Es ist kein Geheimnis, dass das Universum ein extrem großer Ort ist. Das, was wir beobachten können (auch bekannt als „das bekannte Universum“), wird auf ungefähr 93 Milliarden Lichtjahre geschätzt. Das ist eine ziemlich beeindruckende Zahl, besonders wenn man bedenkt, dass es sich nur um das handelt, was wir bisher beobachtet haben. Und angesichts des schieren Volumens dieses Raums würde man erwarten, dass die darin enthaltene Materiemenge ähnlich beeindruckend wäre.
Aber interessanterweise werden die Zahlen am verblüffendsten, wenn man sich diese Angelegenheit auf der kleinsten Skala ansieht. Es wird beispielsweise angenommen, dass in unserem beobachtbaren Universum zwischen 120 und 300 Sextillionen (das sind 1,2 x 10²³ bis 3,0 x 10²³) Sterne existieren. Aber bei näherer Betrachtung auf der atomaren Skala werden die Zahlen noch unvorstellbarer.
Auf dieser Ebene wird geschätzt, dass es zwischen 1078bis 1082Atome im bekannten, beobachtbaren Universum. Für Laien bedeutet das zwischen zehn Billiarden Viginillionen und einhunderttausend Billiarden Vigintillionen Atomen.
Und doch spiegeln diese Zahlen nicht genau wider, wie viel Materie das Universum wirklich beherbergen kann. Wie bereits erwähnt, berücksichtigt diese Schätzung nur die beobachtbares Universum die in jede Richtung 46 Milliarden Lichtjahre erreicht und darauf basiert, wohin die Ausdehnung des Weltraums die am weitesten entfernten beobachteten Objekte geführt hat.
Die Geschichte des Universums beginnt mit dem Urknall. Bildnachweis: grandunificationtheory.com
Während ein Deutscher Supercomputer führte kürzlich eine Simulation durch und schätzte, dass etwa 500 Milliarden Galaxien im Beobachtungsbereich existieren, eine konservativere Schätzung beläuft sich auf etwa 300 Milliarden. Da die Anzahl der Sterne in einer Galaxie bis zu 400 Milliarden betragen kann, kann die Gesamtzahl der Sterne sehr gut 1,2×10 . betragen23– oder etwas mehr als 100 Sextillionen.
Im Durchschnitt kann jeder Stern etwa 10 . wiegen35Gramm. Somit wäre die Gesamtmasse etwa 1058Gramm (das sind 1,0 x 1052Tonnen). Da jedes Gramm Materie bekanntermaßen etwa 1024Protonen, oder ungefähr gleich viele Wasserstoffatome (da ein Wasserstoffatom nur ein Proton hat), dann wäre die Gesamtzahl der Wasserstoffatome ungefähr1086– aka. einhunderttausend Billiarden Vigintillionen.
Innerhalb dieses beobachtbaren Universums ist diese Materie homogen im ganzen Weltraum verteilt, zumindest im Mittel über Entfernungen von mehr als 300 Millionen Lichtjahren. Auf kleineren Skalen wird jedoch beobachtet, dass sich Materie zu den Klumpen hierarchisch organisierter leuchtender Materie formt, die wir alle kennen.
Kurz gesagt, die meisten Atome sind zu Sternen kondensiert, die meisten Sterne zu Galaxien, die meisten Galaxien zu Haufen, die meisten Haufen zu Superhaufen und schließlich zu den größten Strukturen wie der Großen Mauer der Galaxien (auch bekannt als die Sloan Große Mauer ). In kleinerem Maßstab werden diese Klumpen von Wolken aus Staubpartikeln, Gaswolken, Asteroiden und anderen kleinen Klumpen stellarer Materie durchdrungen.
Darstellung der Zeitachse des Universums über 13,7 Milliarden Jahre und der anschließenden Expansion im Universum. Bildnachweis: NASA/WMAP-Wissenschaftsteam.
