De 13 skalorna som definierar vårt fysiska universum

By | August 14, 2023

Vårt universum sträcker sig från subatomära till kosmiska skalor.

skalan av objekt i universum

Resan från makroskopisk till subatomär skala spänner över många storleksordningar, men att ta små steg ner kan göra varje ny mer tillgänglig än den förra. Människor är uppbyggda av organ, celler, organeller, molekyler, atomer, sedan elektroner och kärnor, sedan protoner och neutroner och sedan kvarkar och gluoner inom dem. Detta är gränsen till vilken vi har undersökt naturen.

Kredit: Magdalena Kowalska/CERN/ISOLDE-teamet

Totalt är 13 olika skalor kända för närvarande.

standard mallstruktur

Illustrerade till höger är mätarbosonerna, som förmedlar de tre grundläggande kvantkrafterna i vårt universum. Det finns bara en foton som förmedlar den elektromagnetiska kraften, det finns tre bosoner som förmedlar den svaga kraften och åtta bosoner som förmedlar den starka kraften. Detta tyder på att standardmodellen är en kombination av tre grupper: U(1), SU(2) och SU(3), vars interaktioner och partiklar kombineras för att utgöra allt som existerar. Var och en av de kända fundamentala partiklarna kan inte vara större än cirka ~10^-19 meter.

Kredit: Daniel Domingues/CERN

1.) Grundläggande elementarpartiklar. till 10-19 meter, dessa kvanta delades aldrig upp.

När två protoner, var och en gjord av tre kvarkar som hålls samman av gluoner, överlappar, är det möjligt att de kan smälta samman till ett sammansatt tillstånd beroende på deras egenskaper. Den vanligaste stabila möjligheten är att producera en deuteron, gjord av en proton och en neutron, som kräver emission av en neutrino, en positron och möjligen en foton också.

Kredit: Keiko Murano

2.) Kärnkraftsvågar. På femtometern (~10-15 m) fjäll, enskilda kärnor, sammansatta av kvarkar och gluoner, håller ihop.

einstein kvantum

Även om du själv är gjord av atomer, kräver det du upplever som “beröring” inte nödvändigtvis en annan extern atom för att komma i faktisk överlappande kontakt med atomerna i din kropp. Att bara komma tillräckligt nära för att utöva en kraft är inte bara tillräckligt, det inträffar oftare.

Kredit: ipopba / Adobe Stock

3.) Atomvågar. Ångströmsstorlek (~10-10 m), atomer utgör all materia på jorden.

Nobelpriset i kemi

Molekyler, exempel på partiklar av materia bundna tillsammans i komplexa konfigurationer, uppnår de former och strukturer de har på grund av främst de elektromagnetiska krafter som finns mellan deras ingående atomer och elektroner. Mångfalden av strukturer som kan skapas är nästan obegränsad.

kredit: denisismagilov

4.) Molekylära skalor. nanometer (~10-9 m) och större, molekyler innehåller flera atomer bundna tillsammans.

cyanobakterier

Den här scanningselektronmikroskopbilden visar några exemplar av den cyanobakteriella arten Prochlorococcus marinus. Var och en av dessa organismer är bara cirka en halv mikron i storlek, men tillsammans är cyanobakterier primärt ansvariga för att skapa jordens syre: både initialt och till stor del även under våra dagar. Liksom alla bakterier är dess livslängd mycket, mycket kortare än en människas livslängd.

Kredit: Luke Thompson från Chisholm Lab och Nikki Watson från Whitehead, MIT

5.) Mikroskopiska vågar. Under 0,0001 meter (bredd på människohår) krävs verktyg bortom mänskliga ögon.

rosa flamingos

I varma, grunda vattendrag kan rosa flamingos hittas som strövar omkring, putsar och letar efter mat. Bristen på karotenoidpigment i deras matförsörjning, noterbar i vissa (men inte alla) av de flamingos som visas här, gör att många av dessa speciella flamingos är närmare en vit färg än de mer stereotypa rosa eller röda, men beteendet att stå på en fot istället för två minskar framgångsrikt kroppsvärmeförlusten med nästan hälften.

Kredit: gayulo/pixabay

6.) Makroskopiska skalor. Våra konventionella uppfattningar sträcker sig från submillimeterskalor till flera kilometer.

Detta urval av asteroider och kometer som besöks av rymdfarkoster spänner över många storleksordningar i storlek, från kroppar under en kilometer till föremål över 100 km på en sida. Inget av dessa föremål har dock tillräckligt med massa för att dras till en rund form. Tyngdkraften kan hålla ihop dem, men elektromagnetiska krafter är främst ansvariga för deras former.

Kredit: Planetary Society – Emily Lakdawalla

7.) Subplanetära skalor. Där gravitationen inte kan besegra elektromagnetism, kan flytande kroppar nå flera hundra kilometer.

Saturnus Jupiter Uranus Neptunus JWST

Nu när Saturnus har avbildats av JWST, kan det första “familjeporträttet” av gasjättens världar sett genom JWST:s ögon komponeras. Här visas varje planet med en vinkelstorlek kalibrerad till hur de skulle se ut i förhållande till varandra sett av JWST. Planeter kan vara dubbelt så stora som Jupiter, men de kan vara upp till 1 000 km eller mindre.

