Es ist kein Geheimnis, dass das Universum ein extrem großer Ort ist. Und angesichts des schieren Volumens dieses Raums würde man erwarten, dass die Menge der darin enthaltenen Materie ähnlich beeindruckend wäre.
Interessanterweise werden die Zahlen zu den umwerfendsten, wenn man diese Angelegenheit auf der kleinsten Skala betrachtet. Beispielsweise wird angenommen, dass in unserem beobachtbaren Universum zwischen 120 und 300 Sextillionen (das sind 1,2 x 10²³ bis 3,0 x 10²³) Sterne existieren. Bei näherer Betrachtung auf atomarer Ebene werden die Zahlen jedoch noch unvorstellbarer.
Auf dieser Ebene wird geschätzt, dass es zwischen 10 gibt78 bis 1082 Atome im bekannten, beobachtbaren Universum. Für Laien bedeutet dies zwischen zehn Billiarden Vigintillionen und einhunderttausend Billiarden Vigintillionen Atomen.
Und doch spiegeln diese Zahlen nicht genau wider, wie viel Materie das Universum wirklich beherbergen kann. Wie bereits erwähnt, berücksichtigt diese Schätzung nur das beobachtbare Universum, das in jeder Richtung 46 Milliarden Lichtjahre erreicht, und basiert darauf, wo die Ausdehnung des Raums die am weitesten entfernten beobachteten Objekte aufgenommen hat.
Während ein deutscher Supercomputer kürzlich eine Simulation durchführte und schätzte, dass rund 500 Milliarden Galaxien im Beobachtungsbereich existieren, liegt die Zahl nach einer konservativeren Schätzung bei rund 300 Milliarden. Da die Anzahl der Sterne in einer Galaxie bis zu 400 Milliarden betragen kann, kann die Gesamtzahl der Sterne durchaus bei 1,2 × 10 liegen23 - oder etwas mehr als 100 Sextillionen.
Im Durchschnitt kann jeder Stern etwa 10 wiegen35 Gramm. Somit würde die Gesamtmasse etwa 10 betragen58 Gramm (das sind 1,0 x 10)52 Tonnen). Da bekannt ist, dass jedes Gramm Materie ungefähr 10 hat24 Protonen oder ungefähr die gleiche Anzahl von Wasserstoffatomen (da ein Wasserstoffatom nur ein Proton hat), dann wäre die Gesamtzahl der Wasserstoffatome ungefähr 1086 - aka. einhunderttausend Billiarden Vigintillion.
Innerhalb dieses beobachtbaren Universums ist diese Materie homogen im Weltraum verteilt, zumindest wenn sie über Entfernungen von mehr als 300 Millionen Lichtjahren gemittelt wird. In kleineren Maßstäben wird jedoch beobachtet, dass sich Materie zu Klumpen hierarchisch organisierter leuchtender Materie bildet, mit denen wir alle vertraut sind.
Kurz gesagt, die meisten Atome werden zu Sternen kondensiert, die meisten Sterne zu Galaxien, die meisten Galaxien zu Clustern, die meisten Cluster zu Superclustern und schließlich zu Strukturen im größten Maßstab wie der Großen Mauer der Galaxien (auch bekannt als Sloan Great Wall). . In kleinerem Maßstab sind diese Klumpen von Staubpartikelwolken, Gaswolken, Asteroiden und anderen kleinen Klumpen von Sternmaterie durchdrungen.
Die beobachtbare Materie des Universums ist ebenfalls isotrop verbreitet; Dies bedeutet, dass keine Beobachtungsrichtung anders zu sein scheint und jede Region des Himmels ungefähr den gleichen Inhalt hat. Das Universum ist auch in eine Welle hochisotroper Mikrowellenstrahlung getaucht, die einem thermischen Gleichgewicht von ungefähr 2,725 Kelvin (knapp über dem absoluten Nullpunkt) entspricht.
Die Hypothese, dass das großräumige Universum homogen und isotrop ist, ist als kosmologisches Prinzip bekannt. Dies besagt, dass physikalische Gesetze im gesamten Universum einheitlich wirken und daher keine beobachtbaren Unregelmäßigkeiten in der großräumigen Struktur hervorrufen sollten. Diese Theorie wurde durch astronomische Beobachtungen gestützt, die dazu beigetragen haben, die Entwicklung der Struktur des Universums aufzuzeichnen, seit sie ursprünglich vom Urknall festgelegt wurde.
Der gegenwärtige Konsens unter Wissenschaftlern ist, dass die überwiegende Mehrheit der Materie in diesem Ereignis erzeugt wurde und dass die Expansion des Universums seitdem keine neue Materie in die Gleichung aufgenommen hat. Es wird vielmehr angenommen, dass das, was in den letzten 13,7 Milliarden Jahren stattgefunden hat, lediglich eine Erweiterung oder Zerstreuung der ursprünglich geschaffenen Massen war. Das heißt, während dieser Erweiterung wurde keine Menge an Materie hinzugefügt, die am Anfang nicht vorhanden war.
Einsteins Äquivalenz von Masse und Energie ist jedoch eine leichte Komplikation für diese Theorie. Dies ist eine Folge der Speziellen Relativitätstheorie, bei der die Zugabe von Energie zu einem Objekt seine Masse schrittweise erhöht. Zwischen all den Fusionen und Spaltungen werden Atome regelmäßig von Teilchen in Energien und wieder zurück umgewandelt.
Trotzdem bleibt die Gesamtmateriedichte des Universums im großen Maßstab über die Zeit gleich. Die gegenwärtige Dichte des beobachtbaren Universums wird auf sehr niedrig geschätzt - ungefähr 9,9 × 10-30 Gramm pro Kubikzentimeter. Diese Massenenergie scheint aus 68,3% Dunkler Energie, 26,8% Dunkler Materie und nur 4,9% gewöhnlicher (leuchtender) Materie zu bestehen. Somit liegt die Dichte der Atome in der Größenordnung eines einzelnen Wasserstoffatoms pro vier Kubikmeter Volumen.
Die Eigenschaften von dunkler Energie und dunkler Materie sind weitgehend unbekannt und könnten wie normale Materie gleichmäßig verteilt oder in Klumpen organisiert sein. Es wird jedoch angenommen, dass dunkle Materie wie gewöhnliche Materie gravitiert und somit die Expansion des Universums verlangsamt. Im Gegensatz dazu beschleunigt dunkle Energie ihre Expansion.
Auch diese Zahl ist nur eine grobe Schätzung. Wenn es zur Schätzung der Gesamtmasse des Universums verwendet wird, bleibt es oft hinter den Vorhersagen anderer zurück. Und am Ende sehen wir nur einen kleineren Teil des Ganzen.
Wir haben hier im Space Magazine viele Artikel, die sich auf die Menge an Materie im Universum beziehen, wie z. B. Wie viele Galaxien im Universum und wie viele Sterne in der Milchstraße?
Die NASA hat auch die folgenden Artikel über das Universum, wie Wie viele Galaxien gibt es? und dieser Artikel über die Sterne in unserer Galaxie.
Wir haben auch Podcast-Episoden von Astronomy Cast zum Thema Galaxien und variable Sterne.
