Astronomia

Por que o plano de fundo da micro-ondas cósmico está na mesma distância, não importa a direção que olhemos?

Por que o plano de fundo da micro-ondas cósmico está na mesma distância, não importa a direção que olhemos?



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Eu li em diferentes fontes que:

O CMB é visível a uma distância de 13,8 bilhões de anos-luz em todas as direções da Terra, levando os cientistas a determinar que esta é a verdadeira idade do Universo.

E isso me fez pensar, se isso for verdade, existem 2 cenários possíveis:

  • Esses não são realmente os verdadeiros limites do universo, mas é o máximo que podemos observar com nossa tecnologia real.
  • Ou acontecer de sermos o centro do universo, porque vemos o "começo" dele na mesma distância, não importa a direção que vemos (o que eu acho que é uma suposição idiota)

Então, por que realmente vemos o CMB à mesma distância, não importa para qual direção olhamos?


O CMB é visível a uma distância de 13,8 bilhões de anos-luz em todas as direções da Terra, levando os cientistas a determinar que esta é a verdadeira idade do Universo.

Isso está errado em alguns aspectos. Em primeiro lugar, temos boas razões para pensar que o CMB foi produzido há cerca de 13,8 bilhões de anos, mas isso não significa que esteja a 13,8 bilhões de anos-luz de distância. A luz está bem aqui (é assim que a detectamos), e a matéria que emitiu a luz está a aproximadamente 47 bilhões de anos-luz de distância na era atual, se nosso modelo cosmológico estiver correto.

Em segundo lugar, não calculamos a idade do universo à distância até o CMB (ou a matéria que o emitiu). Não podemos ver a que distância está. Calculamos a idade do universo ajustando um modelo cosmológico a uma variedade de evidências (incluindo o espectro detalhado do CMB), e então dizemos que o CMB foi emitido há 13,8 bilhões de anos porque é isso que o modelo implica.

Terceiro, o CMB não data do início do universo - embora o tempo desde o big bang / fim da inflação até a emissão do CMB (cerca de 380.000 anos) seja muito menor do que o tempo do big bang até agora (cerca de 13,8 bilhões de anos) que isso faz pouca diferença.

Não estamos no centro do universo. O universo é simplesmente homogêneo (o mesmo em todos os lugares) e é grande o suficiente para que a luz não tenha tido tempo suficiente para cruzá-lo desde que o CMB foi emitido. O CMB que vemos está à mesma distância em todas as direções porque está viajando pela mesma quantidade de tempo. Portanto, o seu primeiro cenário é o correto.


29.4 O Fundo Cósmico de Microondas

A descrição dos primeiros minutos do universo é baseada em cálculos teóricos. É crucial, no entanto, que uma teoria científica seja testável. Que previsões ele faz? E as observações mostram que essas previsões são precisas? Um sucesso da teoria dos primeiros minutos do universo é a previsão correta da quantidade de hélio no universo.

Outra previsão é que um marco significativo na história do universo ocorreu cerca de 380.000 anos após o Big Bang. Os cientistas observaram diretamente como era o universo neste estágio inicial, e essas observações oferecem alguns dos mais fortes apoios para a teoria do Big Bang. Para descobrir qual foi esse marco, vamos ver o que a teoria nos diz sobre o que aconteceu durante as primeiras centenas de milhares de anos após o Big Bang.

A fusão de hélio e lítio foi concluída quando o universo tinha cerca de 4 minutos. O universo então continuou a se assemelhar ao interior de uma estrela de algumas maneiras por mais algumas centenas de milhares de anos. Ele permaneceu quente e opaco, com radiação sendo espalhada de uma partícula para outra. Ainda estava quente demais para que os elétrons "se acomodassem" e se tornassem associados a um determinado núcleo. Esses elétrons livres são especialmente eficazes no espalhamento de fótons, garantindo assim que nenhuma radiação chegasse muito longe no início do universo sem ter seu caminho alterado. De certa forma, o universo era como uma multidão enorme logo após um show popular, se você se separar de um amigo, mesmo que ele esteja usando um botão piscando, é impossível ver através da multidão densa para identificá-lo. Só depois que a multidão se afastar é que existe um caminho para a luz do botão dele chegar até você.