Kredit: NASA. CSA. ESA. STScI och olika samarbeten; Kompositör: E. Siegel

8.) Planetvågar. Sfäroidal på grund av självgravitation, planeter är vanligtvis ~1000-200.000 kilometer i diameter.

sol vs röd dvärg

Bruna dvärgar, mellan cirka 0,013-0,080 solmassor, kommer att smälta samman deuterium+deuterium till helium-3 eller tritium, förblir samma ungefärliga storlek som Jupiter men når mycket större massor. Röda dvärgar är bara något större, men även den solliknande stjärnan som visas här visas inte i skala här; den skulle vara ungefär 7 gånger diametern på en stjärna med låg massa. Stjärnor kan vara upp till nästan 2 000 gånger vår sols diameter i detta universum.

Kredit: NASA/JPL-Caltech/UCB

9.) Stjärnstora fjäll. Från 0,08 till 2 000 gånger solens storlek lyser dessa kärnugnar upp universum.

Oort moln

En illustration av det inre och yttre Oortmolnet runt vår sol. Medan det inre Oortmolnet är torusformat är det yttre Oortmolnet sfäriskt. Den verkliga omfattningen av det yttre Oortmolnet kan vara mindre än 1 ljusår eller större än 3 ljusår; det råder en enorm osäkerhet här. Alla massiva föremål som passerar genom Oorts moln har en betydande chans att störa föremål i dess närhet.

Kredit: Pablo Carlos Budasi/Wikimedia Commons

10.) Star System Scales. Utsträckta moln av Oort-typ, som sträcker sig till cirka 2 ljusår bort, undersöker gränserna för individuella stjärnsystem.

Hickson Compact Group 40 galaxer

Även om det finns många fall av många galaxer i samma region i rymden, förekommer de vanligtvis bara mellan två galaxer eller i mycket täta områden i rymden, till exempel i mitten av galaxhopar. Att se 5 interagerande galaxer inom ett utrymme på mindre än 1 miljon ljusår är en extrem sällsynthet, fångad i fantastisk detalj av Hubble här. Eftersom alla dessa galaxer fortfarande bildar nya stjärnor, klassificeras de alla som “levande” av astronomer.

Kredit: NASA, ESA, STScI; Bearbetning: Alyssa Pagan (STScI)

11.) Galaktiska skalor. Från cirka 100 till 1 000 000 ljusår håller normal och mörk materia galaxer samman.

tomt klusterstrukturuniversum

Bland universums stora klumpar och filament finns stora kosmiska tomrum, av vilka några kan sträcka sig över hundratals miljoner ljusår. Medan vissa tomrum är större i omfattning än andra och sträcker sig över en miljard ljusår eller mer, innehåller de alla materia på någon nivå. Även tomrummet som är hem för MCG+01–02–015, den ensammaste galaxen i universum, innehåller sannolikt små galaxer med låg ytljusstyrka som ligger under den nuvarande detektionsgränsen för teleskop som Hubble.

Kredit: Andrew Z. Colvin och Zeryphex/Astronom5109; Wikimedia Commons

12.) Cluster och tomrumsvågar. Med en diameter på 10 till 100 miljoner ljusår är de de största gravitationsbundna strukturerna.

mörk materia simuleringar kluster observationer

På de största skalorna kan galaxernas sätt att hopa sig observationsmässigt (blått och lila) inte matchas med simuleringar (röd), om inte mörk materia ingår. Även om det finns sätt att reproducera denna typ av struktur utan att specifikt inkludera mörk materia, som att lägga till en specifik typ av fält, ser dessa alternativ misstänkt omöjliga att skilja från mörk materia eller misslyckas med att reproducera en av de många andra observationerna till stöd för mörk materia. .

Kredit: 2dFGRS, SDSS, Millennium Simulation/MPA Garching och Gerard Lemson & the Virgo Consortium

13.) Verkligen kosmiska vågar. Det helt observerbara kosmiska nätet sträcker sig över cirka 92 miljarder ljusår.

millennium simulering kosmisk webbskiva

I modern kosmologi genomsyrar en storskalig väv av mörk materia och normal materia universum. På skalorna för individuella och mindre galaxer är strukturerna som bildas av materia mycket olinjära, med tätheter som avviker från medeldensiteten med enorma mängder. På mycket stora skalor är dock densiteten för varje region i rymden mycket nära den genomsnittliga densiteten: ungefär 99,99% noggrannhet.

Kredit: The Millennium Simulation, V. Springel et al.

I ännu större och mindre skalor kan nya fenomen fortfarande upptäckas.

logaritmisk historik över universum

Denna vertikalt orienterade logaritmiska karta över universum spänner över nästan 20 storleksordningar och tar oss från planeten Jorden till kanten av det synliga universum. Varje stort “märke” på den högra skalstapeln motsvarar en ökning av avståndsskalorna med en faktor 10.

Kredit: Pablo Carlos Budasi

Mostly Mute Monday berättar en kosmisk historia i bilder, grafik och inte mer än 200 ord.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *