Астрофізики вирахували загальну кількість речовини у Всесвіті

Міжнародна команда вчених на чолі з астрономами з Каліфорнійського університету в Ріверсайді (США) визначила, що матерія становить 31% від загальної кількості матерії та енергії у Всесвіті, а решта складається з темної енергії. Такі числа вони змогли отримати, вирахувавши маси скупчень галактик. EurekAlert! Результати роботи опубліковано у журналі Astrophysical Journal.

Щоб ми могли уявити, що таке 31% матерії, автори роботи наводять такий приклад. Якби вся матерія у Всесвіті була рівномірно розподілена по простору, то на один кубічний метр припадало б шість атомів водню. Але є одне «але»: 80% усієї матерії складається з темної матерії, то насправді більша її частина складалася б не з атомів водню, а з речовини невідомого типу.

Як каліфорнійські вчені набули значення 31%? Вони порівняли кількість і масу скупчень галактик в одиниці об'єму з передбаченнями чисельного моделювання. Оскільки сучасні скупчення галактик сформувалися з речовини, яка колапсувала мільярди років тому під дією власної гравітації, кількість скупчень, що спостерігаються в даний час, тісно пов'язана із загальною кількістю речовини. Що відсоток речовини, то має бути більше скупчень.

Вченим потрібно було виміряти кількість кластерів та їхню масу. Але більшість речовини складається з темної матерії - і просто побачити її в телескопі не вийде.

Тому астрофізики вирішили вимірювати масу галактичного кластера через орбіти галактик, що до нього входять. Для цього вони розробили спеціальний інструмент GalWeight, який вирахував масу кожного відомого скупчення.В результаті вчені отримали каталог скупчень галактик GalWCat19. Нарешті вони порівняли кількість скупчень у своєму новому каталозі з результатами моделювання, щоб визначити загальну кількість речовини у Всесвіті.

«Нам вдалося зробити один із найточніших вимірів, коли-небудь зроблених за допомогою методу скупчень галактик, – сказала співавтор дослідження Джилліан Вілсон (Gillian Wilson), професор фізики та астрономії з Каліфорнійського університету в Ріверсайді. – Більш того, це перше використання методу орбіти галактики, значення якого узгоджується з результатами, отриманими за допомогою некластерних методів, через анізотропію космічного мікрохвильового фону, баріонні акустичні коливання, наднові типу Ia або гравітаційне лінзування».

Об'єднавши свої вимірювання з результатами інших команд, які використовували інші методи, автори цієї роботи змогли визначити найкраще комбіноване значення, зробивши висновок, що матерія становить 31,5 ± 1,3% загальної кількості речовини та енергії у Всесвіті.

[Ілюстрація: MOHAMED ABDULLAH, UC RIVERSIDE]

Всесвіт інструмент galweight маса скупчень галактик скупчення галактик темна матерія темна енергія

Як підрахувати кількість атомів у Всесвіті, що спостерігається?

В інтернеті вже не перший рік гуляє питання про те, скільки у Всесвіті атомів, і, навіть незважаючи на заперечення снобів, існує відповідь! 10^80 — саме стільки на думку Вікіпедії та інших інтернет-ресурсів атомами заполонено наш Всесвіт. Як вони дійшли такої відповіді?

Ви можете запитати мене в телеграмі. Мій телеграм-канал про астрофізику та космологію.

Знаходимо приблизну кількість атомів у Всесвіті, що спостерігається.

Для грубого підрахунку кількості атомів вдамося до ньютонівських законів механіки і розглянемо ланцюжок того, що з чого у Всесвіті складається. матерія знаходиться в зірках, таких, наприклад, як наше Сонце.

Розглянемо систему з планети (Земля) та зірки (Сонце).

де m_e — маса Землі та m_s - Маса Сонця. Оскільки Земля знаходиться на орбіті і обертається навколо зірки, то вона рухається з доцентровим прискоренням, що обчислюється за формулою:

Згадаймо другий закон Ньютона:

де a = a_cвідповідно, об'єднавши три вищеописані рівняння:

Домноживши на R 2 обидві частини, отримаємо:

Знаючи, що швидкість руху по колу визначається за такою формулою:

де T - період, отримаємо:

Ми прийшли до корисної формули, завдяки якій можемо одержати масу Сонця. Знаючи, що період обороту Землі навколо Сонця становить близько 1 року (~ 3,15×10 7 сек), а відстань від Землі до Сонця ~ 1,5×10 11 м , знаходимо масу Сонця ≈ 1,77 10 30 кг.

Кількість атомів у зірці визначимо як приватну масу зірки і маси одного атома водню, з якого, в основному, і складаються зірки і весь Всесвіт, що спостерігається:

Далі визначимо кількість сонцеподібних зірок у галактиці тим самим шляхом.

де R ~ 3×10 4 світлових років або 2,84×10 20 м та T ~ 2×10 8 років або 6,3×10 15 сек, відповідно mg ~ 3,41×10 41 кг. галактиці типу Чумацький Шлях дорівнює:

Оцінюватимемо кількість галактик будемо за таким способом: розглянемо зображення Hubble Ultra Deep Field, отримане телескопом ім.Хаббла у 2012 році. На ньому є близько 10 000 галактик. Кутовий розмір цього кадру складає 1/60 градусів:

Скільки HUDF зможе поміститися на небесному куполі? Площа поверхні сфери визначається:

де радіус R можемо уявити як 1 радіан, рівний 57,29 градуса. Тоді площа поверхні складе 4,13 10 4 квадратних градусів. Підрахувавши площу одного зображення HUDF, що дорівнює 1/3600 квадратного градуса, знаходимо кількість HUDF на небі:

Якщо ми помножимо отриману кількість полів на кількість галактик в одному полі, то отримаємо число 14 868 000 000 000 (майже 15 трильйонів) — згідно з нашими обчисленнями це загальна кількість галактик у Всесвіті, що спостерігається.

Складаємо!

Ми отримали кількість галактик, кількість зірок у кожній з них та кількість атомів у кожній зірці.

Ми пішли недалеко від сайтів новин та ресурсів з цікавими фактами, але зате змогли самостійно зрозуміти, як комусь вдалося прийти до такого числа. Принагідно ми згадали закони механіки і торкнулися законів Кеплера. Відповідь на таке, начебто, складне питання ми отримали найпростішими обчисленнями. Але неважливо, чи точна відповідь чи ні — для сучасної науки вона марна. Адже астрономи вже давно не вважають зірки.

Більше інформації Ви можете знайти в телеграм-каналі про астрофізику, космологію та астрофотографію. Пишіть мені на личку, наш чат або в блоці коментарів під статтею. Дякую за увагу.