מפה של דפוס הגיבוש / האשכול שהגלקסיות ביקום שלנו מציגה היום. קרדיט תמונה: גרג בייקון / STScI / NASA מרכז טיסת החלל גודארד.

יקום מושלם

האם יתכן שהיקום נולד אחיד לחלוטין ועדיין הוליד אותנו?

"ראשית, עליך לבדוק את הבית שלי. זה, כמו די צולע, אבל הרבה פחות צולע מאשר הבית שלך. " -נסיכת חלל מגושמת, זמן הרפתקאות

כשאתה חושב על היקום, אתה בהחלט לא חושב על זה כמקום חלק ואחיד. אחרי הכל, גוש כמו כדור הארץ שונה באופן נורא מתהום החלל הריק! עם זאת בקנה המידה הגדול ביותר, היקום די חלק, ובזמנים מוקדמים הוא היה חלק אפילו במאזניים קטנים יותר. למרות שהיקום שלנו הוא מטבעו קוונטי מטבעו, עם כל התנודות הקוונטיות הנלוות אליו, אולי תוהה אם הוא יכול היה להיוולד חלק לחלוטין ופשוט גדל משם. בואו נסתכל על היקום שיש לנו היום ונגלה.

כדור הארץ, הכוכבים ושביל החלב בהחלט מפגינים גושמיות, אך אולי הם נבעו ממצב קדום ואחיד יותר? אשראי תמונה: ESO / S. גיסארד.

במאזניים סמוכים יש לנו גושי חומר צפופים: דברים כמו כוכבים, כוכבי לכת, ירחים, אסטרואידים ובני אדם. בין שניהם מרחבים עצומים של חלל ריק, המאוכלסים גם בגושי חומר מפוזרים יותר: גז בין-כוכבי, אבק ופלזמה המייצגים את שאריותיהם של כוכבים מתים וגוססים או את מיקומם העתיד של כוכבים שטרם נולדו. . וכל אלה קשורים זה לזה בגלקסיה הגדולה שלנו: שביל החלב.

במאזניים גדולים יותר, גלקסיות יכולות להתקיים בבידוד (גלקסיות שדה), הן יכולות להיות קשורות זו לזו בקבוצות קטנות של מעטות בלבד (כמו הקבוצה המקומית שלנו), או שהן יכולות להתקיים במספרים גדולים יותר המתגודדים יחד, מכילים מאות ואפילו אלפי גדולים. אם אנו מסתכלים על מאזניים גדולים עוד יותר, אנו מגלים כי האשכולות והקבוצות בנויים לאורך חוטי ענק, שחלקם נמתחים במשך מיליארדי שנות אור רבים ברחבי הקוסמוס. ובין לבין? חללים ענקיים: אזורים צפופים עם מעט או אפילו גלקסיות וכוכבים בהם בכלל.

שני הסימולציות (אדום) וגם סקרי גלקסיות (כחול / סגול) מציגים את אותם דפוסי אשכול בקנה מידה גדול. קרדיט תמונה: ג'רארד למסון וקונסורציום הבתולה, דרך http://www.mpa-garching.mpg.de/millennium/.

אבל אם נתחיל להסתכל על מאזניים גדולים עוד יותר - בקני מידה של עשרות מיליארדי שנות אור בגודל - נגלה כי כל אזור מסוים בחלל שאנו מסתכלים עליו דומה מאוד לכל אזור אחר בחלל. אותה צפיפות, אותה טמפרטורה, אותם מספרים של כוכבים וגלקסיות, אותם סוגים של גלקסיות וכו '. במאזניים הגדולים מכולם, אף חלק מהיקום שלנו אינו מיוחד יותר או פחות מכל חלק אחר ב יקום. נראה כי לאזורים שונים במרחב יש אותם תכונות כלליות בכל מקום ובכל מקום אליו אנו מסתכלים.

קרדיט תמונות: קונסורציום בתולה / א. אמבלארד / ESA (למעלה ואמצע), של הדמיה של חומר אפל ואיפה הגלקסיות צריכות להיות; קונסורציום ESA / SPIRE / HerMES (התחתון), של חור הלוקמן, כאשר כל נקודה היא גלקסיה.

