Waarneembare heelal
Die waarneembare heelal is ’n sferiese streek van die heelal wat alle materie bevat wat tans waargeneem kan word van die Aarde af of met sy ruimtetuie en -teleskope, omdat elektromagnetiese straling van hierdie voorwerpe genoeg tyd gehad het om die Sonnestelsel en Aarde te bereik sedert die begin van die kosmiese uitdying. Daar is minstens 2 biljoen (2 x 1012) sterrestelsels in die waarneembare ruimte. As aangeneem word die heelal is isotropies (met dieselfde fisiese eienskappe in alle rigtings), is die afstand na die kant van die waarneembare heelal oral rofweg dieselfde. Dus het die waarneembare heelal ’n sferiese (ronde) volume, wat om die waarnemer gesentreer is. Elke plek in die heelal kan sy eie waarneembare heelal hê (wat miskien of miskien nie oorvleuel met die een wat om die Aarde gesentreer is nie).

Die woord "waarneembaar" in hierdie sin verwys nie na die vermoë van moderne tegnologie om lig of ander inligting van ’n voorwerp te bespeur en of daar enigiets is om te bespeur nie. Dit verwys na die fisiese perk wat deur die ligsnelheid self geskep word. Omdat geen sein vinniger as lig kan beweeg nie, kan enige voorwerp wat verder van ons af weg is as wat lig kon beweeg in die bestaan van die heelal (geraam as sowat  jaar) eenvoudig nie bespeur word nie omdat die seine ons nog nie sou kon bereik nie. Soms onderskei astrofisici tussen die "sigbare" heelal, wat net seine insluit wat uitgestuur is sedert herkombinasie (toe waterstofatome gevorm het uit elektrone en protone, en fotone vrygestel is), en die "waarneembare" heelal, wat seine insluit sedert die begin van die kosmiese uitdying (die Oerknal in tradisionele fisiese kosmologie, of die einde van die inflasie-epog in moderne kosmologie).

Die radius van die waarneembare heelal word tans geraam op sowat 46,5 miljard ligjare en sy deursnee op sowat 93 miljard ligjare (28,5 gigaparsek of 8,8 × 1026 m. Die totale massa van gewone materie in die heelal kan bereken word deur die gebruik van die kritieke digtheid en die deursnee van die waarneembare heelal, en is sowat 1,5 × 1053 kg. In November 2018 het sterrekundiges aangekondig die ekstragalaktiese agtergrondlig is 4 × 1084 fotone.

Aangesien die heelal al hoe vinniger uitdy, sal alle voorwerpe wat tans sigbaar is, eindelik lyk of hulle in tyd gevries is terwyl hulle lig al hoe rooier en dowwer sal word. Voorwerpe met ’n huidige rooiverskuiwing z van 5 tot 10 sal byvoorbeeld nie vir langer as 4-6 miljard jaar sigbaar wees nie. En lig wat uitgestraal word deur voorwerpe wat ver genoeg van ons af is, sal nooit die Aarde bereik nie.

Heelal versus waarneembare heelal 
Sommige dele van die heelal is te ver weg dat die lig wat dit sedert die Oerknal uitgestraal het, die Aarde of sy ruimte-instrumente kon bereik. Dit lê dus buite die waarneembare heelal. In die toekoms sal die lig van verafgeleë sterrestelsels meer tyd gehad het om nader te beweeg, en dus sal meer streke van die heelal waarneembaar word. Vanweë die Wet van Hubble beweeg streke wat ver genoeg van die Aarde af is, egter vinniger as die ligsnelheid van ons af weg (spesiale relatiwiteit voorkom dat nabygeleë voorwerpe in dieselfde streek vinniger as lig kan beweeg met betrekking tot mekaar, maar daar is geen perk vir verafgeleë voorwerpe as die ruimte tussen hulle uitdy nie). Verder lyk dit of die heelal al hoe vinniger uitdy vanweë donker energie.

As ’n mens aanneem donker energie bly konstant (’n onveranderlike kosmologiese konstante) sodat die heelal al hoe vinniger bly uitdy, is daar ’n "toekomstige sigbaarheidsperk" waarbuite voorwerpe nooit binne ons waarneembare horison sal kom nie omdat lig buite daardie perk nooit die Aarde sal bereik nie. Dié toekomstige sigbaarheidsperk word bereken op ’n afstand van 62 miljard ligjare (19 miljard parsek), as die heelal vir ewig bly uitdy. Dit beteken die getal sterrestelsels wat ons ooit teoreties sal kan sien, is net met ’n faktor van 2,36 groter as die getal wat ons tans kan sien.

Hoewel meer sterrestelsels teoreties in die toekoms waarneembaar sal word, sal al hoe meer sterrestelsels dus uiterse rooiverskuiwing ondergaan weens die uitdying van die heelal – in so ’n mate dat dit sal lyk asof hulle uit sig verdwyn en onsigbaar word. ’n Klein uitsondering is dat ’n sterrestelsel op ’n gegewe afstand beskou word as binne die waarneembare heelal as ons seine kan ontvang wat die sterrestelsel op enige tydstip in sy verlede (sê byvoorbeeld 500 miljoen jaar ná die Oerknal) uitgestuur het, maar enige seine daarna weens die uitdying van die heelal nooit weer die Aarde sal bereik nie. Ons sal dus net kan sien hoe die sterrestelsel toe gelyk het en nie soos dit byvoorbeeld 10 miljard jaar ná die Oerknal gelyk het nie.

Daar is geen bewyse dat die grens van die waarneembare heelal ooreenstem met dié van die heelal as ’n geheel nie, of selfs dat die heelal enigsins ’n fisiese grens het nie. Daar is egter modelle wat voorstel dat dit eindig, maar onbegrens is, soos ’n hoërdimensie-analoog van die 2D-oppervlak van ’n sirkel wat eindig is, maar nie ’n eindpunt het nie.

Dit is moontlik dat die sterrestelsels in die waarneembare heelal net ’n baie klein deel is van die stelsels in die heelal. Die teorie van kosmiese inflasie stel voor as ’n mens aanneem inflasie het sowat 10-37 sekondes ná die Oerknal begin en dat die grootte van die heelal voor die inflasie min of meer gelyk was aan die ligsnelheid gemaal met sy ouderdom, beteken dit die hele heelal se radius is tans minstens 3x1023 keer  dié van die waarneembare heelal (109543 ligjare). Daar is ook kleiner ramings, soos dat die hele heelal se volume 250 keer dié van die waarneembare heelal is (3 440 miljard ligjare), én groter ramings, soos dat die heelal minstens 101010122 megaparsek is.

