein Problem damit, ein Universum zu erhalten, das genauso aussieht wie das unsere.

Mit Schwankungen, die nur geringfügig kleiner sind als die, die wir hatten, wären Galaxienhaufen - wie der hier gezeigte - niemals entstanden. Bildnachweis: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) und Giovanni Anselmi (Coelum Astronomia), Hawaiian Starlight.

Unser Universum muss mit Klumpen geboren worden sein, aber wenn die Inflation anders gewesen wäre, wären auch die Massen dieser Klumpen sehr unterschiedlich gewesen. Viel kleiner und es würde überhaupt keine Struktur geben. Viel größer, und wir hätten schon sehr, sehr früh ein Universum haben können, das katastrophal mit schwarzen Löchern gefüllt war. Um uns das Universum zu geben, das wir heute haben, war eine äußerst zufällige Kombination von Umständen erforderlich, und zum Glück scheint das, das uns gegeben wurde, genau richtig zu sein.

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