Nie je žiadnym tajomstvom, že vesmír je nesmierne obrovské miesto. A vzhľadom na obrovský objem tohto priestoru by sa dalo očakávať, že množstvo hmoty obsiahnutej v ňom bude podobne pôsobivé.
Ale zaujímavé je, že keď sa pozriete na to podstatné na najmenších mierkach, čísla sa stanú najviac ohromujúcimi. Napríklad sa predpokladá, že v našom pozorovateľnom vesmíre existuje medzi 120 až 300 sextiliónmi (tj. 1,2 x 10²³ až 3,0 x 10²³). Ak sa však pozrieme bližšie, v atómovej mierke sú čísla ešte nepredstaviteľné.
Na tejto úrovni sa odhaduje, že je medzi 1078 do 1082 atómy v známom pozorovateľnom vesmíre. Z pohľadu laikov to funguje medzi desiatimi kvadriliónmi vigintiliónov a sto tisícmi kvadriliónmi vigintiliónov.
A predsa tieto čísla presne neodrážajú, koľko hmoty môže vesmír skutočne ubytovať. Ako už bolo uvedené, tento odhad predstavuje iba pozorovateľný vesmír, ktorý dosahuje v každom smere 46 miliárd svetelných rokov a je založený na tom, kde expanzia vesmíru zabrala najviac pozorované objekty.
Zatiaľ čo nemecký superpočítač nedávno vykonal simuláciu a odhadoval, že v dosahu pozorovania existuje okolo 500 miliárd galaxií, konzervatívnejší odhad však tento počet odhaduje na približne 300 miliárd. Keďže počet hviezd v galaxii môže dosiahnuť až 400 miliárd, celkový počet hviezd sa môže veľmi dobre pohybovať okolo 1,2 × 1023 - alebo niečo vyše 100 sextiliónov.
Priemerne môže každá hviezda vážiť asi 1035 gramov. Celková hmotnosť by teda bola asi 1058 gramov (to je 1,0 x 1052 metrické tony). Pretože je známe, že každý gram hmoty má asi 1024 protóny alebo približne rovnaký počet atómov vodíka (pretože jeden atóm vodíka má iba jeden protón), potom by celkový počet atómov vodíka bol zhruba 1086 - aka. sto tisíc kvadriliónov vigintiliónov.
V tomto pozorovateľnom vesmíre sa táto hmota šíri homogénne v celom vesmíre, aspoň keď je spriemerovaná na vzdialenosti dlhšie ako 300 miliónov svetelných rokov. V menších mierkach sa však pozoruje, že sa hmota tvorí do zhlukov hierarchicky usporiadanej svetelnej hmoty, s ktorou všetci dobre vieme.
Stručne povedané, väčšina atómov je kondenzovaná do hviezd, väčšina hviezd je kondenzovaná do galaxií, väčšina galaxií do zhlukov, väčšina zhlukov do superklastrov a nakoniec do štruktúr najväčšieho rozsahu, ako je Veľká múr galaxií (aka. Sloanská veľká múr). , V menšom merítku sú tieto zhluky prenikané oblakmi prachových častíc, oblakmi plynov, asteroidmi a inými malými zhlukami hviezdnej hmoty.
Pozorovateľná hmota Vesmíru je tiež šírená izotropne; čo znamená, že žiadny smer pozorovania sa nejaví inak ako každý iný a každá oblasť oblohy má zhruba rovnaký obsah. Vesmír je tiež vykúpaný vo vlne vysoko izotropného mikrovlnného žiarenia, ktoré zodpovedá tepelnej rovnováhe zhruba 2,725 kelvin (tesne nad absolútnou nulovou hodnotou).
Hypotéza, že vesmír vo veľkom meradle je homogénny a izotropný, sa nazýva kozmologický princíp. Uvádza sa v ňom, že fyzikálne zákony konajú jednotne v celom vesmíre, a preto by nemali spôsobiť žiadne pozorovateľné nezrovnalosti v rozsiahlej štruktúre. Táto teória bola podporená astronomickými pozorovaniami, ktoré pomohli zmapovať vývoj štruktúry vesmíru, odkedy bol pôvodne stanovený Veľkým treskom.
Súčasný konsenzus medzi vedcami je taký, že veľká väčšina hmoty bola vytvorená v tomto prípade a že expanzia vesmíru nepriniesla do rovnice novú látku. Skôr sa verí, že to, čo sa deje za posledných 13,7 miliárd rokov, bolo jednoducho rozšírenie alebo rozptýlenie pôvodne vytvorených mas. To znamená, že počas tohto rozšírenia nebolo pridané žiadne množstvo hmoty, ktoré na začiatku nebolo.
Einsteinova ekvivalencia hmoty a energie však predstavuje malú komplikáciu tejto teórie. Toto je dôsledok vyplývajúci zo špeciálnej relativity, v ktorej pridanie energie k objektu zvyšuje jeho hmotnosť postupne. Medzi všetkými fúziami a štiepeniami sa atómy pravidelne premieňajú z častíc na energie a späť.
Avšak pozorované vo veľkom meradle, celková hustota hmoty vesmíru zostáva v priebehu času rovnaká. Súčasná hustota pozorovateľného vesmíru sa odhaduje na veľmi nízku - zhruba 9,9 × 1030 gramov na kubický centimeter. Zdá sa, že táto hmotnostná energia pozostáva z 68,3% tmavej energie, 26,8% tmavej hmoty a iba 4,9% obyčajnej (svetelnej) hmoty. Hustota atómov je teda rádovo jeden atóm vodíka na každé štyri kubické metre objemu.
Vlastnosti temnej energie a temnej hmoty sú do značnej miery neznáme a mohli by byť rovnomerne rozložené alebo usporiadané do zhlukov ako normálna hmota. Predpokladá sa však, že temná hmota gravituje ako obyčajná hmota, a tak sa snaží spomaliť rozširovanie vesmíru. Naopak, temná energia urýchľuje jej expanziu.
Toto číslo je opäť len približným odhadom. Keď sa používa na odhad celkovej hmotnosti vesmíru, často nedosahuje očakávania ostatných odhadov. A nakoniec to, čo vidíme, je len zlomok celku.
Máme tu veľa článkov, ktoré súvisia s množstvom hmoty vo vesmíre tu v časopise Space Magazine, napríklad Koľko galaxií vo vesmíre a Koľko hviezd je v Mliečnej dráhe?
NASA má tiež nasledujúce články o vesmíre, napríklad Koľko galaxií existuje? a tento článok o Hviezdach v našej galaxii.
Máme tiež epizódy podcastov z Astronomy Cast na tému Galaxie a Variabilné hviezdy.