Radiação cósmica de fundo de micro-ondas

O problema está na sua imagem mental, o U como material se expandindo no espaço vazio circundante.

Uma maneira de obter uma imagem diferente é pesquisar no Google & quotwright balão modelo & quot e assisti-lo. É um modelo de brinquedo 2D de um espaço 3D em expansão, então imagine que toda a existência está concentrada nessa superfície 2D.

Você verá pequenas galáxias brancas planas espalhadas na superfície, ficando mais distantes, mas sempre permanecendo na mesma localização aproximada (latitude e longitude) na superfície do balão.

Você verá pequenos vermes coloridos viajando pela superfície - são fótons de luz.

Imagine ser uma criatura 2D plana vivendo em uma das galáxias. A quantidade de luz que você recebe é a mesma, em média, de todas as direções. (Todas as direções estão na superfície do balão, não há espaço ao redor & quotfora & quot ou & quot fora & quot da superfície. Não há nenhum centro de expansão para você, como uma criatura 2D em que U pode apontar seu dedo 2D.)

Imagine que é o mesmo conosco, exceto que somos criaturas 3D em um espaço 3D. O espaço não tem borda, nem limite. Não há nada "fora de casa". Não há centro de expansão para o qual possamos apontar o dedo. Simplesmente existe expansão.

E assim a luz antiga chega até nós com aproximadamente a mesma intensidade de todas as direções.


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Observe que os fótons "onduladores" da luz começam com comprimento de onda curto e azul, e conforme a superfície da esfera 2D em que vivem fica maior, eles próprios se esticam e adquirem comprimento de onda maior. O artista / animador enfatizou isso ao fazer com que mudassem de cor à medida que envelheciam, de azul para verde, para amarelo, para laranja para vermelho.

Esta é uma forma de & quotfalsa cor & quot de chamar a atenção do espectador para a mudança. Um fóton CMB real normalmente começaria, digamos, laranja avermelhado (um brilho de 3000 Kelvin) e gradualmente desvaneceria em uma cor infravermelha que nossos olhos não podem ver, e gradualmente obteria ondas mais longas e ondas mais longas até estar no radar milimétrico do forno de micro-ondas parte do espectro, portanto, nenhuma cor visível. A animação simboliza isso, mostrando os fótons com cor vermelha falsa.

Você pode obter muitas informações se assistir a esse filme simples de 2 minutos com atenção.
http://www.astro.ucla.edu/

wright / Balloon2.html
Ele está sempre disponível se você apenas google & quotwright balão modelo & quot.


O Contexto da Microonda Cósmica: Uma explicação plausível (mas diferente)?

A maioria das pessoas aqui parece estar familiarizada com o CMB. O que é?

A radiação cósmica de fundo em micro-ondas, na cosmologia do Big Bang, é radiação eletromagnética que é um remanescente de um estágio inicial do universo, também conhecido como "radiação relica". A CMB é uma fraca radiação cósmica de fundo que preenche todo o espaço. Wikipedia

Portanto, a ideia convencional é que o CMB é como um flash residual do Big Bang. Existe outra maneira de explicar o CMB?

Uma possibilidade envolve a entropia.

Entropia é o que equilibra a energia. A entropia é a razão pela qual cargas semelhantes se repelem, os opostos se atraem e porque a energia vai de uma concentração alta para uma baixa.

Acenda uma luz e ela irradia energia para o espaço por causa da dispersão entrópica. Agora apenas estenda a mesma ideia para todo o Universo.