Auch die beobachtbare Materie des Universums ist isotrop verteilt; Das heißt, keine Beobachtungsrichtung scheint sich von der anderen zu unterscheiden und jede Himmelsregion hat ungefähr den gleichen Inhalt. Das Universum wird auch in eine Welle stark isotroper Mikrowellenstrahlung getaucht, die einem thermischen Gleichgewicht von ungefähr 2,725 Kelvin (knapp über ) entspricht Absoluter Nullpunkt ).
Die Hypothese, dass das großräumige Universum homogen und isotrop ist, wird als kosmologisches Prinzip . Diese besagt, dass physikalische Gesetze im gesamten Universum gleichförmig wirken und daher keine beobachtbaren Unregelmäßigkeiten in der großräumigen Struktur erzeugen sollten. Diese Theorie wurde durch astronomische Beobachtungen untermauert, die dazu beigetragen haben, die Entwicklung der Struktur des Universums zu kartieren, seit es ursprünglich von den Urknall .
Der derzeitige Konsens unter Wissenschaftlern ist, dass die überwiegende Mehrheit der Materie bei diesem Ereignis entstanden ist und dass die Expansion des Universums seitdem keine neue Materie in die Gleichung aufgenommen hat. Es wird vielmehr angenommen, dass das, was in den letzten 13,7 Milliarden Jahren stattgefunden hat, einfach eine Ausdehnung oder Zerstreuung der ursprünglich geschaffenen Massen war. Das heißt, während dieser Erweiterung wurde keine Menge an Materie hinzugefügt, die am Anfang nicht vorhanden war.
Einsteins Äquivalenz von Masse und Energie stellt jedoch eine leichte Komplikation dieser Theorie dar. Dies ist eine Folge aus Spezielle Relativität , bei der die Energiezufuhr zu einem Objekt seine Masse schrittweise erhöht. Zwischen all den Fusionen und Spaltungen werden Atome regelmäßig von Teilchen in Energien und wieder zurück umgewandelt.
Die Atomdichte ist links (Beginn des Experiments) größer als 80 Millisekunden nach dem simulierten Urknall. Bildnachweis: Chen-Lung Hung
Dennoch bleibt die gesamte Materiedichte des Universums, großräumig beobachtet, über die Zeit gleich. Die gegenwärtige Dichte des beobachtbaren Universums wird als sehr gering eingeschätzt – ungefähr 9,9 × 10-30Gramm pro Kubikzentimeter. Diese Massenenergie scheint aus 68,3% dunkler Energie, 26,8% dunkler Materie und nur 4,9% gewöhnlicher (leuchtender) Materie zu bestehen. Somit liegt die Dichte der Atome in der Größenordnung eines einzelnen Wasserstoffatoms pro vier Kubikmeter Volumen.
Die Eigenschaften von Dunkler Energie und Dunkler Materie sind weitgehend unbekannt und könnten wie normale Materie gleichmäßig verteilt oder in Klumpen organisiert sein. Es wird jedoch angenommen, dass Dunkle Materie wie gewöhnliche Materie gravitiert und somit die Expansion des Universums verlangsamt. Im Gegensatz dazu beschleunigt dunkle Energie ihre Expansion.
Auch diese Zahl ist nur eine grobe Schätzung. Wenn es zur Schätzung der Gesamtmasse des Universums verwendet wird, bleibt es oft hinter dem zurück, was andere Schätzungen vorhersagen. Und am Ende sehen wir nur einen kleinen Bruchteil des Ganzen.
Wir haben hier in Universe Today viele Artikel über die Menge an Materie im Universum, wie zum Beispiel Wie viele Galaxien im Universum , und Wie viele Sterne gibt es in der Milchstraße?
Die NASA hat auch die folgenden Artikel über das Universum, wie Wie viele Galaxien gibt es? und dieser Artikel über die Sterne in unserer Galaxie .
Wir haben auch Podcast-Episoden von Astronomy Cast zum Thema Galaxien und Variable Sterne .
