Một bản đồ về mô hình co cụm / cụm mà các thiên hà trong Vũ trụ của chúng ta trưng bày ngày nay. Tín dụng hình ảnh: Trung tâm bay không gian Greg Bacon / STScI / NASA Goddard.

Một vũ trụ hoàn hảo

Vũ trụ có thể được sinh ra hoàn toàn thống nhất và vẫn sinh ra chúng ta?

Trước tiên, bạn nên kiểm tra nhà của tôi. Nó, giống như, hơi khập khiễng, nhưng cách ít què hơn, như, ngôi nhà của bạn. -Lumpy Space Princess, Adventure Time

Khi bạn nghĩ về Vũ trụ, bạn chắc chắn không nghĩ đó là một nơi đồng đều, trơn tru. Rốt cuộc, một cụm như hành tinh Trái đất khác biệt khủng khiếp so với vực thẳm của không gian trống rỗng! Tuy nhiên, ở quy mô lớn nhất, Vũ trụ khá trơn tru, và ở thời kỳ đầu, nó trơn tru ngay cả trên quy mô nhỏ hơn. Mặc dù Vũ trụ của chúng ta vốn là lượng tử trong tự nhiên, với tất cả các biến động lượng tử tiếp viên, bạn có thể tự hỏi liệu nó có thể được sinh ra hoàn toàn trơn tru và đơn giản phát triển từ đó. Chúng ta hãy nhìn vào Vũ trụ chúng ta có ngày hôm nay và tìm hiểu.

Trái đất, các ngôi sao và Dải ngân hà chắc chắn thể hiện sự vón cục, nhưng có lẽ chúng phát sinh từ trạng thái đồng nhất trước đó? Tín dụng hình ảnh: ESO / S. Guisard.

Ở quy mô gần đó, chúng ta có những khối vật chất dày đặc: những thứ như sao, hành tinh, mặt trăng, tiểu hành tinh và con người. Ở giữa chúng là những khoảng cách rộng lớn của không gian trống rỗng, cũng xuất hiện bởi những khối vật chất khuếch tán hơn: khí, bụi và plasma đại diện cho tàn dư của những ngôi sao sắp chết hoặc những vị trí tương lai của những ngôi sao sắp sinh ra . Và tất cả những thứ này gắn kết với nhau trong thiên hà vĩ đại của chúng ta: Dải Ngân hà.

Ở quy mô lớn hơn, các thiên hà có thể tồn tại trong sự cô lập (các thiên hà thực địa), chúng có thể liên kết với nhau thành một nhóm nhỏ (như nhóm địa phương của chúng ta) hoặc chúng có thể tồn tại với số lượng lớn hơn được nhóm lại với nhau, chứa hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn những cái lớn. Nếu chúng ta nhìn vào quy mô thậm chí còn lớn hơn, chúng ta thấy rằng các cụm và nhóm được cấu trúc dọc theo các sợi khổng lồ, một số trong đó kéo dài trong hàng tỷ năm ánh sáng trên vũ trụ. Và ở giữa chúng? Các khoảng trống khổng lồ: các khu vực thiếu thốn với rất ít hoặc thậm chí không có thiên hà và các ngôi sao trong đó.

Cả hai mô phỏng (màu đỏ) và khảo sát thiên hà (màu xanh / tím) đều hiển thị các mẫu phân cụm quy mô lớn giống nhau. Tín dụng hình ảnh: Gerard Lemson & Virgo Consortium, thông qua http://www.mpa-garching.mpg.de/milloriz/.

Nhưng nếu chúng ta bắt đầu nhìn ra quy mô thậm chí còn lớn hơn - với quy mô hàng chục tỷ năm ánh sáng - chúng ta thấy rằng bất kỳ khu vực không gian cụ thể nào chúng ta nhìn vào trông rất giống với bất kỳ khu vực không gian nào khác. Mật độ giống nhau, cùng nhiệt độ, cùng số lượng sao và thiên hà, cùng loại thiên hà, v.v. Trên quy mô lớn nhất của tất cả, không có phần nào trong Vũ trụ của chúng ta đặc biệt hơn hoặc ít hơn bất kỳ phần nào khác của Vũ trụ. Các khu vực khác nhau của không gian dường như có cùng đặc tính chung ở mọi nơi và mọi nơi chúng ta nhìn.

Hình ảnh tín dụng: Virgo Consortium / A. Amblard / ESA (trên và giữa), mô phỏng vật chất tối và nơi các thiên hà phải ở; ESA / SPIRE Consortium / HerMES Consortia (phía dưới), của Lockman Hole, trong đó mỗi dấu chấm là một thiên hà.

