Ändert sich die Masse des beobachtbaren Universums jemals?

Ja, die Masse des beobachtbaren Universums nimmt ständig zu.

Materie

Selbst wenn Sie sich nur auf die "normale" Materie (wie Sterne, Gas und Fahrräder) und dunkle Materie beziehen , nimmt die Masse des beobachtbaren Universums zu, nicht weil Masse erzeugt wird, sondern wegen der Größe des beobachtbaren Universums erhöht sich. In einer Milliarde Jahren können wir Dinge sehen, die heute zu weit entfernt sind, als dass das Licht uns hätte erreichen können, sodass sich sein Radius vergrößert hat. Da die Masse$M$gleich Dichte$\rho_\mathrm{M}$mal Volumen$V$,$M$erhöht sich.

Wie call2voyage erwähnt, haben wir mehrere Möglichkeiten, die Dichte zu messen, und wir wissen, dass sie nah dran ist$\rho_\mathrm{M}\simeq 2.7\times10^{-30}\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$( Planck Collaboration et al. 2020 ). Der Radius ist$R = 4.4\times10^{28}\,\mathrm{cm}$, also die Masse

$$M = \rho_\mathrm{M} \times V = \rho_\mathrm{M} \times \frac{4\pi}{3}R^3 \simeq 10^{57}\,\mathrm{g},$$ oder$5\times10^{23}M_\odot$(Sonnenmassen).

Massenzunahme von Materie

Jede Sekunde vergrößert sich der Radius des beobachtbaren Universums$dR = c\,dt = 300\,000\,\mathrm{km}$, zusätzlich zur Erweiterung. Hier,$c$ist die Lichtgeschwindigkeit, und$dt$ist das Zeitintervall, das ich als 1 Sekunde wähle. Das bedeutet, dass seine Masse (derzeit) um zunimmt

$$\begin{array}{rcl} dM & = & A \times dR \times \rho_\mathrm{M}\\ & = & 4\pi R^2 \times c\,dt \times \rho_\mathrm{M}\\ & \sim & 10^6\,M_\odot\,\text{per second,} \end{array}$$ wo$A=4\pi R^2$ist die Oberfläche des Universums.

Dunkle Energie

Allerdings trägt noch ein weiterer Faktor zur Massenzunahme bei, nämlich die sogenannte Dunkle Energie , eine Energieform, die dem leeren Raum zugeschrieben wird. Und da mit der Expansion des Universums neuer Raum geschaffen wird, wird ständig dunkle Energie erzeugt. Derzeit wird die Energiedichte der Dunklen Energie, ausgedrückt als Massendichte, durch$E=mc^2$, ist mehr als doppelt so groß wie Materie ($\rho_\Lambda \simeq 6\times10^{-30}\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$).

Die Geschwindigkeit, mit der das beobachtbare Universum aufgrund von Expansion wächst, kann aus dem Hubble-Gesetz berechnet werden , das besagt, dass Objekte in einer Entfernung$d$von uns tritt mit einer Geschwindigkeit zurück

$$v = H_0 \, d,$$ wo$H_0\simeq 70\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$ist die Hubble-Konstante. Die Expansion lässt also den Rand des beobachtbaren Universums zurückweichen$v=H_0 R = 3.2c$(ja, mehr als die dreifache Lichtgeschwindigkeit), zusätzlich zum Faktor von$1c$das kommt von mehr Licht, das uns erreicht (wie oben).

Massenzunahme dunkler Energie

Daher vergrößert sich jede Sekunde der "gesamte" Radius des beobachtbaren Universums (dh Ausdehnung + mehr Licht) um$dR = (3.2c + 1c)\times dt$, so dass die Zunahme von Masse/Energie aus dunkler Energie besteht

$$\begin{array}{rcl} dM & = & A \times dR \times \rho_\Lambda\\ & = & 4\pi R^2 \times (3.2c + 1c)dt \times \rho_\Lambda\\ & \sim & 10^7\,M_\odot\,\text{per second,} \end{array}$$ eine Größenordnung mehr als bei normaler/dunkler Materie.

Die Masse des beobachtbaren Universums lässt sich aus seiner Dichte ableiten.

Laut Dr. Jagadheep D. Pandian:

Die Dichte der Materie im Universum kann mit verschiedenen Mitteln gemessen werden, die zu technisch sind, um an dieser Stelle darauf einzugehen: Menschen messen die Dichte, indem sie die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, Superhaufen, Urknall-Nukleosynthese usw. untersuchen.

Unter Verwendung der Dichte und der Größe des beobachtbaren Universums kann die Masse zu 3 x 10 ⁵⁵ g abgeleitet werden. Diese Zahl umfasst sowohl dunkle Materie als auch traditionelle Materie.

