Universums sammansättning

Universumet är en enorm och fascinerande plats. När astronomer överväger vad det är gjorda av kan de peka mest direkt på de miljarder galaxer den innehåller. Var och en av dessa har miljoner eller miljarder eller till och med biljoner stjärnor. Många av dessa stjärnor har planeter. Det finns också moln med gas och damm. 

Mellan galaxerna, där det verkar att det skulle vara mycket lite "grejer", finns moln med heta gaser på vissa ställen, medan andra regioner nästan är tomma tomrum. Allt som är material som kan upptäckas. Så, hur svårt kan det vara att titta ut i kosmos och med rimlig noggrannhet uppskatta mängden ljusmassa (materialet vi kan se) i universumet med radio, infraröd och röntgenstronomi?

Upptäcka kosmiska "grejer"

Nu när astronomer har mycket känsliga detektorer gör de stora framsteg när det gäller att räkna ut universumets massa och vad som utgör den massan. Men det är inte problemet. Svaren de får är inte vettiga. Är deras metod för att lägga till massan fel (inte troligt) eller finns det något annat där ute; något annat som de inte kan ser? För att förstå svårigheterna är det viktigt att förstå universumets massa och hur astronomer mäter den.

Mätning av kosmisk massa

En av de största bevisen för universumets massa är något som kallas den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB). Det är inte en fysisk "barriär" eller något liknande. Istället är det ett tillstånd i det tidiga universum som kan mätas med mikrovågsdetektorer. CMB går tillbaka kort efter Big Bang och är faktiskt universumets bakgrundstemperatur. Tänk på det som värme som kan detekteras i hela kosmos lika från alla håll. Det är inte precis som värmen som kommer från solen eller som strålar från en planet. Istället är det en mycket låg temperatur mätt vid 2,7 grader K. När astronomer går för att mäta denna temperatur ser de små men viktiga fluktuationer spridda över denna "värme" i bakgrunden. Men det faktum att det finns betyder att universum i huvudsak är "platt". Det betyder att det kommer att expandera för alltid.

Så, vad betyder den planheten för att räkna ut universumets massa? I grund och botten, med tanke på universums uppmätta storlek, betyder det att det måste finnas tillräckligt med massa och energi närvarande i det för att göra det "platt". Problemet? När astronomer lägger till allt "normalt" ämne (till exempel stjärnor och galaxer, plus gasen i universum, är det bara cirka 5% av den kritiska tätheten som ett platt universum behöver för att förbli platt.

Det betyder att 95 procent av universum ännu inte har upptäckts. Den är där, men vad är det? Var är det? Forskare säger att det finns som mörk materia och mörk energi. 

Universums sammansättning

Den massa som vi kan se kallas "baryonisk" materia. Det är planeterna, galaxerna, gasmoln och kluster. Massan som inte kan ses kallas mörk materia. Det finns också energi (ljus) som kan mätas; intressant, det finns också den så kallade "mörk energi." och ingen har en mycket bra uppfattning om vad det är. 

Så, vad utgör universum och i vilka procentsatser? Här är en fördelning av de nuvarande massförhållandena i universum.

Tunga element i kosmos

Först är det de tunga elementen. De utgör ungefär ~ 0,03% av universum. Under nästan en halv miljard år efter universums födelse var de enda element som fanns väte och helium. De är inte tunga.

Men efter att stjärnor föddes, levde och dog, började universum frö med element tyngre än väte och helium som "kokades upp" inuti stjärnor. Det händer när stjärnor smälter väte (eller andra element) i sina kärnor. Stardeath sprider alla dessa element till rymden genom planetnebulor eller supernovaexplosioner. När de är spridda ut i rymden. de är främsta material för att bygga de kommande generationerna av stjärnor och planeter. 

Detta är dock en långsam process. Till och med nästan 14 miljarder år efter skapandet består den bara en liten del av universumets massa av element som är tyngre än helium..

neutriner

Neutrinoer är också en del av universum, även om endast cirka 0,3 procent av det. Dessa skapas under kärnfusionsprocessen i kärnorna i stjärnor, neutrino är nästan masslösa partiklar som rör sig nästan med ljusets hastighet. Tillsammans med sin brist på laddning betyder deras små massor att de inte interagerar lätt med massan förutom för en direkt påverkan på en kärna. Att mäta neutrino är inte en lätt uppgift. Men det har gjort det möjligt för forskare att få bra uppskattningar av kärnfusionsgraden för vår sol och andra stjärnor, liksom en uppskattning av den totala neutrinopopulationen i universum.

stjärnor

När stargazers tittar ut på natthimlen är det mest av stjärnorna stjärnor. De utgör ungefär 0,4 procent av universum. Men när människor tittar på det synliga ljuset som kommer från andra galaxer till och med, är det mesta av det de ser stjärnor. Det verkar konstigt att de bara utgör en liten del av universum. 

gaser

Så, vad är mer, rikligt än stjärnor och neutrino? Det visar sig att gaser, med fyra procent, utgör en mycket större del av kosmos. De upptar vanligtvis utrymmet mellan stjärnor, och för den delen, utrymmet mellan hela galaxer. Interstellär gas, som oftast bara är fritt elementärt väte och helium, utgör det mesta av massan i universum som kan mätas direkt. Dessa gaser detekteras med hjälp av instrument som är känsliga för radio-, infraröd- och röntgenvåglängder.

Mörk materia

Universums näst mest överflödiga "grejer" är något som ingen har sett på annat sätt. Ändå utgör det cirka 22 procent av universum. Forskare som analyserade galaxernas rörelse (rotation), såväl som växelverkan mellan galaxer i galaxkluster, fann att all gas och damm som finns närvarande inte räcker för att förklara galaxernas utseende och rörelser. Det visar sig att 80 procent av massan i dessa galaxer måste vara "mörk". Det är, det är inte detekterbart i några ljusets våglängd, radio genom gammastrålning. Det är därför dessa "grejer" kallas "mörk materia". 

Identiteten på denna mystiska massa? Okänd. Den bästa kandidaten är kall mörk substans, som teoretiseras för att vara en partikel som liknar en neutrino, men med en mycket större massa. Man tror att dessa partiklar, ofta kända som svagt växelverkande massiva partiklar (WIMP), uppstod av termiska interaktioner i tidiga galaxformationer. Men ännu har vi inte kunnat upptäcka mörkt material, direkt eller indirekt, eller skapa det i ett laboratorium.

Mörk energi

Universumets mest omfattande massa är inte mörk materia eller stjärnor eller galaxer eller moln med gas och damm. Det är något som kallas "mörk energi" och utgör 73 procent av universum. I själva verket är mörk energi inte (troligt) ens massiv alls. Vilket gör dess kategorisering av "massa" något förvirrande. Så vad är det? Eventuellt är det en mycket konstig egenskap i rymdtiden själv, eller kanske till och med ett oförklarat (hittills) energifält som genomsyrar hela universum. Eller det är ingen av dessa saker. Ingen vet. Endast tid och mycket och mycket mer information kommer att berätta.

Redigerad och uppdaterad av Carolyn Collins Petersen.