Artist ‘ s logaritmische schaal conceptie van het waarneembare universum. Sterrenstelsels maken plaats voor grootschalige… structuur en het hete, dichte plasma van de oerknal aan de rand. Deze ‘rand’ is een grens alleen in de tijd.
Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo van Wikimedia Commons)
als je zo ver mogelijk de ruimte in zou gaan, wat zou je dan tegenkomen? Zou er een limiet zijn aan hoe ver je zou kunnen gaan, of zou je een onbegrensde afstand kunnen afleggen? Zou je uiteindelijk terugkeren naar je startpunt, of zou je doorgaan met het doorkruisen van de ruimte die je nog nooit eerder had ontmoet? Met andere woorden, heeft het universum een rand, en zo ja, waar is het?
geloof het of niet, er zijn eigenlijk drie verschillende manieren om na te denken over deze vraag, en elk heeft een ander antwoord. Als je bedenkt hoe ver je zou kunnen gaan als je:
- links vandaag in een willekeurig krachtige raket,
- beschouwde alles dat ooit contact met ons kon opnemen of door ons gecontacteerd kon worden vanaf het begin van de hete oerknal,
- of gebruikte uw verbeelding alleen om toegang te krijgen tot het hele universum, inclusief voorbij wat ooit waarneembaar zal zijn,
U kunt achterhalen hoe ver het is naar de rand. In elk geval is het antwoord fascinerend.
we visualiseren de ruimte vaak als een 3D-raster, ook al is dit een frame-afhankelijke oversimplificatie wanneer… we beschouwen het concept van ruimtetijd. In werkelijkheid wordt de ruimtetijd gekromd door de aanwezigheid van materie en energie, en afstanden zijn niet gefixeerd, maar kunnen eerder evolueren naarmate het universum uitdijt of samentrekt.
ReunMedia / Storyblocks
het belangrijkste concept om in gedachten te houden is dat ruimte niet is hoe we het normaal zien. Conventioneel zien we ruimte als een coördinatenstelsel-een driedimensionaal raster — waar de kortste afstand tussen twee punten een rechte lijn is, en waar afstanden niet veranderen in de tijd.maar beide veronderstellingen, zo grondig goed in ons dagelijks leven, falen spectaculair wanneer we beginnen te kijken naar het grotere universum buiten onze eigen planeet. Om te beginnen valt het idee dat de kortste afstand tussen twee punten een rechte lijn is uit elkaar zodra je massa ‘ s en energetische quanta in je universum introduceert. Omdat de ruimtetijd onderhevig is aan kromming, waar de aanwezigheid van materie en energie de oorzaak van is, is de kortste afstand tussen twee punten inherent afhankelijk van de vorm van het universum tussen die punten.
in plaats van een leeg driedimensionaal raster, veroorzaakt het neerzetten van een massa wat zou zijn geweest… “rechte” lijnen in plaats daarvan worden gebogen door een bepaald bedrag. In de algemene relativiteit behandelen we ruimte en tijd als continu, maar alle vormen van energie, inclusief maar niet beperkt tot Massa, dragen bij aan de kromming van de ruimtetijd. Als we de aarde zouden vervangen door een dichtere versie, tot en met een singulariteit, zou de hier getoonde vervorming van de ruimtetijd identiek zijn; alleen binnen de aarde zelf zou een verschil merkbaar zijn.Christopher Vitale van Networkologies en het Pratt Institute
daarnaast blijft de structuur van de ruimtetijd zelf niet statisch in de tijd. In een universum gevuld met materie en energie, is een statisch, onveranderlijk universum (waar de afstanden tussen punten hetzelfde blijven in de tijd) inherent onstabiel; het universum moet evolueren door ofwel uit te breiden of te krimpen. Als Einsteins algemene relativiteitstheorie juist is, is dit verplicht.
observationeel is het bewijs dat ons universum uitdijt overweldigend: een spectaculaire validatie voor Einsteins voorspellingen. Maar dit brengt een reeks gevolgen met zich mee voor objecten gescheiden door kosmische afstanden, waaronder dat de afstand tussen hen in de tijd toeneemt. Vandaag de dag zijn de meest afgelegen objecten die we kunnen zien meer dan 30 miljard lichtjaar ver weg, ondanks het feit dat er slechts 13,8 miljard jaar zijn verstreken sinds de oerknal.