As die heelal eindig maar onbegrens is, is dit ook moontlik dat dit kleiner as die waarneembare heelal is. In so ’n geval kan sterrestelsels wat ons as baie verafgeleë waarneem, eintlik duplikaatbeelde wees van nabygeleë stelsels wat gevorm is deur lig wat rondom die heelal beweeg het. Dit is moeilik om dié hipotese eksperimenteel te toets, want verskillende beelde van ’n sterrestelsel sal verskillende tydperke in sy geskiedenis wys, en dus kan die beelde baie verskillend lyk.

Grootte 

Die afstand van die Aarde na die kant van die waarneembare heelal is sowat 46,5 miljard ligjare (14,26 miljard persek of 4,4 x 1026 m) in enige rigting. Die waarneembare heelal is dus ’n sfeer met ’n deursnee van sowat 93 miljard ligjare (28,5 miljard parsek of 8,8 x 1026 m). As ’n mens aanneem dat die ruimte rofweg plat is (in die sin van ’n Euklidiese ruimte), stem dit ooreen met ’n volume van sowat 4,22 × 105 gigaligjare3 (1,22 × 104 gigaparsek3 of 3,57 × 1080 m3).

Die syfers hier bo is afstande nou (in kosmologiese tyd), nie afstande op die tyd toe die lig uitgestraal is nie. Die kosmiese mikrogolfagtergrond (KMA) wat ons vandag sien, is byvoorbeeld met die fotonontkoppeling uitgestraal, sowat  jaar ná die Oerknal of amper 13,8 miljard jaar gelede. Die KMA is uitgestraal deur materie wat intussen meestal sterrestelsels gevorm het, en die afstand van hierdie sterrestelsels word nou geraam op 46 miljard ligjare van ons af. Om die afstand van daardie materie te meet op die tyd toe die lig uitgestraal is, moet ons eers kennis neem dat as lig met ’n rooiverskuiwing van z ons tans bereik, die skaalfaktor op die tyd toe die lig aanvanklik uitgestraal is, bereken word deur:

.

Die rooiverskuiwing van fotonontkoppeling was na raming z = , wat impliseer die skaalfaktor op die tyd van fotonontkoppeling was . As die materie wat die oudste KMA-fotone uitgestraal het ’n huidige afstand van 46 miljard ligjare het, sou die afstand op die tyd van ontkoppeling, toe die fotone aanvanklik uitgestraal is, dus net sowat 42 miljoen ligjare gewees het.

Wanopvattings oor die grootte 

Baie sekondêre bronne het al ’n verskeidenheid verkeerde groottes van die waarneembare ruimte aangegee. Sommige syfers word hier onder genoem, met verduidelikings van waar die moontlike fout met die berekenings ingesluip het.

 13,8 miljard ligjare
 Die ouderdom van die heelal word op 13,8 miljard jaar geraam. Omdat algemeen geglo word niks kan vinniger as die ligsnelheid beweeg nie, is dit ’n algemene wanopvatting dat die radius van die waarneembare heelal daarom 13,8 miljard ligjare moet wees. Dit sou net reg gewees het as die plat, statiese Minkowski-ruimtetyd-beskouing onder spesiale relatiwiteit korrek was. In die regte heelal is ruimtetyd op ’n manier gebuig wat ooreenstem met die uitdying van die ruimte, soos bepaal deur die Wet van Hubble. Afstande wat verkry word deur die ligsnelheid met ’n kosmologiese tydinterval te vermenigvuldig, het geen direkte fisiese betekenis nie.

 15,8 miljard ligjare
 Dit word op dieselfde manier verkry as hier bo, maar gebruik ’n verkeerde ouderdom van die heelal soos in middel 2006 deur sekere publikasies berig is.

 78 miljard ligjare
 In 2003 het Cornish et al. hierdie laagste grens aangegee vir die deursnee van hele heelal (nie net die waarneembare deel nie). Hulle het hierdie laagste grens gebaseer op die geraamde huidige afstand tussen punte wat gesien kan word op teenoorgestelde kante van die kosmiese mikrogolfagtergrond (KMA). As die hele heelal kleiner as hierdie sfeer was, sou lig sedert die Oerknal tyd gehad het om rondom die heelal te beweeg en veelvuldige beelde van verafgeleë punte in die KMA te skep, en dit sou as patrone van herhalende sirkels vertoon het. Cornish et al. het vir so ’n effek gesoek tot op ’n grootte van 24 gigaparsek (78 miljard ligjare) en kon dit nie kry nie. Hulle het voorgestel dat as hulle hulle soektog na alle moontlike oriëntasies kon uitbrei, hulle "in staat sou wees om die moontlikheid uit te sluit dat ons in ’n heelal van kleiner as 24 gigaparsek in deursnee woon". Hulle het ook bereken dat hulle met KMA-kaarte met "minder geruis en ’n hoër resolusie in staat sal wees om na kleiner sirkels te soek en die grens te vergroot tot ~28 gigaparsek." Hierdie raming wat met toekomstige waarnemings bepaal kan word, lei tot ’n radius van 14 gigaparsek, of sowat 46 miljard ligjare, omtrent dieselfde as die radius van die waarneembare ruimte wat in die inleiding gegee word (waarvan die radius deur die KMA-sfeer gededinieer word). In ’n herdruk in 2012 deur feitlik dieselfde skrywers is die huidige laagste grens verander na ’n deursnee van 98,5% van dié van die KMA-sfeer, of sowat 26 gigaparsek.

 156 miljard ligjare
 Hierdie syfer vir die deursnee is gekry deur die 78 miljard ligjare hier bo te verdubbel omdat geglo is dit is ’n radius. Maar 78 miljard ligjare is reeds ’n deursnee, soos Cornish et al. in hulle oorspronklike geskrif gesê het. Dié verdubbeling is dus verkeerd, maar dit is algemeen herhaal.

 180 miljard ligjare
 Dié raming kombineer die verkeerde syfer 156 miljard ligjare met bewyse dat die sterrestelsel M33 eintlik 15% verder is as vorige ramings en dat die Hubble-konstante dus 15% kleiner is; dus is 15% by die 156 miljard ligjare gevoeg.