Nhưng Vũ trụ của chúng ta đã không bắt đầu với những khối và lỗ rỗng khổng lồ này. Khi chúng ta nhìn vào bức tranh em bé đầu tiên của trẻ em của vũ trụ của chúng ta - Nền vi sóng vũ trụ - chúng ta thấy rằng mật độ của Vũ trụ trẻ là giống nhau trên mọi quy mô hoàn toàn ở mọi nơi. Và khi tôi nói như vậy, ý tôi là chúng tôi đã đo được rằng nhiệt độ là 3 K theo mọi hướng, rồi 2,7K, rồi 2,73K, rồi 2,725K. Nó thực sự, thực sự thống nhất ở mọi nơi. Cuối cùng, vào những năm 1990, chúng tôi đã phát hiện ra rằng có một số khu vực chỉ dày hơn một chút so với mức trung bình và một số khu vực chỉ hơi dày hơn một chút so với mức trung bình: khoảng 80 sừng90 microkelvin. Vũ trụ trung bình rất, rất đồng đều trong những ngày đầu của nó, nơi khởi hành từ sự đồng đều hoàn hảo chỉ là 0,003% hoặc hơn.

Các dao động trong Nền vi sóng vũ trụ dao động từ hàng chục đến hàng trămKK, nhưng nhiệt độ tổng thể là 2.725 K. Tín dụng hình ảnh: ESA và Cộng tác Planck.

Bức ảnh em bé này từ vệ tinh Planck cho thấy sự dao động từ tính đồng nhất hoàn hảo, với các điểm nóng đỏ đỏ tương ứng với các vùng thiếu sáng và các điểm lạnh màu xanh da trời tương ứng với các điểm quá mức: những điểm sẽ phát triển thành sao và thiên hà- khu vực phong phú của không gian. Vũ trụ đòi hỏi những sự không hoàn hảo này - những sự quá mức và thiếu thốn - để cấu trúc đó hình thành ở tất cả.

Nếu nó hoàn toàn đồng nhất, không có vùng không gian nào ưu tiên thu hút nhiều vật chất hơn bất kỳ khu vực nào khác, và do đó, không có sự tăng trưởng hấp dẫn sẽ xảy ra theo thời gian. Tuy nhiên, nếu bạn bắt đầu với những sự không hoàn hảo nhỏ đó - vài phần trong 100.000 mà Vũ trụ của chúng ta bắt đầu - thì đến 50 đến 100 triệu năm trôi qua, chúng ta đã hình thành những ngôi sao đầu tiên trong Vũ trụ. Theo thời gian vài trăm triệu năm trôi qua, chúng ta đã hình thành những thiên hà đầu tiên. Sau hơn nửa tỷ năm trôi qua, chúng ta đã hình thành rất nhiều ngôi sao và thiên hà mà ánh sáng khả kiến ​​có thể di chuyển tự do khắp vũ trụ mà không gặp phải vật chất trung tính chặn ánh sáng đó. Và theo thời gian, hàng tỷ năm đã trôi qua, chúng ta có những cụm thiên hà và cụm thiên hà mà chúng ta nhận ra ngày nay.

Vì vậy, nó sẽ có thể tạo ra một vũ trụ mà không có biến động? Một sinh ra đã hoàn toàn suôn sẻ, nhưng đã tăng biến động này khi thời gian trôi qua? Câu trả lời là: không phải nếu bạn tạo ra Vũ trụ theo cách chúng ta được tạo ra. Bạn thấy đấy, Vũ trụ quan sát được của chúng ta đến từ Vụ nổ lớn, nơi Vũ trụ đột nhiên tràn ngập một biển vật chất nóng, dày đặc, phản vật chất và phóng xạ. Năng lượng cho Big Bang nóng bỏng đến từ sự kết thúc của lạm phát - nơi năng lượng vốn có của chính không gian đã được chuyển đổi thành vật chất và bức xạ - trong một quá trình được gọi là hâm nóng vũ trụ. Nhưng Vũ trụ không nóng lên đến cùng nhiệt độ ở tất cả các địa điểm, bởi vì trong quá trình lạm phát, có những biến động lượng tử đã trải dài trên Vũ trụ! Đây là gốc rễ của những khu vực quá tải và thiếu thốn đến từ đâu.

Trong khi lạm phát vũ trụ kéo dài vũ trụ bằng phẳng, nó cũng kéo dài sự dao động lượng tử của không gian trống trên chính Vũ trụ, in dấu mật độ / biến động năng lượng lên kết cấu của không thời gian. Tín dụng hình ảnh: E. Siegel.

Nếu bạn có một vũ trụ giàu vật chất và phóng xạ có nguồn gốc lạm phát và các định luật vật lý mà chúng ta biết, bạn sẽ có những biến động này dẫn đến các khu vực quá tải và thiếu thốn.

Nhưng điều gì quyết định độ lớn của chúng? Họ có thể đã nhỏ hơn?

Câu trả lời là có: nếu lạm phát xảy ra ở quy mô năng lượng thấp hơn hoặc nếu tiềm năng lạm phát có các tính chất khác với các thuộc tính mà nó phải có, thì những biến động này có thể nhỏ hơn rất nhiều. Chúng không chỉ có thể nhỏ hơn gấp mười lần, mà còn một trăm, một nghìn, một triệu, một tỷ hoặc thậm chí nhỏ hơn những gì chúng ta có!