אבל היקום שלנו לא התחיל בכלל עם גושים וחללים ענקיים אלה. כאשר אנו מסתכלים על "תמונת התינוקות" המוקדמת ביותר של היקום שלנו - הרקע המיקרוגל הקוסמי - אנו מגלים שהצפיפות של היקום הצעיר הייתה זהה בכל הכף כמעט בכל מקום. וכשאני אומר אותו דבר, אני מתכוון שמדדנו שהטמפרטורה הייתה 3 K לכל הכיוונים ואז 2.7K ואז 2.73K ואז 2.725K. זה היה ממש ממש אחיד בכל מקום. לבסוף, בשנות התשעים, גילינו שיש כמה אזורים שהיו פשוטים מעט יותר צפופים מהממוצע וחלקם היו מעט פחות צפופים מהממוצע: בערך 80-90 מיקרו-לייקין. היקום היה מאוד מאוד אחיד בממוצע בימיו הראשונים, שם היציאות מאחידות מושלמת היו 0.003% לערך.

התנודות ברקע המיקרוגל הקוסמי נעות בין עשרות למאות מיקרו-ק

תמונת התינוקת הזו מלוויין פלאנק מציגה את התנודות מהאחידות המושלמת, כאשר ה"נקודות החמות "האדומות תואמות את האזורים התחתונים וה"נקודות הקרות" הכחולות המתאימות לאלה המוגזמים: אלה שיגדלו לכוכב-וגלקסיה- אזורים עשירים בחלל. היקום דרש את הפגמים הללו - עודף-יתר ותחת-צפיפויות - כדי שהמבנה ייווצר בכלל.

אם הוא היה אחיד לחלוטין, אף אזור במרחב לא ימשוך עדיף יותר חומר מכל אחר, ולכן שום צמיחה כבידה לא תתרחש לאורך זמן. ובכל זאת, אם תתחיל אפילו עם הפגמים הקטנים האלה - החלקים המעטים ב- 100,000 שהיקום שלנו התחיל בהם - אז עם הזמן חולפים 50 עד 100 מיליון שנה, הקמנו את הכוכבים הראשונים ביקום. ככל שחלפו כמה מאות מיליון שנים, הקמנו את הגלקסיות הראשונות. עם הזמן שחלפו קצת יותר מחצי מיליארד שנה, יצרנו כל כך הרבה כוכבים וגלקסיות, עד שאור גלוי יכול לנוע בחופשיות ברחבי היקום מבלי להיתקל באותו חומר ניטרלי חוסם אור. ואחרי שחלפו מיליארדי שנים רבות, יש לנו את גושי הגלקסיות ואשכולות אותם אנו מכירים כיום.

אז האם ניתן יהיה ליצור יקום ללא תנודות? כזו שנולדה חלקה לחלוטין, אך גדלה התנודות הללו ככל שחלף הזמן? התשובה היא: לא אם אתה יוצר את היקום כפי שנוצר שלנו. אתם מבינים, היקום הנצפה שלנו הגיע מהמפץ הגדול הלוהט, שם היקום התמלא לפתע בים חם וצפוף של חומר, אנטי-חומר וקרינה. האנרגיה למפץ הגדול הלוהט הגיעה מסוף האינפלציה - שם הוסב אנרגיה הטמונה בחלל עצמו לחומר ולקרינה - במהלך תהליך המכונה התחממות קוסמית. אבל היקום לא מתחמם לאותן טמפרטורות בכל המקומות, מכיוון שבזמן האינפלציה היו תנודות קוונטיות שנמתחו על פני היקום! זהו השורש מהמקום שממנו הגיעו אזורים מוגזמים ותחתיים.

בעוד שהאינפלציה הקוסמית מותחת את היקום בצורה שטוחה, היא גם מותחת את התנודות הקוונטיות של החלל הריק ברחבי היקום עצמו, ומטביעת תנודות צפיפות / אנרגיה על מרקם החלל. קרדיט תמונה: א. סיגל.

אם יש לך יקום עשיר בעניין וקרנות שהיה לו מקור אינפלציוני וחוקי הפיזיקה שאנו מכירים, יהיו לך תנודות אלה המובילות לאזורים מופרזים ובלתי צפופים.

אבל מה קבע את גודלם? יכול להיות שהם היו קטנים יותר?

התשובה היא כן: אם האינפלציה התרחשה במדדי אנרגיה נמוכים יותר או אם לפוטנציאל האינפלציוני היו תכונות שונות מזו שהיו בטח היו, תנודות אלה יכולות להיות הרבה יותר קטנות. הם לא רק היו יכולים להיות קטנים יותר פי עשרה, אלא מאה, אלף, מיליון, מיליארד ואפילו קטן יותר מאלה שיש לנו!