Hoe verder een melkwegstelsel is, hoe sneller het zich van ons verwijdert en hoe meer het licht verschijnt… roodverschuiving. Een melkwegstelsel dat met het uitdijende universum meebeweegt, zal vandaag nog een groter aantal lichtjaren verwijderd zijn dan het aantal jaren (vermenigvuldigd met de lichtsnelheid) dat het uitgestraalde licht nodig had om ons te bereiken. Maar we kunnen roodverschuivingen en blauwverschuivingen alleen begrijpen als we ze toeschrijven aan een combinatie van beweging (special relativistic) en het uitdijende weefsel van de ruimte (general relativistic) bijdragen beide.Larry McNish van RASC Calgary Center als we meten hoe ver een verscheidenheid aan objecten zich bevindt van hun fysische en lichtgevende eigenschappen-samen met de hoeveelheid die hun licht is verschoven door de expansie van het universum — kunnen we begrijpen waar het universum van gemaakt is. Onze kosmische cocktail, op dit moment, bestaat uit:
- 0,01% straling in de vorm van fotonen,
- 0,1% neutrino ‘ s, een ongrijpbaar deeltje met lage massa bijna even talrijk als fotonen,
- 4,9% normale materie, meestal gemaakt van hetzelfde materiaal dat we zijn: protonen, neutronen en elektronen,
- 27% donkere materie, een onbekende stof die licht graveert maar niet uitzendt of absorbeert,
- en 68% donkere energie, de energie die inherent is aan de ruimte die ervoor zorgt dat verre objecten versnellen in hun recessie van ons.
wanneer je deze effecten combineert, krijg je een unieke en ondubbelzinnige voorspelling voor hoe ver het is, te allen tijde verleden en heden, tot aan de rand van het waarneembare universum.
een grafiek van de grootte / schaal van het waarneembare universum VS.de passage van kosmische tijd. Dit wel… weergegeven op een log-log schaal, met een paar belangrijke Grootte/tijd mijlpalen geïdentificeerd. Let op de vroege door straling gedomineerde era, de recente door materie gedomineerde era, en de huidige en toekomstige exponentieel uitbreidende era.
E. Siegel
Dit is een big deal! De meeste mensen gaan ervan uit dat als het heelal al 13,8 miljard jaar bestaat sinds de oerknal, de limiet van hoe ver we kunnen zien 13,8 miljard lichtjaar zal zijn, maar dat klopt niet helemaal.
alleen als het universum statisch was en niet uitdijend zou dit waar zijn, maar het feit is dit: hoe verder we kijken, hoe sneller verre objecten van ons weg lijken te komen. De snelheid van die expansie verandert op een manier die voorspelbaar is, gebaseerd op wat er in het universum is, en op zijn beurt, weten wat er in het universum is en observeren hoe snel objecten uitzetten vertelt ons hoe ver weg ze zijn. Wanneer we alle beschikbare gegevens samen nemen, komen we tot een unieke waarde voor alles samen, inclusief de afstand tot de waarneembare kosmische horizon: 46,1 miljard lichtjaar.
het waarneembare universum kan 46 miljard lichtjaar in alle richtingen zijn vanuit ons gezichtspunt… maar er is zeker meer, niet waarneembaar universum, misschien zelfs een oneindige hoeveelheid, net als het onze daarbuiten. Na verloop van tijd zullen we er meer van kunnen zien, wat uiteindelijk ongeveer 2,3 keer zoveel sterrenstelsels zal onthullen als we nu kunnen zien.
Frédéric MICHEL en Andrew Z. Colvin, geannoteerd door E. Siegel
deze grens is echter geen “rand” van het universum in enige conventionele zin van het woord. Het is helemaal geen grens in de ruimte; als we toevallig op een ander punt in de ruimte zijn gelokaliseerd, zouden we nog steeds in staat zijn om alles om ons heen te detecteren en te observeren binnen die 46,1 miljard lichtjaar bol die op ons is gecentreerd.
Dit komt omdat die “rand” een grens is in tijd, in plaats van in ruimte. Deze rand vertegenwoordigt de grens van wat we kunnen zien omdat de snelheid van het licht — zelfs in een uitdijend universum geregeerd door algemene relativiteit — alleen signalen toestaat om zo ver te reizen over de 13,8 miljard jaar geschiedenis van het universum. Deze afstand is verder dan 13.8 miljard lichtjaar door de uitdijing van het heelal, maar het is nog steeds eindig. We kunnen echter niet alles bereiken.
De grootte van ons zichtbare universum (geel), samen met de hoeveelheid die we kunnen bereiken (magenta). Als we… versneld met 9,8 m / s^2 voor ongeveer 22,5 jaar en vervolgens omgedraaid en vertraagd voor nog eens 22,5 jaar, konden we elk melkwegstelsel binnen de magenta cirkel bereiken, zelfs in een universum met donkere energie, maar niets daarbuiten.
E. Siegel, gebaseerd op werk van Wikimedia Commons-gebruikers Azcolvin 429 en Frédéric MICHEL
voorbij een bepaalde afstand, kunnen we een deel van het licht zien dat al lang geleden werd uitgestraald, maar zullen nooit het licht zien dat nu wordt uitgestraald: 13,8 miljard jaar na de oerknal. Voorbij een bepaalde specifieke afstand — door mij berekend op ongeveer 18 miljard lichtjaar op dit moment-zal zelfs een signaal dat met de snelheid van het licht beweegt ons nooit bereiken.op dezelfde manier betekent dit dat als we in een willekeurig hoog aangedreven raketschip zouden zitten, alle objecten die zich nu in deze straal van 18 miljard lichtjaar bevinden, uiteindelijk voor ons bereikbaar zouden zijn, zelfs als het heelal bleef uitdijen en deze afstanden bleven toenemen. De objecten daarbuiten zouden echter nooit bereikbaar zijn. Zelfs als we steeds grotere afstanden bereikten, zouden ze zich sneller terugtrekken dan we ooit zouden kunnen reizen, waardoor we ze voor eeuwig niet zouden kunnen bezoeken. Nu al, 94% van alle sterrenstelsels in het waarneembare universum zijn buiten ons eeuwige bereik.