Ich stelle mir vor, dass eine historische Massenabweichung nachweisbar wäre, wenn sie signifikant wäre, aber ich kann mir nicht vorstellen, was eine Abweichung verursachen könnte, die in der Größenordnung, über die wir sprechen, nachweisbar wäre.

Quelle:

• Welche Masse hat das Universum? (Mittelstufe) - Cornell University, Fragen Sie einen Astronomen

Die scheinbare Dichte des Universums stimmt nicht mit den verfügbaren Beobachtungen überein. Aufgrund der relativ langsamen Lichtgeschwindigkeit spiegeln die Beobachtungen nicht die tatsächlichen Verteilungen wider.

Galaxien werden jetzt in Positionen und Größen vor Milliarden von Jahren beobachtet. Während unsere eigene Milchstraße eine rechnerische Zeitstreuung über Millionen von Jahren aufweist.

Hinzu kommt, dass sich Galaxien beobachtbar mit größerer als Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen, was bedeutet, dass sich Galaxien mit größerer Geschwindigkeit als Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen und aufgrund ihrer schwach gestreuten Signatur wahrscheinlich nicht entdeckt werden.

Das beobachtbare Universum ist wahrscheinlich mit ausreichender Variabilität in vertrauenswürdigen Beweisen verzerrt, was die Messung der universellen Dichte unpraktisch und nicht vertrauenswürdig macht.

Es bleibt eine Frage der Semantik, nämlich was mit dem „beobachtbaren Universum“ gemeint ist. Tatsache ist, dass verschiedene Leute mit diesem Satz unterschiedliche Dinge meinen. Tatsächlich widerspricht sich das Wiki zum „beobachtbaren Universum“ gleich im ersten Absatz, indem es zunächst sagt: „Das beobachtbare Universum ist eine kugelförmige Region des Universums, die alle Materie umfasst, die derzeit von der Erde aus beobachtet werden kann, weil Licht und andere Signale von diesen Objekten hatten seit Beginn der kosmologischen Expansion Zeit, die Erde zu erreichen", aber dann ändert es vier Sätze später seine Bedeutung und sagt: "Jeder Ort im Universum hat sein eigenes beobachtbares Universum, das sich mit dem überschneiden kann oder nicht eine, die auf der Erde zentriert ist." Sie scheinen also ein bestimmtes universelles Zeitalter für ihre Bedeutung auszuwählen, aber nicht unbedingt einen bestimmten Blickwinkel. Beachten Sie jedoch, dass es in dieser Bedeutung keine Möglichkeit gibt, zu beantworten, wie es sich mit der Zeit ändert, da es nur zu einem einzigen Zeitpunkt existiert.

Diese Bedeutung gibt uns verschiedene Möglichkeiten, wie wir das "beobachtbare Universum" in der Zeit vorwärts und rückwärts erweitern können. Zum Beispiel könnten wir all das Zeug im heutigen „beobachtbaren Universum“ von der Erde nehmen und fragen, wo dieses Zeug in der Zukunft sein wird und wo es in der Vergangenheit war. Dann können wir eine Sprache verwenden wie „als das beobachtbare Universum die Größe einer Grapefruit hatte“ usw., aber beachten Sie die Mehrdeutigkeit: Wenn es auf die Zukunft angewendet wird, wie „was wird das beobachtbare Universum zu so und so einem Zeitpunkt sein, „Wir stellen uns ausnahmslos vor, das zu aktualisieren, was von den Wesen des Tages gesehen werden könnte, aber wenn wir es auf die Vergangenheit anwenden, stellen wir uns im Allgemeinen nicht vor, dass es überhaupt irgendwelche Wesen gibt, also aktualisieren wir nicht, was ihr beobachtbares Universum wäre, wir nimm unser eigenes und verkleinere es einfach.

Also ganz ehrlich, der Begriff ist wirklich ein ziemliches Durcheinander, und um Ihre Frage zu beantworten, müssten wir klären, welche Bedeutung Sie nehmen. Nehmen wir an, Sie meinen das "beobachtbare Universum", das ständig aktualisiert, was hypothetische Wesen beobachten könnten, wenn sie zu der Zeit auf der Erde existiert hätten, dann haben wir eine zeitabhängige Masse. Wenn die Erde altert, wird das Licht mehr Zeit haben, uns zu erreichen, also wird das beobachtbare Universum an Größe zunehmen, aber es wird nicht unbedingt an Masse zunehmen. Unter der Annahme, dass die Beschleunigung wie erwartet anhält, wird die beobachtbare Masse des Universums etwa um den Faktor 2 zunehmen, ein Maximum erreichen und dann beginnen abzunehmen. Seine Größe wird mit der Zeit immer zunehmen, aber seine Masse wird dann abnehmen.