Grootskaalse struktuur 

Lugopnames en karterings van die verskeie golflengtebande van elektromagnetiese straling het baie inligting verskaf oor die inhoud en eienskappe van die heelal se struktuur. Die organisering van die struktuur volg oënskynlik ’n hiërargiese model, tot by die skaal van superswerms en filamente. Op groter skale, tussen sowat 100 en 600 miljoen ligjare (30 en 200 miljoen parsek), is daar blykbaar geen struktuur nie, ’n verskynsel wat al die "einde van grootheid" genoem is.

Mure, filamente, knooppunte en superholtes 

Die organisering van strukture begin waarskynlik by sterre, hoewel die meeste kosmoloë selde op daardie vlak na astrofisika kyk. Sterre word georganiseer in sterrestelsels, wat weer sterrestelselswerms, superswerms, mure en filamente vorm. Hulle word verbind deur enorme leemtes, of superholtes, en dit vorm ’n groot skuimagtige struktuur wat soms die "kosmiese web" genoem word. Voor 1989 is algemeen aanvaar dat sterrestelselswerms die grootste strukture is wat bestaan, en dat hulle min of meer egalig in alle rigtings versprei is. Sedert die vroeë 1980's is egter al hoe meer strukture ontdek. In 1983 het Adrian Webster die Webster-GKG, ’n groot kwasargroep, geïdentifiseer wat uit vyf kwasars bestaan. Dit was die eerste ontdekking van ’n grootskaalse struktuur en het ons kennis van die groepering van materie in die heelal geweldig uitgebrei.

In 1987 het Robert Brent Tully die Pisces-Cetus-superswermkompleks geïdentifiseer; dit is die galaktiese filament waarin die Melkweg geleë is en is sowat ’n miljard ligjare breed. In dieselfde jaar is ’n buitengewoon groot streek ontdek met ’n heelwat minder digte verspreiding van sterrestelsels as gewoonlik: die Reusesuperholte van 1,3 miljard ligjare breed. Gebaseer op data van rooiverskuiwingsopnames, het Margaret Geller en John Huchra in 1989 die Groot Muur ontdek; dit is ’n plaat sterrestelsels van meer as 500 miljoen ligjare lank en 200 miljoen ligjare breed, maar net 15 miljoen ligjare dik. Die bestaan van dié struktuur het so lank onontdek gebly omdat dit die bepaling van die posisie van sterrestelsels in drie dimensies verg, en dit verg weer die kombinasie van dié inligting met afstandsinligting van rooiverskuiwings.

Twee jaar later het die sterrekundiges Roger G. Clowes en Luis E. Campusano die Clowes-Campusano-GKG ontdek – ’n groot kwasargroep wat by sy breedste punt 2 miljard ligjare is. Dit was in dié tyd die grootste bekende struktuur in die heelal. In April 2003 is nog ’n grootskaalse struktuur ontdek: die Groot Muur van Sloan.

In Augustus 2007 is ’n moontlike superholte waargeneem in die sterrebeeld Eridanus. Dit stem ooreen met die "KMA- koue kol", ’n koue streek in die mikrogolflug wat hoogs onwaarskynlik is in die kosmologiese model wat tans verkies word. Dié superholte kan die koue kol veroorsaak, maar dan sou dit onmoontlik groot moes wees – moontlik ’n miljard ligjare breed, amper so groot soos die Reusesuperholte wat hier bo genoem is.

In 2011 is ’n groot kwasargroep, U1.11, ontdek wat sowat 2,5 miljard ligjare breed is. Op 11 Januarie 2013 is nog ’n groot kwasargroep, U1.27, ontdek wat 4 miljard ligjare breed is. Dit was toe die grootste bekende struktuur in die heelal. In November 2013 het sterrekundiges die Groot Muur in Hercules-Corona Borealis ontdek. Dit is amper twee keer so groot as die vorige muur en is gedefinieer deur die kartering van gammaflitse.

Waarnemings 

Nog ’n aanduiding van grootskaalse strukture is die Lyman-alfawoud. Dit is ’n versameling absorpsielyne wat voorkom in die spektra van die lig van kwasars, wat vertolk word as ’n aanduiding van die bestaan van groot, dun plate intergalaktiese gas (hoofsaaklik waterstof). Dit lyk of hierdie plate verband hou met die vorming van sterrestelsels.

Versigtigheid moet aan die dag gelê word in die beskrywing van strukture op ’n kosmiese skaal, want dinge is dikwels anders as wat hulle lyk. Gravitasielense (die buig van lig deur swaartekrag) kan ’n voorwerp laat lyk of dit in ’n ander rigting lê as wat werklik die geval is. Dit gebeur wanneer voorwerpe op die voorgrond (soos sterrestelsels) die omringende ruimtetyd vervorm (soos voorspel deur algemene relatiwiteit) en verbygaande ligstrale wegbuig. Dit is soms nuttig, want sterk gravitasielense kan soms verafgeleë sterrestelsels vergoot en makliker maak om op te spoor. Die vorming van swak lense deur die heelal in die algemeen verander ook die waargenome grootskaalse strukture effens.

Die grootskaalse struktuur van die heelal lyk ook anders as ’n mens net rooiverskuiwing gebruik om afstande na sterrestelsels te meet. So word sterrestelsels agter ’n sterrestelselswerm daardeur aangetrek, en dit beweeg dus in die rigting daarvan – daarom het dit ’n effense blouverskuiwing (in vergelyking met hoe hulle sou gelyk het as daar geen swerm naby was nie). Aan die naaste kant is ’n effense rooiverskuiwing. Die omgewing van die swerm lyk dus effens inmekaargedruk as rooiverskuiwing gebruik word om die afstand te meet. Die teenoorgestelde effek word verkry van sterrestelsels wat reeds in die swerm is: Die sterrestelsels beweeg effens lukraak om die middel van die swerm en wanneer hierdie lukrake bewegings in rooiverskuiwings omgeskakel word, lyk die swerm uitgerek: Dit veroorsaak ’n lang ketting sterrestelsels wat in die rigting van die Aarde wys.