Se o Universo teve um início e não é infinito (visto que é visto como se expandindo), a Entropia dispersará uma certa quantidade de Energia no volume existente do espaço (ou seja, o Universo)

Uma vez que o Universo não é infinito, e uma vez que existe uma quantidade diferente de zero de Energia dentro dele, deve haver um nível de energia de base diferente de zero para o Universo.

Esta energia seria radiativa por natureza (ou seja, fótons de baixa energia ou comprimentos de onda de luz de energia muito baixa).

A temperatura real da radiação cósmica de fundo é de 2,725 Kelvin. E a apenas 2,75 graus em relação ao zero absoluto, a CMB pode representar o embasamento da Energia Entrópica do Universo.

A energia se espalhando com o tempo leva tempo. Você pode ser capaz de usar a temperatura CMB como uma maneira diferente de descobrir a idade do Universo.


Fundo de micro-ondas cósmico: Explicação da relíquia do Big Bang (infográfico)

O Fundo Cósmico de Microondas, ou CMB, é a radiação que preenche o universo e pode ser detectada em todas as direções. As microondas são invisíveis a olho nu, por isso não podem ser vistas sem instrumentos. Criado logo após o surgimento do universo no Big Bang, o CMB representa a radiação mais antiga que pode ser detectada. Astrônomos compararam o CMB a ver a luz do sol penetrando em um céu nublado.

Olhando para o espaço profundo e, portanto, de volta para o tempo profundo, os astrônomos veem a radiação CMB saturando o espaço começando por volta de 378.000 anos após o Big Bang. Antes da criação do CMB, o universo era um plasma quente, denso e opaco contendo matéria e energia. Os fótons não podiam viajar livremente, então nenhuma luz escapou daqueles tempos anteriores.

O CMB foi criado em uma época da história cósmica chamada Era da Recombinação. O universo havia esfriado a uma temperatura de cerca de 5.000 graus Fahrenheit (2.700 graus Celsius), frio o suficiente para que elétrons e prótons se “combinassem” em átomos de hidrogênio. Fótons foram liberados e hoje essa radiação é chamada de CMB. [Imagens: Peering Back to the Big Bang & amp Early Universe]

Em 1963, Arno Penzias e Robert Wilson estavam estudando sinais fracos de microondas da galáxia da Via Láctea. Eles encontraram um ruído misterioso de origem desconhecida.

A princípio, pensou-se que o ruído fosse uma interferência causada por excrementos de pombos no equipamento da antena. Os pombos foram presos e o esterco foi removido da antena. Por fim, Penzias e Wilson perceberam que o ruído era um sinal real.

Em meados do século 20, havia duas teorias concorrentes para a origem do universo. A teoria do estado estacionário sustentava que a matéria é criada continuamente à medida que o universo se expande, a densidade geral do universo permanece a mesma e o universo existiu para sempre. A teoria do Big Bang afirmava que o universo em expansão deve ter sido mais denso no passado e, portanto, no início deve ter sido um ponto de densidade infinita.

Penzias e Wilson teorizaram que se a teoria do Big Bang estivesse correta, o universo seria preenchido com a radiação de fundo que sobrou do evento de criação. [O universo: Big Bang até agora em 10 etapas fáceis]

Em uma imagem de todo o céu da radiação CMB, o hemisfério sul parece mais vermelho, portanto um pouco mais quente, do que o hemisfério norte. Um "ponto frio" no hemisfério sul parece maior do que o esperado. O modelo padrão da teoria do Big Bang prevê que a radiação CMB deve ser praticamente a mesma em todas as direções.

O CMB também fornece uma visão sobre a composição do universo como um todo. A maior parte do universo é composta de energia escura, a força misteriosa que impulsiona a expansão acelerada do universo. O próximo maior ingrediente é a matéria escura, que só interage com o resto do universo por meio de sua gravidade.

A matéria normal, incluindo todas as estrelas, planetas e galáxias visíveis, constitui menos de 5 por cento da massa total do universo.


