Verdummte Erklärung, woher Wissenschaftler die Anzahl der Atome im Universum kennen?

Es wird oft zitiert, dass die Anzahl der Atome im Universum 10 beträgt 70 oder 10 80 .

Wie ermitteln Wissenschaftler diese Zahl?

Und wie genau ist es (wie stark sind die unterstützenden Beweise dafür)?

Ist es wahrscheinlicher (logischerweise >50 % Wahrscheinlichkeit), dass die Zahlen richtig sind, oder ist es wahrscheinlicher, dass die Zahlen falsch sind?

Sie tun es nicht. Sie schätzen.
Die Anzahl der Atome im Universum kann unendlich sein, wenn das Universum räumlich unendlich ist. Was geschätzt werden kann, ist die Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum.
Sterne verschmelzen vier Wasserstoffatome zu einem Helium. Ältere Sterne verschmelzen das Periodensystem zu Eisen. Ein großer Stern wird schließlich einen Kernkollaps zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch erleiden. Die Zahl der Atome im Universum nimmt seit dem Urknall kontinuierlich ab. Die "Anzahl" der Atome ist eine Schätzung unter der Annahme, dass Masse als Atome auftritt, dann beobachtete Zusammensetzungshäufigkeiten.

Antworten (2)

Die kosmologische Schätzung der Anzahl der Atome im beobachtbaren Universum funktioniert wie folgt: Eine der Friedmann-Gleichungen kann geschrieben werden als

a ˙ 2 − 8 π G 3 ρ a 2 = − k c 2 ,
wo der Skalierungsfaktor a ( t ) beschreibt die Expansion des Universums, ρ ist die Gesamtmassendichte (Strahlung, baryonische Materie, dunkle Materie und dunkle Energie) und die ganze Zahl k ist die Eigenkrümmung des Universums ( k kann 1, 0 oder -1 sein). Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) weisen darauf hin, dass die räumliche Krümmung k / a 2 des Universums ist praktisch Null, also können wir einstellen k = 0 . In diesem Fall ist die Gesamtdichte gleich der sogenannten kritischen Dichte
ρ c ( t ) = 3 H 2 ( t ) 8 π G ,
wo
H ( t ) = a ˙ a
ist der Hubble-Parameter. Die heutige Dichte ist dann
ρ c,0 = ρ c ( t 0 ) = 3 H 0 2 8 π G ,
mit H 0 = H ( t 0 ) die Hubble-Konstante. Wir können schreiben H 0 in folgender Form
H 0 = 100 h km s − 1 MPC − 1 ,
mit h ein dimensionsloser Parameter und 1 MPC = 3,0857 × 10 19 km (Megaparsec genannt). So
ρ c,0 = 1,8785 h 2 × 10 − 26 kg m − 3 .
Eine detaillierte Analyse des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zeigt, wie hoch die Dichte gewöhnlicher Materie (Baryonen) ist: nach den neuesten CMB-Daten ist dies der heutige Baryonenanteil
Ω b,0 h 2 = ρ b,0 ρ c,0 h 2 = 0,02205 ± 0,00028.
Beachten Sie, wie genau diese Größe bekannt ist. Dieselben Daten ergeben auch einen Wert der Hubble-Konstante:
H 0 = 67.3 ± 1.2 km s − 1 MPC − 1 ,
mit anderen Worten, h = 0,673 ± 0,012 so dass
Ω b,0 = 0,0487 ,
was bedeutet, dass gewöhnliche Materie 4,87 % des Inhalts des Universums ausmacht. Wir brauchen den Wert von nicht wirklich h um die Baryonendichte zu berechnen ρ b,0 , weil der Faktor h 2 hebt auf: wir bekommen
ρ b,0 = Ω b,0 ρ c,0 = 0,4142 × 10 − 27 kg m − 3 .
Etwa 75 % der Baryonendichte liegt in Form von Wasserstoff vor und fast 25 % sind Helium; alle anderen Elemente machen etwa 1 % aus, also ignoriere ich diese. Die Massen von Wasserstoff- und Heliumatomen sind
m H = 1.674 × 10 − 27 kg , m Er = 6.646 × 10 − 27 kg ,
so ist die Anzahldichte von Wasserstoff- und Heliumatomen
n H = 0,75 ρ b,0 / m H = 0,1856 m − 3 , n Er = 0,25 ρ b,0 / m Er = 0,0156 m − 3 ,
und die Gesamtzahldichte der Atome ist
n EIN = n H + n Er = 0.2012 m − 3 .
Nun wird der Radius des beobachtbaren Universums zu berechnet D Ph = 46.2 Milliarden Lichtjahre, das heißt 4.37 × 10 26 m (das tiefgestellte 'ph' steht für Partikelhorizont; siehe diesen Beitrag für eine detaillierte Erklärung). Dies ist ein abgeleiteter Wert, der von allen kosmologischen Parametern abhängt; dennoch ist es auf etwa 1% genau. Das Volumen des beobachtbaren Universums ist somit
v = 4 π 3 D Ph 3 = 3,50 × 10 80 m 3 .
Also endlich gibt es ca
N EIN = n EIN v = 7.1 × 10 79
Atome im beobachtbaren Universum.