האינפלציה הקימה את המפץ הגדול הלוהט והולידה את היקום הנצפה שאליו יש לנו גישה, אך התנודות מהאינפלציה צמחו למבנה שיש לנו כיום. קרדיט תמונה: בוק ואח '. (2006, astro-ph / 0604101); שינויים מאת א. סיגל.

זה חשוב ביותר מכיוון שהיווצרות מבנה קוסמי לוקח זמן רב לקרות. ביקום שלנו, לעבור מאותן תנודות ראשוניות לפעם הראשונה שנוכל למדוד אותן (ה- CMB) לוקח מאות אלפי שנים. כדי לעבור מ- CMB למצב שבו כוח הכבידה מאפשר היווצרות הכוכבים הראשונים של היקום, זה לוקח כמאה מיליון שנים.

אבל לעבור מאותם כוכבים ראשונים ליקום כהה שנשלט על ידי אנרגיה - כזה שלא יווצר בו שום מבנה חדש אם אתם כבר לא כבולים בכבידה - זו לא קפיצה כל כך גדולה. לוקח רק 7.8 מיליארד שנים מהמפץ הגדול שהיקום יתחיל להאיץ, כלומר אם התנודות הראשוניות היו הרבה יותר קטנות, כך שלא היינו יוצרים את הכוכבים הראשונים עד, נגיד, עשרה מיליארד שנים אחרי המפץ הגדול , השילוב של תנודות קטנות עם אנרגיה כהה יבטיח שלעולם לא נקבל כוכבים.

כוכב יחיד ומסיבי יכול לצאת מתוך ענן גז מתמוטט, אך טווחי הזמן יכולים להיות אדירים אם התנודה הראשונית שהתקבלה בענן הייתה קטנה מספיק. קרדיט תמונה: ערפילית חור המפתחות דרך צוות NASA / Hubble Heritage (STScI).

כמה קטנים היו צריכים להיות התנודות הללו? התשובה מפתיעה: רק כמה מאות קטנות מאלה שיש לנו בפועל! אם ל"סולם "התנודות הללו ב- CMB (למטה) היו מספרים שהיו בסולם של תריסר במקום כמה אלפים בודדים, היקום שלנו היה בר מזל שיש בו אפילו כוכב או גלקסיה אחת עד היום, והיה בהחלט לא נראה כמו היקום שיש לנו בפועל.

תנודות בקשקשים שונים מולידות את המבנה שאנו רואים בסולמות שונים. ללא פגמים, אין מה לצמוח. קרדיט תמונה: צוות המדע של NASA / WMAP.

אם זה לא נועד לאנרגיה כהה - אם כל מה שהיה לנו היה חומר וקרינה - אז בזמן מספיק, נוכל ליצור מבנה ביקום, לא משנה כמה קטנים אלה תנודות ראשוניות. אבל אותה בלתי נמנעות של התרחבות מואצת מעניקה ליקום שלנו תחושת דחיפות שלא היינו צריכים אחרת, והופכת את זה חיוני לחלוטין לכך שעוצמת התנודות הממוצעת תהיה לפחות בערך 0.00001% מהצפיפות הממוצעת בכדי שיהיה יקום עם מבנים כבולים במיוחד. הפוך את התנודות שלך קטנות יותר מזה, ויהיה לך יקום שאין בו כלום. אבל הרם את התנודות הללו לרמה "מסיבית" של 0.003%, ואין לך בעיה להשיג יקום שנראה בדיוק כמו שלנו.

עם תנודות מעט יותר קטנות מאלה שהיו לנו, אשכולות גלקסיות - כמו זו המוצגת כאן - לעולם לא היו מתקיימות. קרדיט תמונה: ז'אן צ'ארלס קוילאנדרה (CFHT) וג'ובאני אנסלמי (אסטרונומיה של Coelum), כוכב האור בהוואי.

היקום שלנו בטח נולד עם גושים, אך אם האינפלציה הייתה שונה, גם המוני הגושים האלה היו שונים מאוד. הרבה יותר קטן, ולא יהיה מבנה בכלל. הרבה יותר גדול, ויכולנו להיות שיקום יקום בצורה קטסטרופלית בחורים שחורים מתקופה מאוד מאוד מוקדמת. כדי להעניק לנו את היקום שיש לנו היום, נדרש שילוב הנסיבות מאוד הוגן, ובמזלנו, זה שקיבלנו נראה כאילו הוא צודק.

פוסט זה הופיע לראשונה בפורבס והוא מובא אליך ללא מודעות על ידי תומכי הפטרון שלנו. הגיבו לפורום שלנו, וקנו את ספרנו הראשון: מעבר לגלקסיה!