A Origem do Fundo Cósmico de Microondas

Uma das observações profundas do século 20 é que o universo está se expandindo. Essa expansão implica que o universo era menor, mais denso e mais quente no passado distante. Quando o universo visível tinha metade de seu tamanho atual, a densidade da matéria era oito vezes maior e a radiação cósmica de fundo era duas vezes mais quente. Quando o universo visível tinha um centésimo de seu tamanho atual, o fundo de micro-ondas cósmico era cem vezes mais quente (273 graus acima do zero absoluto ou 32 graus Fahrenheit, a temperatura na qual a água congela para formar gelo na superfície da Terra). Além dessa radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o universo primitivo estava cheio de gás hidrogênio quente com uma densidade de cerca de 1000 átomos por centímetro cúbico. Quando o universo visível tinha apenas cem milionésimos de seu tamanho atual, sua temperatura era 273 milhões de graus acima do zero absoluto e a densidade da matéria era comparável à densidade do ar na superfície da Terra. Nessas altas temperaturas, o hidrogênio foi completamente ionizado em prótons e elétrons livres.

Como o universo era muito quente durante a maior parte de sua história inicial, não havia átomos no universo primitivo, apenas elétrons e núcleos livres. (Os núcleos são feitos de nêutrons e prótons). Os fótons cósmicos de fundo de microondas se espalham facilmente pelos elétrons. Assim, os fótons vagaram pelo universo primitivo, assim como a luz óptica vagueia por uma névoa densa. Este processo de espalhamento múltiplo produz o que é chamado de espectro de fótons & # 147térmico & # 148 ou & # 147corpo negro & # 148. De acordo com a teoria do Big Bang, o espectro de frequência do CMB deve ter esta forma de corpo negro. Isso foi realmente medido com tremenda precisão pelo experimento FIRAS no satélite COBE da NASA.

Esta figura mostra a previsão da teoria do Big Bang para o espectro de energia da radiação cósmica de fundo em micro-ondas em comparação com o espectro de energia observado. Especificamente, foi feita uma medição do brilho da superfície por intervalo de frequência de unidade (& # 120554𝜈), não & # 120554𝜆 - que é um intervalo de comprimento de onda por unidade. O experimento FIRAS mediu o espectro em 34 pontos igualmente espaçados ao longo da curva do corpo negro. As barras de erro nos pontos de dados são tão pequenas que não podem ser vistas sob a curva prevista na figura! Ainda não existe uma teoria alternativa proposta que preveja esse espectro de energia. A medição precisa de sua forma foi outro teste importante da teoria do Big Bang.


O que o estudo descobriu

Este novo estudo examinou 313 aglomerados de galáxias. Um aglomerado de galáxias é um grupo de galáxias ligado gravitacionalmente. Um aglomerado de galáxias pode conter mil ou mais galáxias individuais grandes, com cada galáxia contendo algumas centenas de bilhões de estrelas. Obviamente, essas são estruturas grandes. Entre as galáxias em um aglomerado existe muito gás quente. Este meio intracluster normalmente contém dez vezes a massa das estrelas dentro das galáxias em um aglomerado. O meio intracluster é tão quente (10–100 milhões de Kelvin de temperatura) que emite grandes quantidades de raios-X. Como os raios X não penetram na atmosfera da Terra, os astrônomos nem sabiam sobre o meio intracluster até cerca de meio século atrás, quando telescópios de raios X foram colocados acima da atmosfera da Terra pela primeira vez. Hoje, as fontes de raios-X são rotineiramente observadas com telescópios de raios-X em órbita.

É essa emissão de raios-X que tornou esse novo estudo possível. É relativamente fácil usar observações de raios-X para medir a temperatura, Te a emissão total de raios-X do gás intracluster de um aglomerado de galáxias. Se soubermos a distância até um aglomerado de galáxias (geralmente aplicando a lei de Hubble ao redshift do aglomerado de galáxias), então a emissão de raios-X medida pode ser convertida para uma luminosidade de raios-X calibrada, euX. Astrônomos descobriram que existe uma correlação estreita entre euX e T.