Kosmografie van die Aarde se omgewing 
In die middel van die Hydra-Centaurus-superswerm beïnvloed ’n gravitasieafwyking, wat die Groot Aantrekker genoem word, die beweging van sterrestelsels in ’n streek van honderdmiljoene ligjare breed. Hierdie sterrestelsels het almal ’n rooiverskuiwing, in ooreenstemming met die Wet van Hubble. Dit beteken hulle beweeg weg van ons en van mekaar, maar die wisselings in hulle rooiverskuiwing is groot genoeg om op die bestaan te dui van ’n konsentrasie massa gelyk aan tienduisende sterrestelsels.

Die Groot Aantrekker, wat in 1986 ontdek is, lê tussen 150 miljoen en 250 miljoen ligjare in die rigting van die sterrebeelde Noordelike Waterslang en Sentour. In die omgewing daarvan is ’n oormag van groot, ou sterrestelsels, waarvan baie teen hulle bure bots of groot hoeveelhede radiogolwe uitstraal.

Toe R. Brent Tully in 1987 die Pisces-Cetus-superswermkompleks identifiseer, het hy beweer die Plaaslike Superswerm lê daarin.

Massa van gewone materie 
Die massa van die waarneembare heelal word dikwels aangegee as 1050 ton of 1053 kg. In dié sin verwys massa na gewone materie en sluit dit die intergallaktiese en interstellêre medium in. Dit sluit egter donker materie en donker energie uit. Hierdie waarde vir die massa van gewone materie in die heelal kan bereken word gebaseer op kritieke digtheid. Dit geld net vir die waarneembare heelal, want die volume van die hele heelal is onbekend en kan oneindig wees.

Ramings gebaseer op kritieke digtheid 
Kritieke digtheid is die energiedigtheid waarvoor die heelal plat is. As daar geen donker energie is nie, is dit ook die digtheid waarvoor die uitdying van die heelal gebalanseerd is tussen voortdurende uitdying en verval. Volgens die Friedmann-vergelykings is die waarde vir , kritieke digtheid:

 

waar G die swaartekragkonstante is en H = H0 die huidige waarde van die Hubble-konstante. Die waarde vir H0 volgens die Europese Ruimteagentskap se Planck-teleskoop is H0 = 67,15 kilometer per sekonde per megaparsek. Dit gee ’n kritieke digtheid van  (algemeen genoem 5 waterstofatome per kubieke meter). Hierdie digtheid sluit vier belangrike soorte energie/massa in: gewone materie (4,8%), neutrino's (0,1%), koue donker materie (26,8%) en donker energie (68,3%). Hoewel neutrino's Standaardmodeldeeltjies is, word hulle apart gelys omdat hulle ultrarelativisties is en dus soos straling optree eerder as materie. Die digtheid van gewone materie, soos deur Planck gemeet, is 4,8% van die totale kritieke digtheid, of . Om hierdie dightheid in massa om te reken, moet ’n mens vermenigvuldig met volume, ’n waarde gebaseer op die radius van die waarneembare heelal. Omdat die heelal 13,8 miljard jaar lank uitgedy het, is die radius nou sowat 46,6 miljard ligjare. Volume (πr3) is dus gelyk aan  en die massa van gewone materie is gelyk aan dightheid () vermenigvuldig met volume () of .

Materie-inhoud – getal atome 
As ’n mens aanneem dat die massa van gewone materie sowat  is, soos hier bo bespreek, en dat alle atome waterstofatome is (wat sowat 74% van alle atome in die Melkweg volgens massa uitmaak) kan die geraamde totaal van atome in die waarneembare heelal bereken word deur die massa van gewone materie te deel deur die massa van ’n waterstofatoom ( gedeel deur ). Die resultaat is sowat 1080 waterstofatome, wat ook bekend is as die Eddington-getal.

Verste voorwerpe 
In 2016 was die verste ruimtevoorwerp wat al ontdek is ’n sterrestelsel wat as GN-z11 geklassifiseer word. In 2009 is bevind ’n gammaflits, GRB 090423, het ’n rooiverskuiwing van 8,2, wat daarop dui dat die ster wat dit veroorsaak het, ontplof het toe die heelal net 630 miljoen jaar oud was. Die flits het sowat 13 miljard jaar gelede plaasgevind, en ’n afstand van 13 miljard ligjare is algemeen in die media genoem (of soms die meer presiese syfer 13,035 miljard ligjare), hoewel dit die "ligbewegingsafstand" is eerder as die "werklike afstand" wat gebruik word in beide die Wet van Hubble en om die grootte van die waarneembare heelal te bereken. (Die kosmoloog Ned Wright het in nuusvrystellings wat op dié blad gepubliseer is, gemaan teen die gebruik van ligbewegingsafstand; hy het onderaan die blad aanlyn sakrekenaars geplaas wat gebruik kan word om die korrekte afstand na ’n verafgeleë voorwerp te bereken in ’n plat heelal, gebaseer op óf die rooiverskuiwing z óf die ligbewegingstyd). Die regte afstand vir ’n rooiverskuiwing van 8,2 is sowat 9,2 gigaparsek, of 30 miljard ligjare. Nog ’n rekordhouer vir verafgeleë voorwerp is ’n sterrestelsel wat deur Abell 2218 gesien is en daaragter lê. Uit waarnemings met die Hubble-ruimteteleskoop is sy rooiverskuiwing vasgestel op tussen 6,6 en 7,1. Volgens die Keck-teleskope is dit sowat 7. Die stelsel se lig wat nou op die Aarde waargeneem word, het omtrent 750 miljoen jaar ná die Oerknal begin skyn.

Horisonne 
Die mate waarin ons voorwerpe in die heelal kan sien, word beperk deur ’n stel kosmologiese horisonne, gebaseer op verskeie fisieke perke. Die bekendste horison is die deeltjiehorison, wat die presiese waarnemingsafstand beperk vanweë die vasgestelde ouderdom van die heelal. Ander horisonne word verbind met die moontlike toekomstige omvang van waarneming (groter as die deeltjiehorison vanweë die uitdying van die heelal), ’n "optiese horison" by die oppervlak van laaste verstrooiing en verwante horisonne by die oppervlak van laaste verstrooiing vir neutrino's en swaartekraggolwe.

