Det är ingen hemlighet att universum är en extremt stor plats. Det som vi kan observera (aka. 'det kända universum') beräknas sträcka sig över ungefär 93 miljarder ljusår. Det är en ganska imponerande siffra, särskilt när man betänker att det bara är det vi har observerat hittills. Och med tanke på den stora volymen av det utrymmet, skulle man förvänta sig att mängden materia som finns i det skulle vara lika imponerande.
Men intressant nog är det när man tittar på den saken på minsta skala som siffrorna blir mest häpnadsväckande. Till exempel tror man att det finns mellan 120 till 300 sextilljoner (det är 1,2 x 10²³ till 3,0 x 10²³) stjärnor i vårt observerbara universum. Men tittar man närmare, på atomskalan, blir siffrorna ännu mer ofattbara.
På denna nivå beräknas det finnas mellan 1078till 1082atomer i det kända, observerbara universum. I lekmannatermer fungerar det till mellan tio quadrillion vigintillion och etthundratusen quadrillion vigintillion atomer.
Och ändå återspeglar dessa siffror inte exakt hur mycket materia universum verkligen kan hysa. Som redan nämnts står denna uppskattning endast för observerbart universum som når 46 miljarder ljusår i vilken riktning som helst, och baseras på var rymdens expansion har tagit de mest avlägsna objekt som observerats.
Universums historia som började med Big Bang. Bildkredit: grandunificationtheory.com
Medan en tysk superdator körde nyligen en simulering och uppskattade att cirka 500 miljarder galaxer finns inom observationsräckvidden, en mer konservativ uppskattning placerar siffran på cirka 300 miljarder. Eftersom antalet stjärnor i en galax kan uppgå till 400 miljarder, kan det totala antalet stjärnor mycket väl vara runt 1,2×1023– eller drygt 100 sextilljoner.
I genomsnitt kan varje stjärna väga cirka 1035gram. Således skulle den totala massan vara cirka 1058gram (det är 1,0 x 1052metriska ton). Eftersom varje gram materia är känt för att ha cirka 1024protoner, eller ungefär samma antal väteatomer (eftersom en väteatom bara har en proton), då skulle det totala antalet väteatomer vara ungefär1086– aka. hundra tusen kvadrillioner vigintillion.
Inom detta observerbara universum sprids denna materia homogent över hela rymden, åtminstone när den beräknas i medeltal över avstånd längre än 300 miljoner ljusår. I mindre skalor observeras emellertid materia formas till de klumpar av hierarkiskt organiserad lysande materia som vi alla känner till.
Kort sagt, de flesta atomer kondenseras till stjärnor, de flesta stjärnorna kondenseras till galaxer, de flesta galaxer till kluster, de flesta hopar till superkluster och slutligen till strukturer i stor skala som Great Wall of galaxes (aka. Sloan Great Wall ). I mindre skala genomsyras dessa klumpar av moln av dammpartiklar, gasmoln, asteroider och andra små klumpar av stjärnmateria.
Representation av universums tidslinje över 13,7 miljarder år, och expansionen i universum som följde. Kredit: NASA/WMAP Science Team.
Universums observerbara materia sprids också isotropiskt; vilket betyder att ingen observationsriktning verkar annorlunda än någon annan och varje region på himlen har ungefär samma innehåll. Universum är också badat i en våg av mycket isotrop mikrovågsstrålning som motsvarar en termisk jämvikt på ungefär 2,725 kelvin (strax ovanför Absolut noll ).
Hypotesen att det storskaliga universum är homogent och isotropt är känt som kosmologisk princip . Detta säger att fysiska lagar verkar enhetligt i hela universum och bör därför inte producera några observerbara oregelbundenheter i den storskaliga strukturen. Denna teori har backats upp av astronomiska observationer som har hjälpt till att kartlägga utvecklingen av universums struktur sedan den ursprungligen fastställdes av Big Bang .
Den nuvarande konsensusen bland forskare är att den stora majoriteten av materia skapades i denna händelse, och att universums expansion sedan dess inte har lagt till ny materia till ekvationen. Snarare tror man att det som har ägt rum under de senaste 13,7 miljarder åren helt enkelt har varit en expansion eller spridning av massorna som ursprungligen skapades. Det vill säga, ingen mängd materia som inte fanns där i början har lagts till under denna expansion.
Men Einsteins ekvivalens av massa och energi utgör en liten komplikation till denna teori. Detta är en konsekvens som uppstår ur Särskild relativitet , där tillsatsen av energi till ett föremål ökar dess massa stegvis. Mellan alla fusioner och klyvningar omvandlas atomer regelbundet från partiklar till energier och tillbaka igen.
Atomdensiteten är större till vänster (experimentets början) än 80 millisekunder efter den simulerade Big Bang. Kredit: Chen-Lung Hung
Icke desto mindre, observerat i stor skala, förblir universums totala materiedensitet densamma över tiden. Den nuvarande tätheten av det observerbara universum uppskattas vara mycket låg - ungefär 9,9 × 10-30gram per kubikcentimeter. Denna massenergi verkar bestå av 68,3 % mörk energi, 26,8 % mörk materia och bara 4,9 % vanlig (ljusande) materia. Således är tätheten av atomer i storleksordningen en enda väteatom för var fjärde kubikmeter volym.
Egenskaperna hos mörk energi och mörk materia är i stort sett okända och kan vara jämnt fördelade eller organiserade i klumpar som normal materia. Man tror dock att mörk materia graviterar som vanlig materia gör, och därmed verkar för att bromsa universums expansion. Däremot accelererar mörk energi dess expansion.
Återigen är denna siffra bara en grov uppskattning. När den används för att uppskatta universums totala massa, faller den ofta under vad andra uppskattningar förutspår. Och i slutändan är det vi ser bara en mindre del av helheten.
Vi har många artiklar som är relaterade till mängden materia i universum här i Universe Today, som Hur många galaxer i universum , och Hur många stjärnor finns i Vintergatan?
NASA har också följande artiklar om universum, som Hur många galaxer finns det? och den här artikeln om Stjärnor i vår galax .
Vi har även poddavsnitt från Astronomy Cast i ämnet Galaxer och Variabla stjärnor .