Este estudo atual mostrou que alguns aglomerados de galáxias se afastaram significativamente do euX–T relação, e que as partidas dependiam fortemente da localização no céu. Os pesquisadores combinaram seus novos dados em 313 aglomerados de galáxias com os resultados de dois estudos anteriores para trazer a amostra total para 842 aglomerados de galáxias. Os autores do artigo discutiram duas possíveis razões para este afastamento dependente da direção do euX–T relação para aglomerados de galáxias dentro de sua amostra e os eliminou. Isso deixava a possibilidade de que as saídas observadas fossem reais.

Se as partidas forem reais, o que isso significa? A resposta mais provável é que as luminosidades de raios X calibradas estão erradas. Se as luminosidades dos raios X estão incorretas, é porque as distâncias usadas para calibrá-las estavam erradas. Mas essas distâncias vieram da suposição de expansão uniforme em todas as direções, portanto, esses afastamentos do euX–T relação indica que a expansão do universo não é uniforme em todas as direções. Ou seja, o universo não é isotrópico. Esta conclusão é consistente com alguns estudos anteriores, embora a conclusão do estudo atual seja mais robusta.


Viagem de um fóton de fundo de microondas cósmico observado

Se você alterar suas coordenadas, obterá um gráfico linear, se desejar. Não há significado físico em um gráfico como esse. Certamente não representa, de forma significativa, a luz viajando em um caminho em forma de "arco".

Basicamente, um objeto que acelera em linha reta tem um gráfico de distância curvo x tempo - mas ainda está viajando em linha reta.

Esta é uma descrição do caminho da luz no espaço-tempo, não no espaço.

Se estamos falando sobre caminhos através do espaço, então existem múltiplos possíveis & quotpaths through space & quot dependendo de como & quotspace & quot é definido e como & quottime & quot é definido (visto que o & quotpath through space & quot é a posição do objeto em & quotspace & quot como uma função de & quottime & quot). Cada um dos três gráficos no artigo de Davis e Lineweaver mostra uma forma diferente do cone de luz do passado devido a uma definição diferente de & quotspace & quot e uma definição diferente de & quottime & quot. Uma dessas formas é de fato & quot em forma de arco & quot, então não acho correto dizer que tal descrição não é & quot significativa & quot. É tão & quot significativo & quot quanto as descrições das outras duas formas. Nenhuma dessas formas é & quot o & quot único & quotcaminho através do espaço & quot do raio de luz, mas isso é porque não existe um & quotcaminho através do espaço & quot único de nada em GR, uma vez que não há divisão única de qualquer espaço-tempo em & quot; quotspace & quot & quot e & quottime & quot há sempre um número infinito de maneiras possíveis de fazer isso.


5 fatos que você provavelmente não sabe sobre o pano de fundo da micro-ondas cósmica

"A ciência não pode dizer à teologia como construir uma doutrina da criação, mas você não pode construir uma doutrina da criação sem levar em conta a idade do universo e o caráter evolucionário da história cósmica." -John Polkinghorne

Lá fora no espaço, quer olhemos com nossos olhos ou com um telescópio - uma versão muito mais poderosa de nossos olhos - descobrimos que o Universo está cheio de estrelas, galáxias, aglomerados e objetos luminosos para todos os lugares que olhamos.

Mas se olharmos em comprimentos de onda de luz diferentes dos que nossos olhos podem ver, vamos ver o Universo sob uma luz totalmente nova, literalmente. Os raios X mostram onde estão os buracos negros, estrelas de nêutrons e gás ultravioleta, a luz ultravioleta nos mostra as estrelas mais jovens e mais quentes do Universo, o infravermelho próximo nos mostra estrelas mais frias e é transparente para todos, exceto para os átomos neutros mais quentes que normalmente bloquear a luz visível, enquanto o infravermelho distante nos mostra gás quente e frio e poeira, incluindo a localização de estrelas futuras.

Mas se você olhar no microondas parte do espectro, você vê algo que é, talvez, um pouco inesperado. Veja, se você olhar, digamos, no infravermelho, o que verá é completamente dominado pelo grupo local: nossa galáxia, as estrelas nela e as galáxias mais próximas de nós.

Se você for inteligente o suficiente para subtrair essas fontes locais de seu mapa do céu, o que você encontrará é uma série de fontes pontuais que mostram a estrutura do Universo: galáxias, aglomerados e filamentos situados além de nossa própria vizinhança galáctica. Quando você olha para uma imagem como a que está abaixo, estamos olhando para um mapa da estrutura em grande escala do cosmos.

Mas e se olharmos para os comprimentos de onda de microondas? Em vez de ver essa rica estrutura que nos mostra fontes pontuais, galáxias, buracos negros, gás, poeira ou algo assim, o que vemos - uma vez que subtraímos nossa galáxia - é isso.

Acredite ou não, essa é a imagem do nosso Universo em comprimentos de onda de microondas. O céu de micro-ondas nos mostra a mesma radiação de temperatura de 2.725 Kelvin em todas as direções do céu, uma relíquia remanescente do Big Bang quente quando nosso Universo tinha apenas 0,0027% de sua idade atual! Para uma perspectiva, se o Universo fosse dimensionado para ter exatamente um ano de duração, de modo que agora são 23h59 do dia 31 de dezembro, esta é uma imagem de como o Universo era às 0h14 do dia 1º de janeiro!

E esta é uma foto do flutuações no fundo de microondas cósmico, ou as diferenças de temperatura em diferentes regiões do céu. Apenas algumas centenas microKelvin separar as regiões mais quentes das mais frias aqui, com as regiões mais frias (mais azuis) realmente nos mostrando as regiões do espaço de 13,82 bilhões de anos atrás que têm um pouco mais de matéria (e, portanto, um poço gravitacional mais profundo para os fótons saírem, tornando-os aparecem mais frios) do que a média, enquanto as regiões mais avermelhadas (mais quentes) são as menos densas.

Isso é o que vemos quando olhamos para o Universo em comprimentos de onda de microondas: o Fundo Cósmico de Microondas (CMB). Mas naquela era tudo histórico: aqui estão 5 fatos sobre o CMB que você talvez não conheça, até se você é um astrofísico profissional!

1.) O Fundo Cósmico da Microonda na verdade se estende muito no espectro infravermelho e de rádio!

Esse número que corresponde à temperatura do CMB - 2,725 K - é a energia do fóton (convertida em uma temperatura através da constante de Boltzmann) do pico desta radiação. Mas os fótons do Universo vêm de um banho termal, onde matéria, radiação e tudo o mais do jovem Universo colidiam constantemente com todas as outras partículas que via, trocando energia e se termalizando. Isso produz um espectro muito especial para a radiação, conhecido como espectro de corpo negro. Cada fóton no Universo esfria conforme o Universo se expande e estica o comprimento de onda de cada um, mas a forma desse espectro é preservada!

Os fótons ainda podem pico no microondas, mas eles desempenham um papel no infravermelho - particularmente em comprimentos de onda maiores que cerca de 300 mícrons - em toda a faixa de microondas e até o rádio, onde os comprimentos de onda são do tamanho de sua mão!

2.) O Fundo Cósmico da Microonda é uma "superfície" com mais de 100.000 anos-luz de espessura!

