Nie jest tajemnicą, że wszechświat jest niezwykle rozległym miejscem. Biorąc pod uwagę czystą objętość tej przestrzeni, można by oczekiwać, że ilość zawartej w niej materii byłaby podobnie imponująca.
Ale, co ciekawe, to kiedy patrzysz na tę sprawę w najmniejszej skali, liczby stają się najbardziej zadziwiające. Na przykład uważa się, że w naszym obserwowalnym wszechświecie istnieje od 120 do 300 sekstylionów (czyli od 1,2 x 10²³ do 3,0 x 10²³) gwiazd. Ale patrząc bliżej, w skali atomowej, liczby stają się jeszcze bardziej niepojęte.
Na tym poziomie szacuje się, że jest ich między 1078 do 1082 atomy w znanym, obserwowalnym wszechświecie. Mówiąc w skrócie, daje to od dziesięciu biliardów wigintillionów do stu tysięcy biliardów wigintillionów atomów.
A jednak liczby te nie odzwierciedlają dokładnie, ile materii wszechświat może naprawdę pomieścić. Jak już wspomniano, szacunki te uwzględniają tylko obserwowalny wszechświat, który osiąga 46 miliardów lat świetlnych w dowolnym kierunku i jest oparty na tym, gdzie ekspansja przestrzeni zabrała najbardziej odległe obserwowane obiekty.
Podczas gdy niemiecki superkomputer niedawno przeprowadził symulację i oszacował, że w zakresie obserwacji istnieje około 500 miliardów galaktyk, bardziej zachowawcze oszacowanie podaje tę liczbę na około 300 miliardów. Ponieważ liczba gwiazd w galaktyce może wynosić nawet 400 miliardów, całkowita liczba gwiazd może bardzo dobrze wynosić około 1,2 × 1023 - lub nieco ponad 100 sekstylionów.
Średnio każda gwiazda może ważyć około 1035 gramy. Zatem całkowita masa wynosiłaby około 1058 gramów (czyli 1,0 x 1052 tony metryczne). Ponieważ wiadomo, że każdy gram materii ma około 1024 protony lub mniej więcej taka sama liczba atomów wodoru (ponieważ jeden atom wodoru ma tylko jeden proton), wówczas całkowita liczba atomów wodoru byłaby w przybliżeniu 1086 - znany jako. sto tysięcy biliardów wigintillionów.
W tym obserwowalnym wszechświecie materia rozprzestrzenia się jednorodnie w przestrzeni kosmicznej, przynajmniej gdy jest uśredniona na odległościach większych niż 300 milionów lat świetlnych. Jednak w mniejszych skalach obserwuje się, że materia formuje się w skupiska hierarchicznie zorganizowanej materii świetlnej, którą wszyscy znamy.
Krótko mówiąc, większość atomów jest skondensowana w gwiazdy, większość gwiazd jest skondensowana w galaktyki, większość galaktyk w gromady, większość gromad w supergromady, a na koniec w struktury o największej skali, takie jak Wielki Mur Galaktyk (inaczej Wielki Mur Sloana) . W mniejszej skali grudki te są przenikane przez chmury cząstek pyłu, chmury gazowe, asteroidy i inne małe grudki materii gwiezdnej.
Obserwowalna materia Wszechświata rozprzestrzenia się również izotropowo; co oznacza, że żaden kierunek obserwacji nie wydaje się inny niż każdy, a każdy obszar nieba ma w przybliżeniu tę samą treść. Wszechświat jest również skąpany w fali wysoce izotropowego promieniowania mikrofalowego, które odpowiada równowadze termicznej około 2,725 kelwina (nieco powyżej absolutnej zero).
Hipoteza, że wszechświat na dużą skalę jest jednorodny i izotropowy, znana jest jako zasada kosmologiczna. Stwierdza to, że prawa fizyczne działają jednolicie w całym wszechświecie i dlatego nie powinny powodować żadnych zauważalnych nieprawidłowości w strukturze na dużą skalę. Teorię tę poparły obserwacje astronomiczne, które pomogły w sporządzeniu wykresu ewolucji struktury wszechświata od czasu jej początkowego ujęcia przez Wielki Wybuch.
Obecny konsensus wśród naukowców jest taki, że ogromna większość materii powstała w tym wydarzeniu i że ekspansja Wszechświata od tego czasu nie dodała nowej materii do równania. Uważa się raczej, że to, co działo się przez ostatnie 13,7 miliarda lat, było po prostu ekspansją lub rozproszeniem mas, które zostały pierwotnie utworzone. Oznacza to, że podczas tego rozszerzenia nie dodano żadnej materii, której nie było na początku.
Jednak ekwiwalent masy i energii Einsteina stanowi niewielką komplikację w stosunku do tej teorii. Jest to konsekwencja wynikająca ze Szczególnej Względności, w której dodanie energii do obiektu stopniowo zwiększa jego masę. Pomiędzy wszystkimi połączeniami i rozszczepieniami atomy są regularnie przekształcane z cząstek w energie iz powrotem.
Niemniej jednak, obserwowane na dużą skalę, ogólna gęstość materii wszechświata pozostaje taka sama w czasie. Obecna gęstość obserwowalnego wszechświata jest szacowana na bardzo niską - około 9,9 × 10-30 gramów na centymetr sześcienny. Ta energia-masa wydaje się składać z 68,3% ciemnej energii, 26,8% ciemnej materii i zaledwie 4,9% zwykłej (świetlnej) materii. Zatem gęstość atomów jest rzędu jednego atomu wodoru na każde cztery metry sześcienne objętości.
Właściwości ciemnej energii i ciemnej materii są w dużej mierze nieznane i mogą być równomiernie rozmieszczone lub zorganizowane w skupiska jak normalna materia. Uważa się jednak, że ciemna materia grawituje jak zwykła materia, a zatem działa spowalniając ekspansję Wszechświata. Natomiast ciemna energia przyspiesza jej ekspansję.
Po raz kolejny liczba ta jest tylko przybliżona. Kiedy jest używany do oszacowania całkowitej masy Wszechświata, często nie spełnia oczekiwań innych oszacowań. I w końcu to, co widzimy, to tylko niewielki ułamek całości.
Mamy tutaj wiele artykułów związanych z ilością materii we Wszechświecie w Space Magazine, takich jak Ile galaktyk we Wszechświecie i Ile gwiazd jest w Drodze Mlecznej?
NASA ma również następujące artykuły na temat wszechświata, takie jak Ile galaktyk jest tam? oraz ten artykuł na temat gwiazd w naszej galaktyce.
Mamy również odcinki podcastów z Astronomy Cast na temat Galaktyk i gwiazd zmiennych.
