Frage:
Teil des Universums sichtbar, wenn ein Bild aus der Inflationsepoche gesammelt wird
Michael James
2018-05-14 00:09:17 UTC
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Ich entschuldige mich im Voraus für meine übermäßige Exposition gegenüber der Popwissenschaft. Ich möchte ein Teleskop vorschlagen, das leistungsstark genug ist, um Bilder von 10 bis 32 Sekunden nach dem „Urknall“ oder nach dem Ende der Inflationsepoche zu sammeln. Mit Licht aus dem Universum, das einen Durchmesser von ungefähr 10 Litern hat, und der Ausdehnung auf unsere aktuelle Größe würde ich nur den kleinsten Teil des Lichts von vor so langer Zeit mit einem Teleskop sehen, das so weit weg schaut.

Angenommen, mein Teleskop hat ein identisches Sichtfeld wie das Hubble-Weltraumteleskop. Welchen Anteil des Gesamtvolumens des Universums am Ende der Inflationsepoche würde ich tatsächlich betrachten?

Einer antworten:
#1
+11
pela
2018-05-14 02:13:28 UTC
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tl; dr : Ihr Sichtfeld würde zu diesem Zeitpunkt ungefähr einen Quadratzentimeter des Himmels bedecken, und Sie würden ungefähr 50 Milliardstel des beobachtbaren Universums beobachten.


Sie können nicht wirklich ...

Mit Photonen werden Sie nie weiter zurückblicken können als bis zur Rekombination, als das Universum 380.000 Jahre alt war, denn bis dahin Die erzeugten freien Elektronen sind strahlungsundurchlässig.

Mit Neutrinos können Sie (im Prinzip) bis zu 1 Sekunde nach dem Urknall zurückblicken, aber um bis zur Inflation zurück zu "sehen", werden Sie es wahrscheinlich tun brauche Gravitationswellen.

… aber nehmen wir an, Sie können es trotzdem

Wie auch immer, lassen Sie uns ein Gedankenexperiment durchführen und davon ausgehen, dass Sie ein RLT (Lächerlich großes Teleskop) mit einem Sichtfeld haben ( FoV) des HST. Welchen Teil des Universums können Sie sehen? Die Antwort könnte Sie überraschen:

Je weiter ein Objekt von Ihnen entfernt ist, desto kleiner ist der Winkel, den es am Himmel überspannt, d. H. Je kleiner es aussieht. Dies gilt für Vögel und Planeten und sogar für die nächsten Galaxien. Für entfernte Galaxien wirkt jedoch ein seltsamer Effekt dem entgegen: Aufgrund von 1) der endlichen Lichtgeschwindigkeit und 2) der Ausdehnung des Universums waren entfernte Galaxien näher bei Ihnen, als sie das Licht emittierten, das Sie heute sehen, und überspannten daher einen größeren Winkel . Wenn Sie also Galaxien gleicher physikalischer Größe vergleichen, sehen sie immer kleiner aus, bis etwa 15 Glyr (Giga-Lichtjahre), danach sehen sie immer größer aus.

Das Hubble Ultra Deep Field hat FoV von 2,8 mal 2,5 Bogenminuten. Die Region des Universums, die dieses FoV überspannt, ist somit in einer Entfernung von 15 Glyr am größten, wo sie 4,8 $ mal 4,3 \, \ mathrm {Mlyr} ^ 2 $ (d. H. Quadrat-Mega-Lichtjahre) überspannt. Aber dann beginnt Ihr FoV eine immer kleinere Region zu überspannen. Bei der Rekombination überspannt es nur $ 34 \ times30 \, \ mathrm {klyr} ^ 2 $ - mit anderen Worten, wenn dort eine Galaxie von Milchstraßengröße vorhanden wäre (es wäre nicht so), wäre sie größer als der FoV.