Os fótons do CMB colidem com os elétrons e prótons livres o tempo todo, sempre que veem um. Depois que o Universo esfriar o suficiente para que os átomos se tornem neutros, a grande maioria desses fótons agora flui livremente pelos próximos 13,8 bilhões de anos, até atingirem algo como nossos detectores. Mas o Universo não se tornou neutro de uma vez, núcleos e elétrons têm se encontrado por centenas de milhares de anos, apenas para serem destruídos por um fóton de energia alta o suficiente! Quando o tempo passa e o fundo do fóton esfria o suficiente, colisões como essa se tornam cada vez mais raras e, eventualmente, o Universo fica frio o suficiente para que os fótons fluam livremente até o seu olho. É por isso que a CMB é às vezes chamada de "superfície da última dispersão".

Só que não é bem um superfície em qualquer direção: leva algo em torno de 117.000 anos-luz para o Universo ir de um estado completamente ionizado para um estado completamente neutro, e os fótons que vemos vêm de todos os tipos de pontos diferentes ao longo do caminho em todas as direções.

Mas há algo notável sobre o CMB que vemos hoje.

3.) Só se tornou neutro quando o fez por curiosidade de química!

A imagem simplificada que apresentei a você - um fundo de fóton de alta energia resfriando à medida que o Universo se expande - explicaria por que os átomos se tornaram neutros e a CMB aparece como uma "superfície" rugosa, apesar de ter uma espessura finita. Mas pense nisso: toda vez que você tem um átomo neutro se formando, ele emite um fóton, que pode então ser absorvido por outro átomo neutro, ionizando-o novamente! Certo, eventualmente o Universo terá se expandido o suficiente para que obtenhamos nossa superfície de última dispersão, mas essa superfície teria sido um muitos mais espesso do que 117.000 anos-luz se este fosse o efeito dominante.

Na verdade, há outro efeito muito mais importante!

Quando os elétrons em hidrogênio e hélio - que constituem 99,999999% do Universo neste ponto - fazem a transição para o estado fundamental, eles não apenas emitem 1 fóton, mas dois! Isso faz toda a diferença, em vez de viajar até que atinjam outro átomo, levando-o a um estado de energia mais alta, você precisaria de dois fótons para atingir exatamente ao mesmo tempo, algo que é tão raro que efetivamente nunca acontece na física! É apenas para a existência dessa transição atômica que o Universo se torna neutro tão rapidamente quanto o faz.

Algum dia, em um futuro distante, os pontos frios crescerão em regiões mais ricas em estrelas, galáxias e aglomerados (em média), enquanto os pontos quentes crescerão em regiões pouco densas, com números abaixo da média de todas essas coisas. Mas.

4.) Os pontos quentes e frios que você vê no CMB hoje estão completamente alheios a todas as estruturas do Universo!

Como a última superfície de dispersão tem uma espessura de cerca de 117.000 anos-luz, isso significa que com o passar do tempo, essa estrutura alterar! Na verdade, a última superfície de dispersão parecerá completamente diferente 117.000 anos a partir de agora, se ainda estivermos por perto para vê-la. A estrutura que vemos no Universo evoluiu de uma enorme teia cósmica de flutuações iniciais de sementes, espalhada por todo o Universo. Mas a estrutura que vemos aqui está relacionado com a aparência do CMB há bilhões de anos, não o CMB que vemos hoje!

Claro, até onde podemos dizer, o CMB teria parecido diferente apenas em detalhes e a distribuição do espectro de flutuações seria indistinguível, independentemente de quando olhamos.

Mas esse espectro nos diz uma coisa final muito interessante.

5.) Há um limite inferior para o tamanho da estrutura gravitacionalmente ligada no Universo!

Devido à presença de fótons no início do Universo, inicialmente grandes flutuações lavado com o tempo, e se tornam cada vez menores em magnitude em escalas cada vez menores. A massa mais baixa que pode existir em sua própria estrutura limitada neste momento é da ordem de algumas centenas de milhares de massas solares. Se tudo isso estivesse na forma de matéria normal.

Teríamos aglomerados globulares ou coleções de cerca de 100.000 estrelas ou mais! Nós Faz obtenha muitos deles, mas lembre-se, o Universo também está cheio de matéria escura. E então esperamos tb obter estruturas dominadas por esta matéria escura, onde - após uma pequena explosão de formação de estrelas - apenas uma pequena quantidade de estrelas permanece.