Verwysings

Nog leesstof

Skakels 
 "Forming Galaxies Captured In The Young Universe By Hubble", VLT & Spitzer
 "Animation of the cosmic light horizon"
 "Inflation and the Cosmic Microwave Background" deur Charles Lineweaver
 Logaritmiese kaarte van die heelal
 Video: The Known Universe, deur die Amerikaanse Natuurhistoriese Museum
 NASA/IPAC: "Extragalactic Database"
 "Size and age of the Universe" – by Astronoo
 "Limits to knowledge about Universe" – (Forbes; Mei 2019).

Fisiese kosmologie
Die waarneembare heelal is ’n sferiese streek van die heelal wat alle materie bevat wat tans waargeneem kan word van die Aarde af of met sy ruimtetuie en -teleskope , omdat elektromagnetiese straling van hierdie voorwerpe genoeg tyd gehad het om die Sonnestelsel en Aarde te bereik sedert die begin van die kosmiese uitdying . Daar is minstensbiljoenx 1012 ) sterrestelsels in die waarneembare ruimte . As aangeneem word die heelal is isotropies ( met dieselfde fisiese eienskappe in alle rigtings ) , is die afstand na die kant van die waarneembare heelal oral rofweg dieselfde . Dus het die waarneembare heelal ’n sferiese ( ronde ) volume , wat om die waarnemer gesentreer is . Elke plek in die heelal kan sy eie waarneembare heelal hê ( wat miskien of miskien nie oorvleuel met die een wat om die Aarde gesentreer is nie ) . Die woord " waarneembaar " in hierdie sin verwys nie na die vermoë van moderne tegnologie om lig of ander inligting van ’n voorwerp te bespeur en of daar enigiets is om te bespeur nie . Dit verwys na die fisiese perk wat deur die ligsnelheid self geskep word . Omdat geen sein vinniger as lig kan beweeg nie , kan enige voorwerp wat verder van ons af weg is as wat lig kon beweeg in die bestaan van die heelal ( geraam as sowat jaar ) eenvoudig nie bespeur word nie omdat die seine ons nog nie sou kon bereik nie . Soms onderskei astrofisici tussen die " sigbare " heelal , wat net seine insluit wat uitgestuur is sedert herkombinasie ( toe waterstofatome gevorm het uit elektrone en protone , en fotone vrygestel is ) , en die " waarneembare " heelal , wat seine insluit sedert die begin van die kosmiese uitdying ( die Oerknal in tradisionele fisiese kosmologie , of die einde van die inflasie-epog in moderne kosmologie ) . Die radius van die waarneembare heelal word tans geraam op sowat5 miljard ligjare en sy deursnee op sowatmiljard ligjare5 gigaparsek of8 × 1026 m . Die totale massa van gewone materie in die heelal kan bereken word deur die gebruik van die kritieke digtheid en die deursnee van die waarneembare heelal , en is sowat5 × 1053 kg . In Novemberhet sterrekundiges aangekondig die ekstragalaktiese agtergrondlig is× 1084 fotone . Aangesien die heelal al hoe vinniger uitdy , sal alle voorwerpe wat tans sigbaar is , eindelik lyk of hulle in tyd gevries is terwyl hulle lig al hoe rooier en dowwer sal word . Voorwerpe met ’n huidige rooiverskuiwing z vantotsal byvoorbeeld nie vir langer asmiljard jaar sigbaar wees nie . En lig wat uitgestraal word deur voorwerpe wat ver genoeg van ons af is , sal nooit die Aarde bereik nie . Heelal versus waarneembare heelal Sommige dele van die heelal is te ver weg dat die lig wat dit sedert die Oerknal uitgestraal het , die Aarde of sy ruimte-instrumente kon bereik . Dit lê dus buite die waarneembare heelal . In die toekoms sal die lig van verafgeleë sterrestelsels meer tyd gehad het om nader te beweeg , en dus sal meer streke van die heelal waarneembaar word . Vanweë die Wet van Hubble beweeg streke wat ver genoeg van die Aarde af is , egter vinniger as die ligsnelheid van ons af weg ( spesiale relatiwiteit voorkom dat nabygeleë voorwerpe in dieselfde streek vinniger as lig kan beweeg met betrekking tot mekaar , maar daar is geen perk vir verafgeleë voorwerpe as die ruimte tussen hulle uitdy nie ) . Verder lyk dit of die heelal al hoe vinniger uitdy vanweë donker energie . As ’n mens aanneem donker energie bly konstant ( ’n onveranderlike kosmologiese konstante ) sodat die heelal al hoe vinniger bly uitdy , is daar ’n " toekomstige sigbaarheidsperk " waarbuite voorwerpe nooit binne ons waarneembare horison sal kom nie omdat lig buite daardie perk nooit die Aarde sal bereik nie . Dié toekomstige sigbaarheidsperk word bereken op ’n afstand vanmiljard ligjaremiljard parsek ) , as die heelal vir ewig bly uitdy . Dit beteken die getal sterrestelsels wat ons ooit teoreties sal kan sien , is net met ’n faktor van36 groter as die getal wat ons tans kan sien . Hoewel meer sterrestelsels teoreties in die toekoms waarneembaar sal word , sal al hoe meer sterrestelsels dus uiterse rooiverskuiwing ondergaan weens die uitdying van die heelal – in so ’n mate dat dit sal lyk asof hulle uit sig verdwyn en onsigbaar word . ’n Klein uitsondering is dat ’n sterrestelsel op ’n gegewe afstand beskou word as binne die waarneembare heelal as ons seine kan ontvang wat die sterrestelsel op enige tydstip in sy verlede ( sê byvoorbeeldmiljoen jaar ná die Oerknal ) uitgestuur het , maar enige seine daarna weens die uitdying van die heelal nooit weer die Aarde sal bereik nie . Ons sal dus net kan sien hoe die sterrestelsel toe gelyk het en nie soos dit byvoorbeeldmiljard jaar ná die Oerknal gelyk het nie . Daar is geen bewyse dat die grens van die waarneembare heelal ooreenstem met dié van die heelal as ’n geheel nie , of selfs dat die heelal enigsins ’n fisiese grens het nie . Daar is egter modelle wat voorstel dat dit eindig , maar onbegrens is , soos ’n hoërdimensie-analoog van die-oppervlak van ’n sirkel wat eindig is , maar nie ’n eindpunt het nie . Dit is moontlik dat die sterrestelsels in die waarneembare heelal net ’n baie klein