Lạm phát đã tạo ra Vụ nổ lớn và tạo ra Vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát được, nhưng đó là những biến động từ lạm phát phát triển thành cấu trúc chúng ta có ngày nay. Tín dụng hình ảnh: Bock et al. (2006, astro-ph / 0604101); sửa đổi bởi E. Siegel.

Điều này là rất quan trọng, bởi vì sự hình thành cấu trúc vũ trụ cần một thời gian dài để xảy ra. Trong vũ trụ của chúng ta, để đi từ những biến động ban đầu đến lần đầu tiên chúng ta có thể đo lường chúng (CMB) phải mất hàng trăm ngàn năm. Để đi từ CMB đến khi lực hấp dẫn cho phép hình thành những ngôi sao đầu tiên của Vũ trụ, phải mất khoảng một trăm triệu năm.

Nhưng để đi từ những ngôi sao đầu tiên đến một vũ trụ thống trị năng lượng tối - một nơi không có cấu trúc mới sẽ hình thành nếu bạn chưa bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn - đó không phải là một bước nhảy vọt lớn. Chỉ mất khoảng 7,8 tỷ năm kể từ Vụ nổ lớn để Vũ trụ bắt đầu tăng tốc, nghĩa là nếu những dao động ban đầu nhỏ hơn nhiều, thì chúng ta sẽ không tạo thành những ngôi sao đầu tiên cho đến khi, nói, mười tỷ năm sau Vụ nổ lớn , sự kết hợp của các dao động nhỏ với năng lượng tối sẽ đảm bảo rằng chúng ta sẽ không bao giờ có được ngôi sao nào cả.

Một ngôi sao lớn, đơn lẻ có thể xuất hiện từ đám mây khí sụp đổ, nhưng thời gian có thể rất lớn nếu dao động ban đầu dẫn đến đám mây đủ nhỏ. Tín dụng hình ảnh: Tinh vân lỗ khóa thông qua NASA / Nhóm di sản Hubble (STScI).

Làm thế nào nhỏ những biến động cần thiết phải có được? Câu trả lời thật đáng ngạc nhiên: chỉ nhỏ hơn vài trăm lần so với những gì chúng ta thực sự có! Nếu thang điểm của thang điểm của các biến động này trong CMB (bên dưới) có các con số trên thang thay vì vài nghìn, thì Vũ trụ của chúng ta sẽ may mắn có được một ngôi sao hoặc thiên hà trong ngày hôm nay, và sẽ chắc chắn trông không có gì giống với vũ trụ chúng ta thực sự có.

Biến động trên các quy mô khác nhau làm phát sinh cấu trúc mà chúng ta thấy trên các quy mô khác nhau. Không có sự không hoàn hảo, không có gì để phát triển. Tín dụng hình ảnh: nhóm khoa học NASA / WMAP.

Nếu nó không dành cho năng lượng tối - nếu tất cả những gì chúng ta có là vật chất và phóng xạ - thì trong thời gian đủ, chúng ta có thể hình thành cấu trúc trong Vũ trụ cho dù những dao động ban đầu đó nhỏ đến mức nào. Nhưng sự tất yếu của việc mở rộng tăng tốc mang lại cho Vũ trụ của chúng ta cảm giác cấp bách mà chúng ta sẽ không có, và điều cần thiết là độ lớn của dao động trung bình phải đạt ít nhất khoảng 0,00001% mật độ trung bình để có Vũ trụ với bất kỳ cấu trúc ràng buộc đáng chú ý nào cả. Làm cho biến động của bạn nhỏ hơn thế, và bạn sẽ có một Vũ trụ không có gì cả. Nhưng nâng những biến động đó lên đến một mức độ lớn 0,003%, và bạn không gặp vấn đề gì khi có được một Vũ trụ trông giống như của chúng ta.

Với những dao động chỉ nhỏ hơn một chút so với những gì chúng ta có, các cụm thiên hà - giống như cụm được hiển thị ở đây - sẽ không bao giờ tồn tại. Tín dụng hình ảnh: Jean-Charles Cuillandre (CFHT) & Giovanni Anselmi (Coelum Astronomia), Hawaii Starlight.

Vũ trụ của chúng ta phải được sinh ra với những cục u, nhưng nếu lạm phát là khác nhau, thì khối lượng của những khối đó cũng sẽ rất khác. Nhỏ hơn nhiều, và không có cấu trúc nào cả. Lớn hơn nhiều, và chúng ta có thể đã có một Vũ trụ đầy thảm họa với những lỗ đen từ rất sớm. Để cung cấp cho chúng ta Vũ trụ mà chúng ta có ngày hôm nay đòi hỏi một sự kết hợp cực kỳ tình cờ và may mắn cho chúng ta, người mà chúng ta được ban cho có vẻ vừa phải.

Bài đăng này lần đầu tiên xuất hiện tại Forbes và được những người ủng hộ Patreon của chúng tôi mang đến cho bạn quảng cáo miễn phí. Nhận xét trên diễn đàn của chúng tôi, và mua cuốn sách đầu tiên của chúng tôi: Beyond The Galaxy!