In der Tat sehr interessant - eine sehr gründliche und einfache Erklärung. "...detailed analysis of the Cosmic Microwave Background ..." gibt es eine einfache Zusammenfassung, wie man daraus den Anteil der Baryonen abschätzt? Das ist ein ziemlich kolossales Papier und ein kolossales Stück Arbeit. Warst du beteiligt?
@WetSavannaAnimalakaRodVance Nein, ich war nicht beteiligt, ich bin nicht einmal ein Kosmologe :-) Die Details sind kompliziert, aber es hat damit zu tun, wie Baryonen die Ausbreitung von Schallwellen im frühen Universum beeinflussen, die sich schließlich auf die einprägen CMB. Ein großartiges Online-Tutorial ist die Website von Wayne Hu . Den Schlüsselplot finden Sie hier .
Eine einfachere Version von @Pulsars Antwort, die sich mit einer zusammenhängenden Frage befasst (die Anzahl der Atome ist ein Zwischenergebnis), wurde gerade auf dem YouTube-Kanal von Numberphile veröffentlicht: [Wie viele Teilchen im Universum? ]( youtube.com/watch?v=lpj0E0a0mlU ).

Das beobachtbare Universum enthält etwa 100 Milliarden Galaxien, von denen jede im Durchschnitt fast eine Billion Sterne enthält. Das ist insgesamt ca 10 23 Sterne. Ein typischer Stern ist wie unsere Sonne. Die Sonne hat eine Masse von ca 2 × 10 30 kg, das entspricht 10 57 Wasserstoffatome pro Stern. Insgesamt 10 23 Sterne enthalten 10 57 Atome geben uns jeweils eine Gesamtzahl von Atomen 10 80 .

Weitere Einzelheiten, einschließlich einer alternativen Schätzmethode, die auf Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds basiert, finden Sie hier .

Aber wie ist es möglich, dass „jede enthält im Durchschnitt fast eine Billion Sterne“ vernünftigerweise so verifiziert werden kann, dass wir mit ausreichender Sicherheit und Überzeugung sagen können, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es richtig ist, über 50 % liegt? Soweit wir wissen, könnte es von diesen 100 Milliarden Galaxien eine einzige Galaxie geben, die bereits zu Ende ist 10 23 Sterne ... nur neugierig.
Und wenn es logischerweise eine Wahrscheinlichkeit von weniger als 50 % gibt, dass diese Zahlen stimmen, ist es dann nicht vernünftiger zu sagen „Die Anzahl der Atome im Universum ist unbekannt“ als zu sagen „Die Anzahl der Atome im Universum ist ~ 10 70 "?
@ Pacerier - Das wäre ein grober Verstoß gegen das kosmologische Prinzip, das besagt: "In einem ausreichend großen Maßstab betrachtet sind die Eigenschaften des Universums für alle Beobachter gleich." Mit anderen Worten, unser Universum ist homogen. Deep-Sky-Galaxiendurchmusterungen wie der Sloan Digital Sky Survey, aber auch kosmische Mikrowellen-Hintergrundbeobachtungen bestätigen alle das kosmologische Prinzip.
@ Pacerier - was lässt Sie sagen, dass diese Zahlen wahrscheinlicher als nicht korrekt sind? Mir fällt ein, dass das Konfidenzintervall für die Anzahl der Atome im Universum innerhalb sagen wir liegen muss 10 78 und 10 82 übersteigt sicherlich 50%.
Ich weiß nicht, ob die Zahlen eher dafür oder eher nicht sind, daher die Frage an erster Stelle. Ich habe die Frage bearbeitet, um dieses Problem widerzuspiegeln.
Ich würde kaum in Betracht ziehen "zwischen 10 70 und 10 80 " um eine sehr genaue Schätzung zu sein. Wir könnten verdammt sicher sein, dass die Anzahl der Atome im Universum dazwischen liegt 10 50 (ungefähr die Anzahl der Atome auf der Erde) und 10 150 (eine lächerlich große Zahl). Dies ist eine Reihe von ± 50 Größenordnungen, aber man kann durchaus sagen, dass wir mit praktischer Gewissheit wissen, dass die Anzahl der Atome im Universum in diesen Bereich fällt. Irgendwo dazwischen 10 70 zu 10 80 ausreichend vage ist, um genau zu sein, genauer als 10 50 − 150 , und viel nützlicher als "unbekannt".
@Johannes Ich finde die Behauptung, dass eine Galaxie durchschnittlich 1 Billion Sterne enthält, sehr gewagt. Unsere Galaxie ist groß und enthält etwa 300 Milliarden Sterne. Ansonsten gute Antwort
Ich glaube, Sie vergessen jeden Planeten, Nebel, Asteroiden usw. im Universum.
@ArturoDonJuan - Ich habe es nicht vergessen, ich habe es ignoriert. Das Obige ist eine Schätzung der Größenordnung, relativ kleine Beiträge zur Anzahl der Atome im Universum werden besser ignoriert, da diese nicht mehr als eine Ablenkung darstellen.
Die Anzahl der Galaxien im (beobachtbaren) Universum ist höchst ungewiss. Die Sonne ist kein typischer Stern. Die durchschnittliche Galaxie enthält keine Billion Sterne. Der Anteil der in Sternen enthaltenen Atome ist ungewiss. Sie können die Anzahl der Atome im Universum auf diese Weise nicht abschätzen (nicht einmal auf eine Größenordnung), ohne die Antwort bereits zu kennen. Die alternative Methode, auf die Sie sich beziehen, ist tatsächlich die richtige Methode.
Verdummte Erklärung, woher Wissenschaftler die Anzahl der Atome im Universum kennen?
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