deel is van die stelsels in die heelal . Die teorie van kosmiese inflasie stel voor as ’n mens aanneem inflasie het sowatsekondes ná die Oerknal begin en dat die grootte van die heelal voor die inflasie min of meer gelyk was aan die ligsnelheid gemaal met sy ouderdom , beteken dit die hele heelal se radius is tans minstens1023 keer dié van die waarneembare heelalligjare ) . Daar is ook kleiner ramings , soos dat die hele heelal se volumekeer dié van die waarneembare heelal is440 miljard ligjare ) , én groter ramings , soos dat die heelal minstensmegaparsek is . As die heelal eindig maar onbegrens is , is dit ook moontlik dat dit kleiner as die waarneembare heelal is . In so ’n geval kan sterrestelsels wat ons as baie verafgeleë waarneem , eintlik duplikaatbeelde wees van nabygeleë stelsels wat gevorm is deur lig wat rondom die heelal beweeg het . Dit is moeilik om dié hipotese eksperimenteel te toets , want verskillende beelde van ’n sterrestelsel sal verskillende tydperke in sy geskiedenis wys , en dus kan die beelde baie verskillend lyk . Grootte Die afstand van die Aarde na die kant van die waarneembare heelal is sowat5 miljard ligjare26 miljard persek of4 x 1026 m ) in enige rigting . Die waarneembare heelal is dus ’n sfeer met ’n deursnee van sowatmiljard ligjare5 miljard parsek of8 x 1026 m ) . As ’n mens aanneem dat die ruimte rofweg plat is ( in die sin van ’n Euklidiese ruimte ) , stem dit ooreen met ’n volume van sowat22 × 105 gigaligjare322 × 104 gigaparsek3 of57 × 1080 m3 ) . Die syfers hier bo is afstande nou ( in kosmologiese tyd ) , nie afstande op die tyd toe die lig uitgestraal is nie . Die kosmiese mikrogolfagtergrond ( KMA ) wat ons vandag sien , is byvoorbeeld met die fotonontkoppeling uitgestraal , sowat jaar ná die Oerknal of amper8 miljard jaar gelede . Die KMA is uitgestraal deur materie wat intussen meestal sterrestelsels gevorm het , en die afstand van hierdie sterrestelsels word nou geraam opmiljard ligjare van ons af . Om die afstand van daardie materie te meet op die tyd toe die lig uitgestraal is , moet ons eers kennis neem dat as lig met ’n rooiverskuiwing van z ons tans bereik , die skaalfaktor op die tyd toe die lig aanvanklik uitgestraal is , bereken word deur : . Die rooiverskuiwing van fotonontkoppeling was na raming z = , wat impliseer die skaalfaktor op die tyd van fotonontkoppeling was \ . As die materie wat die oudste KMA-fotone uitgestraal het ’n huidige afstand vanmiljard ligjare het , sou die afstand op die tyd van ontkoppeling , toe die fotone aanvanklik uitgestraal is , dus net sowatmiljoen ligjare gewees het . Wanopvattings oor die grootte Baie sekondêre bronne het al ’n verskeidenheid verkeerde groottes van die waarneembare ruimte aangegee . Sommige syfers word hier onder genoem , met verduidelikings van waar die moontlike fout met die berekenings ingesluip het . 8 miljard ligjare Die ouderdom van die heelal word op8 miljard jaar geraam . Omdat algemeen geglo word niks kan vinniger as die ligsnelheid beweeg nie , is dit ’n algemene wanopvatting dat die radius van die waarneembare heelal daarom8 miljard ligjare moet wees . Dit sou net reg gewees het as die plat , statiese Minkowski-ruimtetyd-beskouing onder spesiale relatiwiteit korrek was . In die regte heelal is ruimtetyd op ’n manier gebuig wat ooreenstem met die uitdying van die ruimte , soos bepaal deur die Wet van Hubble . Afstande wat verkry word deur die ligsnelheid met ’n kosmologiese tydinterval te vermenigvuldig , het geen direkte fisiese betekenis nie . 8 miljard ligjare Dit word op dieselfde manier verkry as hier bo , maar gebruik ’n verkeerde ouderdom van die heelal soos in middeldeur sekere publikasies berig is . miljard ligjare Inhet Cornish et al . hierdie laagste grens aangegee vir die deursnee van hele heelal ( nie net die waarneembare deel nie ) . Hulle het hierdie laagste grens gebaseer op die geraamde huidige afstand tussen punte wat gesien kan word op teenoorgestelde kante van die kosmiese mikrogolfagtergrond ( KMA ) . As die hele heelal kleiner as hierdie sfeer was , sou lig sedert die Oerknal tyd gehad het om rondom die heelal te beweeg en veelvuldige beelde van verafgeleë punte in die KMA te skep , en dit sou as patrone van herhalende sirkels vertoon het . Cornish et al . het vir so ’n effek gesoek tot op ’n grootte vangigaparsekmiljard ligjare ) en kon dit nie kry nie . Hulle het voorgestel dat as hulle hulle soektog na alle moontlike oriëntasies kon uitbrei , hulle " in staat sou wees om die moontlikheid uit te sluit dat ons in ’n heelal van kleiner asgigaparsek in deursnee woon " . Hulle het ook bereken dat hulle met KMA-kaarte met " minder geruis en ’n hoër resolusie in staat sal wees om na kleiner sirkels te soek en die grens te vergroot totgigaparsek . " Hierdie raming wat met toekomstige waarnemings bepaal kan word , lei tot ’n radius vangigaparsek , of sowatmiljard ligjare , omtrent dieselfde as die radius van die waarneembare ruimte wat in die inleiding gegee word ( waarvan die radius deur die KMA-sfeer gededinieer word ) . In ’n herdruk indeur feitlik dieselfde skrywers is die huidige laagste grens verander na ’n deursnee van5% van dié van die KMA-sfeer , of sowatgigaparsek . miljard ligjare Hierdie syfer vir die deursnee is gekry deur diemiljard ligjare hier bo te verdubbel omdat geglo is dit is ’n radius . Maarmiljard ligjare is reeds ’n deursnee , soos Cornish et al . in hulle oorspronklike geskrif gesê het . Dié verdubbeling is dus verkeerd , maar dit is algemeen herhaal . miljard ligjare Dié raming kombineer die verkeerde syfermiljard ligjare met bewyse dat die sterrestelsel M33 eintlik verder is as vorige