Wenn Sie bis 4 Stunden nach dem Urknall zurückblicken könnten, würde Ihr FoV ungefähr ein Quadratlichtjahr umfassen. Drei Minuten nach BB, wenn der gesamte Wasserstoff und das Helium des Universums gerade erzeugt worden waren, würde es $ \ sim0.1 \ times0.1 \, \ mathrm {lyr} ^ 2 $ umfassen. Einige Mikrosekunden nach BB würde es ungefähr ein Quadrat-AU (die Entfernung von der Erde zur Sonne) überspannen. Ungefähr $ 10 ^ {- 22} \, \ mathrm {s} $ nach BB würde es einen Quadratkilometer überspannen.

Und bei $ 10 ^ {- 32} \, \ mathrm {s} $ nach BB würde Ihr FoV $ 0,8 \ times0,7 \, \ mathrm {cm} ^ 2 $ überspannen, dh ungefähr einen Quadratzentimeter!

Bruchteil des beobachteten Universums

Der Teil von Das beobachtbare Universum, das Sie beobachten würden, ist das Volumen "hinter" Ihrem FoV. Dies kann durch Integrieren des Bereichs entlang der Entfernung erreicht werden. Eine einfachere Möglichkeit besteht darin, einfach die Tatsache zu beachten, dass Sie, wenn Ihr FoV der gesamte Himmel wäre, das gesamte Universum beobachten würden. Da Ihr FoV einen Bruchteil des Himmels von $$ \ begin {array} \\ f & = & \ frac {2.8 '\ times2.5'} {\ mathrm {full \, sky}} \\ & = & \ abdeckt frac {8 \ times10 ^ {- 4} \, \ mathrm {rad} \, \, \ times \, \, 7 \ times10 ^ {- 4} \, \ mathrm {rad}} {4 \ pi \, \ mathrm {rad} ^ 2} \\ & = & 5 \ times10 ^ {- 8}, \ end {array} $$ Dies ist der Bruchteil des Universums, den Sie beobachten würden.

Bei $ t = 10 ^ {- 32} \, \ mathrm {s} $, der Teil des Universums, der später unser beobachtbares Universum heute wurde, hatte einen Radius von etwa zehn Metern. Eine andere Möglichkeit, den Bruch zu berechnen, besteht darin, zu erkennen, dass der oben erwähnte beobachtete Quadratzentimeter ungefähr einen Bruchteil $ f $ der Oberfläche einer Kugel mit einem Radius von zehn Metern umfasst

Sehr coole Antwort !!
Vielen Dank. Wenn ich meine RLT mit meinen Gravitationswellen auf 10 ^ -32 Sekunden ausrichte, sehe ich einen Quadratzentimeter. Dies ist ein Quadratzentimeter des Universums mit 10 Lichtjahrdurchmessern, richtig?
@MichaelJames Ich bin mir nicht sicher, worauf Sie sich mit "10 lyr" beziehen. Der Radius dessen, was heute unser beobachtbares Universum geworden ist, betrug bei t = 1e-32 s ungefähr 10 Meter. Ein Beobachter bei t = 1e-32 s (mögen ihm die Götter helfen) hätte ein beobachtbares Universum von ~ 5e-33 cm. Aber keines davon hat eine besondere Bedeutung für die cm $ ^ 2 $, die Sie mit Ihrem RLT beobachten würden.
Der Volumenanteil des beobachtbaren Universums, den Sie sehen würden, ist der abgedeckte Bereich als Funktion der Entfernung, integriert über die Entfernung. Ich kann das später berechnen, habe aber momentan keine Zeit.
Übrigens, wenn Sie Python kennen, habe ich ein Skript erstellt, das die Eigenschaften des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt berechnet. Sie finden es unter [github.com/githyankipela/Universe-timeline weiblich(https://github.com/githyankipela/Universe-timeline].
Ausgezeichnet! Ich werde es gabeln.
@MichaelJames: 5e-8 ist die Antwort. Siehe bearbeiten :)


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