zo groot als ons waarneembare universum is en zoveel als we kunnen zien, het is veel meer dan we ooit kunnen… reach, want slechts 6% van het volume dat we kunnen waarnemen is momenteel bereikbaar. Buiten wat we kunnen waarnemen, is er echter zeker meer universum; wat we kunnen zien vertegenwoordigt slechts een klein deel van wat er buiten moet zijn.NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen, en M. Mechtley (ASU), R. O ‘ Connell (UVA), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), & H. Yan (tOSU)
en toch is er een andere “rand” die we zouden willen overwegen: voorbij de grenzen van wat we vandaag kunnen waarnemen, of zelfs wat we potentieel willekeurig tot ver in de toekomst kunnen waarnemen, als we onze theoretische klok naar oneindig draaien. We kunnen overwegen hoe groot het hele universum is — het niet waarneembare universum — en of het op zichzelf vouwt of niet.
de manier waarop we dit kunnen beantwoorden is gebaseerd op een extrapolatie van wat we waarnemen wanneer we proberen de ruimtelijke kromming van het universum te meten: de hoeveelheid die ruimte is gekromd op de grootste schaal die we kunnen waarnemen. Als het heelal positief gekromd is, zullen parallelle lijnen convergeren en de drie hoeken van een driehoek optellen tot meer dan 180 graden. Als het heelal negatief is gebogen, zullen parallelle lijnen uiteenlopen en zullen de drie hoeken van een driehoek samen kleiner zijn dan 180 graden. En als het universum vlak is, zullen parallelle lijnen parallel blijven, en alle driehoeken zullen precies 180 graden bevatten.
de hoeken van een driehoek tellen op tot verschillende bedragen, afhankelijk van de aanwezige ruimtelijke kromming. A… positief gekromd (boven), negatief gekromd (midden), of vlak (onder) universum zal de interne hoeken van een driehoek som tot meer, minder, of precies gelijk aan 180 graden, respectievelijk.
NASA/WMAP science team
de manier waarop we dit doen is om de meest afgelegen signalen van allemaal te nemen, zoals het licht dat overblijft van de oerknal, en in detail te onderzoeken hoe de fluctuaties worden patroon. Als het heelal in positieve of negatieve richting is gekromd, zullen de fluctuatiepatronen die we waarnemen vervormd worden om op grotere of kleinere hoekschalen te verschijnen, in tegenstelling tot een vlak universum.
wanneer we de beste beschikbare gegevens nemen, die afkomstig zijn van zowel de fluctuaties van de kosmische microgolfachtergrond als de details van hoe sterrenstelsels op grote schaal en op verschillende afstanden samenkomen, komen we tot een onontkoombare conclusie: het universum is niet te onderscheiden van perfecte ruimtelijke vlakheid. Als het gebogen is, is het op een niveau dat niet meer is dan 0.4%, wat betekent dat als het heelal gekromd is als een hypersphere, zijn straal minstens ~ 250 keer groter is dan het deel dat Voor ons waarneembaar is.
de magnitudes van de warme en koude plekken, evenals hun schalen, geven de kromming van de… Universum. Naar ons beste vermogen meten we het perfect plat. Baryon akoestische oscillaties en de CMB, samen, bieden de beste methoden om dit te beperken, tot een gecombineerde precisie van 0,4%.
Smoot Cosmology Group / LBL
als je de rand van het universum definieert als het verste object dat we ooit zouden kunnen bereiken als we onmiddellijk aan onze reis begonnen, dan is onze huidige limiet slechts een afstand van 18 miljard lichtjaar, die slechts 6% van het volume van ons waarneembare universum omvat. Als je het definieert als de limiet van wat we een signaal kunnen waarnemen – wie we kunnen zien en wie ons kan zien-dan gaat de rand uit naar 46,1 miljard lichtjaar. Maar als je het definieert als de grenzen van het niet waarneembare universum, is de enige limiet die we hebben dat het minstens 11.500 miljard lichtjaar groot is, en het zou zelfs nog groter kunnen zijn.
Dit betekent echter niet noodzakelijk dat het universum oneindig is. Het kan plat zijn en nog steeds op zichzelf curve, met een donut-achtige vorm wiskundig bekend als een torus. Zo groot en uitgestrekt als het waarneembare universum is, het is nog steeds eindig, met een eindige hoeveelheid informatie om ons te leren. Buiten dat, blijven de ultieme kosmische waarheden nog steeds onbekend voor ons.
in een hypertorus model van het universum zal beweging in een rechte lijn je terugbrengen naar je origineel… locatie, zelfs in een ongekroonde (vlakke) ruimtetijd. Het universum kan ook gesloten en positief gekromd zijn: als een hypersphere.
ESO en deviantART user in Thestarlightgarden