ramings en dat die Hubble-konstante dus kleiner is ; dus is by diemiljard ligjare gevoeg . Grootskaalse struktuur Lugopnames en karterings van die verskeie golflengtebande van elektromagnetiese straling het baie inligting verskaf oor die inhoud en eienskappe van die heelal se struktuur . Die organisering van die struktuur volg oënskynlik ’n hiërargiese model , tot by die skaal van superswerms en filamente . Op groter skale , tussen sowatenmiljoen ligjareenmiljoen parsek ) , is daar blykbaar geen struktuur nie , ’n verskynsel wat al die " einde van grootheid " genoem is . Mure , filamente , knooppunte en superholtes Die organisering van strukture begin waarskynlik by sterre , hoewel die meeste kosmoloë selde op daardie vlak na astrofisika kyk . Sterre word georganiseer in sterrestelsels , wat weer sterrestelselswerms , superswerms , mure en filamente vorm . Hulle word verbind deur enorme leemtes , of superholtes , en dit vorm ’n groot skuimagtige struktuur wat soms die " kosmiese web " genoem word . Vooris algemeen aanvaar dat sterrestelselswerms die grootste strukture is wat bestaan , en dat hulle min of meer egalig in alle rigtings versprei is . Sedert die vroeës is egter al hoe meer strukture ontdek . Inhet Adrian Webster die Webster-GKG , ’n groot kwasargroep , geïdentifiseer wat uit vyf kwasars bestaan . Dit was die eerste ontdekking van ’n grootskaalse struktuur en het ons kennis van die groepering van materie in die heelal geweldig uitgebrei . Inhet Robert Brent Tully die Pisces-Cetus-superswermkompleks geïdentifiseer ; dit is die galaktiese filament waarin die Melkweg geleë is en is sowat ’n miljard ligjare breed . In dieselfde jaar is ’n buitengewoon groot streek ontdek met ’n heelwat minder digte verspreiding van sterrestelsels as gewoonlik : die Reusesuperholte van3 miljard ligjare breed . Gebaseer op data van rooiverskuiwingsopnames , het Margaret Geller en John Huchra indie Groot Muur ontdek ; dit is ’n plaat sterrestelsels van meer asmiljoen ligjare lank enmiljoen ligjare breed , maar netmiljoen ligjare dik . Die bestaan van dié struktuur het so lank onontdek gebly omdat dit die bepaling van die posisie van sterrestelsels in drie dimensies verg , en dit verg weer die kombinasie van dié inligting met afstandsinligting van rooiverskuiwings . Twee jaar later het die sterrekundiges Roger G . Clowes en Luis E . Campusano die Clowes-Campusano-GKG ontdek – ’n groot kwasargroep wat by sy breedste puntmiljard ligjare is . Dit was in dié tyd die grootste bekende struktuur in die heelal . In Aprilis nog ’n grootskaalse struktuur ontdek : die Groot Muur van Sloan . In Augustusis ’n moontlike superholte waargeneem in die sterrebeeld Eridanus . Dit stem ooreen met die " KMA - koue kol " , ’n koue streek in die mikrogolflug wat hoogs onwaarskynlik is in die kosmologiese model wat tans verkies word . Dié superholte kan die koue kol veroorsaak , maar dan sou dit onmoontlik groot moes wees – moontlik ’n miljard ligjare breed , amper so groot soos die Reusesuperholte wat hier bo genoem is . Inis ’n groot kwasargroep , U1.11 , ontdek wat sowat5 miljard ligjare breed is . OpJanuarieis nog ’n groot kwasargroep , U1.27 , ontdek watmiljard ligjare breed is . Dit was toe die grootste bekende struktuur in die heelal . In Novemberhet sterrekundiges die Groot Muur in Hercules-Corona Borealis ontdek . Dit is amper twee keer so groot as die vorige muur en is gedefinieer deur die kartering van gammaflitse . Waarnemings Nog ’n aanduiding van grootskaalse strukture is die Lyman-alfawoud . Dit is ’n versameling absorpsielyne wat voorkom in die spektra van die lig van kwasars , wat vertolk word as ’n aanduiding van die bestaan van groot , dun plate intergalaktiese gas ( hoofsaaklik waterstof ) . Dit lyk of hierdie plate verband hou met die vorming van sterrestelsels . Versigtigheid moet aan die dag gelê word in die beskrywing van strukture op ’n kosmiese skaal , want dinge is dikwels anders as wat hulle lyk . Gravitasielense ( die buig van lig deur swaartekrag ) kan ’n voorwerp laat lyk of dit in ’n ander rigting lê as wat werklik die geval is . Dit gebeur wanneer voorwerpe op die voorgrond ( soos sterrestelsels ) die omringende ruimtetyd vervorm ( soos voorspel deur algemene relatiwiteit ) en verbygaande ligstrale wegbuig . Dit is soms nuttig , want sterk gravitasielense kan soms verafgeleë sterrestelsels vergoot en makliker maak om op te spoor . Die vorming van swak lense deur die heelal in die algemeen verander ook die waargenome grootskaalse strukture effens . Die grootskaalse struktuur van die heelal lyk ook anders as ’n mens net rooiverskuiwing gebruik om afstande na sterrestelsels te meet . So word sterrestelsels agter ’n sterrestelselswerm daardeur aangetrek , en dit beweeg dus in die rigting daarvan – daarom het dit ’n effense blouverskuiwing ( in vergelyking met hoe hulle sou gelyk het as daar geen swerm naby was nie ) . Aan die naaste kant is ’n effense rooiverskuiwing . Die omgewing van die swerm lyk dus effens inmekaargedruk as rooiverskuiwing gebruik word om die afstand te meet . Die teenoorgestelde effek word verkry van sterrestelsels wat reeds in die swerm is : Die sterrestelsels beweeg effens lukraak om die middel van die swerm en wanneer hierdie lukrake bewegings in rooiverskuiwings omgeskakel word , lyk die swerm uitgerek : Dit veroorsaak ’n lang ketting sterrestelsels wat in die rigting van die Aarde wys . Kosmografie van die Aarde se omgewing In die middel van die Hydra-Centaurus-superswerm beïnvloed ’n gravitasieafwyking , wat die Groot Aantrekker genoem word , die beweging van sterrestelsels in ’n streek van honderdmiljoene ligjare breed . Hierdie sterrestelsels het almal ’n rooiverskuiwing , in ooreenstemming met die Wet van Hubble . Dit beteken hulle beweeg weg van ons en van mekaar , maar die wisselings in hulle rooiverskuiwing is groot genoeg om op die bestaan te dui van ’n konsentrasie massa gelyk aan tienduisende sterrestelsels . Die Groot Aantrekker , wat inontdek is , lê tussenmiljoen enmiljoen ligjare in die rigting van die sterrebeelde Noordelike Waterslang en Sentour . In die omgewing daarvan is ’n oormag van groot , ou sterrestelsels , waarvan baie teen hulle bure bots of groot hoeveelhede radiogolwe uitstraal . Toe R . Brent Tully indie Pisces-Cetus-superswermkompleks identifiseer , het hy beweer die Plaaslike Superswerm lê daarin . Massa van gewone materie Die massa van die waarneembare heelal word dikwels aangegee aston ofkg . In dié sin verwys massa na gewone materie en sluit dit die intergallaktiese en interstellêre medium in . Dit sluit egter donker materie en donker energie uit . Hierdie waarde vir die massa van gewone materie in die heelal kan bereken word gebaseer op kritieke digtheid . Dit geld net vir die waarneembare heelal , want die volume van die hele heelal is onbekend en kan oneindig wees . Ramings gebaseer op kritieke digtheid Kritieke digtheid is die energiedigtheid waarvoor die heelal plat is . As daar geen donker energie is nie , is dit ook die digtheid waarvoor die uitdying van die heelal gebalanseerd is tussen voortdurende uitdying en verval . Volgens die Friedmann-vergelykings is die waarde vir , kritieke digtheid : waar G die swaartekragkonstante is en H = H0 die huidige waarde van die Hubble-konstante . Die waarde vir H0 volgens die Europese Ruimteagentskap se Planck-teleskoop is H0 =15 kilometer per sekonde per megaparsek . Dit gee ’n kritieke digtheid van ( algemeen genoemwaterstofatome per kubieke meter ) . Hierdie digtheid sluit vier belangrike soorte energie/massa in : gewone materie8% ) , neutrino's1% ) , koue donker materie8% ) en donker energie3% ) . Hoewel neutrino's Standaardmodeldeeltjies is , word hulle apart gelys omdat hulle ultrarelativisties is en dus soos straling optree eerder as materie . Die digtheid van gewone materie , soos deur Planck gemeet , is8% van die totale kritieke digtheid , of \ . Om hierdie dightheid in massa om te reken , moet ’n mens vermenigvuldig met volume , ’n waarde gebaseer op die radius van die waarneembare heelal . Omdat die heelal8 miljard jaar lank uitgedy het , is die radius nou sowat6 miljard ligjare . Volume ( πr3 ) is dus gelyk aan en die massa van gewone materie is gelyk aan dightheid ( ) vermenigvuldig met volume ( ) of \ . Materie-inhoud – getal atome As ’n mens aanneem dat die massa van gewone materie sowat is , soos hier bo bespreek , en dat alle atome waterstofatome is ( wat sowat van alle atome in die Melkweg volgens massa uitmaak ) kan die geraamde totaal van atome in die waarneembare heelal bereken word deur die massa van gewone materie te deel deur die massa van ’n waterstofatoom ( gedeel deur ) . Die resultaat is sowatwaterstofatome , wat ook bekend is as die Eddington-getal . Verste voorwerpe Inwas die verste ruimtevoorwerp wat al ontdek is ’n sterrestelsel wat as GN-z11 geklassifiseer word . Inis bevind ’n gammaflits , GRB 090423 , het ’n rooiverskuiwing van2 , wat daarop dui dat die ster wat dit veroorsaak het , ontplof het toe die heelal netmiljoen jaar oud was . Die flits het sowatmiljard jaar gelede plaasgevind , en ’n afstand vanmiljard ligjare is algemeen in die media genoem ( of soms die meer presiese syfer035 miljard ligjare ) , hoewel dit die " ligbewegingsafstand " is eerder as die " werklike afstand " wat gebruik word in beide die Wet van Hubble en om die grootte van die waarneembare heelal te bereken . ( Die kosmoloog Ned Wright het in nuusvrystellings wat op dié blad gepubliseer is , gemaan teen die gebruik van ligbewegingsafstand ; hy het onderaan die blad aanlyn sakrekenaars geplaas wat gebruik kan word om die korrekte afstand na ’n verafgeleë voorwerp te bereken in ’n plat heelal , gebaseer op óf die rooiverskuiwing z óf die ligbewegingstyd ) . Die regte afstand vir ’n rooiverskuiwing van2 is sowat2 gigaparsek , ofmiljard ligjare . Nog ’n rekordhouer vir verafgeleë voorwerp is ’n sterrestelsel wat deur Abellgesien is en daaragter lê . Uit waarnemings met die Hubble-ruimteteleskoop is sy rooiverskuiwing vasgestel op tussen6 en1 . Volgens die Keck-teleskope is dit sowat Die stelsel se lig wat nou op die Aarde waargeneem word , het omtrentmiljoen jaar ná die Oerknal begin skyn . Horisonne Die mate waarin ons voorwerpe in die heelal kan sien , word beperk deur ’n stel kosmologiese horisonne , gebaseer op verskeie fisieke perke . Die bekendste horison is die deeltjiehorison , wat die presiese waarnemingsafstand beperk vanweë die vasgestelde ouderdom van die heelal . Ander horisonne word verbind met die moontlike toekomstige omvang van waarneming ( groter as die deeltjiehorison vanweë die uitdying van die heelal ) , ’n " optiese horison " by die oppervlak van laaste verstrooiing en verwante horisonne by die oppervlak van laaste verstrooiing vir neutrino's en swaartekraggolwe . Verwysings Nog leesstof Skakels " Forming Galaxies Captured In The Young Universe By Hubble " , VLT & Spitzer " Animation of the cosmic light horizon " " Inflation and the Cosmic Microwave Background " deur Charles Lineweaver Logaritmiese kaarte van die heelal Video : The Known Universe , deur die Amerikaanse Natuurhistoriese Museum NASA/IPAC : " Extragalactic Database " " Size and age of the Universe " – by Astronoo " Limits to knowledge about Universe " – ( Forbes ; Mei Fisiese kosmologie