O Universo, de acordo com o nosso entendimento da física desde quando o Universo tem apenas algumas centenas de milhares de anos, deve ser preenchido não apenas com aglomerados globulares, mas também com estruturas minúsculas dominadas pela matéria escura com cerca de 1.000 estrelas ou até menos! Ainda bem que é 2013 e não 2005, porque os encontramos!

Com cerca de 1.000 estrelas em uma estrutura contendo 600.000 massas solares (principalmente matéria escura, obviamente), o Segue 1 foi o primeiro a ser descoberto, e agora existem outros! Isso está bem em torno do que foi previsto e nos diz que provavelmente existem centenas a dezenas de milhares ao redor de cada galáxia.

Tudo isso vem da física subjacente à radiação cósmica de fundo, e agora você sabe!

Mais como isso

@ Ethan - sua quinta imagem (o enredo COBE "plano" de 53 GHz) é um pouco uma trapaça. Na verdade, os dados "brutos" do COBE são dominados pelo dipolo induzido por nosso movimento através do universo (http://apod.nasa.gov/apod/ap090906.html). Os dados não mostram "a mesma radiação de temperatura de 2.725 Kelvin em todas as direções", mas são mais quentes na direção de nosso movimento e mais frias na direção oposta. Seu quinto dígito é o resultado da correção ("aumento") daquele movimento dipolar.

Este fato é pelo menos tão interessante quanto o espectro perfeito do corpo negro: existe um referencial natural no qual o Universo está em repouso e podemos medir nosso próprio movimento relativo através dele.

Isso é verdade, talvez eu devesse ter completado a lista com 6 itens e colocá-los!

Não há química no # 3. Sem vínculos = sem química

Não estou vendo a relevância do ponto # 3, que presumivelmente tem a ver com regras de seleção em transições de estado atômico, na história do CMB. É verdade, na ausência de colisões, você precisa de dois fótons para fazer a transição entre os estados 1s e 2s de um átomo semelhante ao hidrogênio, ou de 1s ^ 2 a 1s2s em hélio neutro, porque com um único processo de fóton e sem colisões seus valores permitidos de ΔL são +1 e -1. Mas isso não o ajuda com fótons que são energéticos o suficiente para ionizar seu átomo, porque as regras de seleção não se aplicam lá (o elétron pode carregar o momento angular do fóton). Um átomo de hidrogênio 2s é tão neutro quanto um átomo de hidrogênio 1s, mas não está no estado fundamental. Além disso, a advertência de "sem colisões" é essencial, porque, quando há uma colisão, o outro corpo pode absorver o quantum do momento angular. Sabemos que isso acontece porque a linha alfa de Lyman, e seu equivalente para He +, são observadas.

"Mas isso não o ajuda com fótons que são energéticos o suficiente para ionizar seu átomo"

Como na produção em pares, onde dois fótons são criados, quando você divide sua energia em dois fótons, os fótons resultantes tornam-se incapazes de manter a reação por conta própria.

Portanto, você precisa de uma densidade de fóton e átomo alta o suficiente para que a chance de colisão dentro do tempo de relaxamento do átomo excitado (que é menor para estados mais energéticos, que requerem apenas dois fótons para conseguir ionizar) seja maior do que 1.

Quando é menor que 1, você obtém uma decadência logarítmica do potencial ionizante para o universo.

E porque ele divide a energia ao meio, ele reduz muito mais rápido do que a subtração linear dos elétrons livres energéticos que irradiam quando capturados novamente.

Como na produção em pares, onde dois fótons são criados, quando você divide sua energia em dois fótons, os fótons resultantes se tornam incapazes de manter a reação por conta própria.

Mas isso pressupõe que você realmente precisa de dois ou mais fótons para fazer uma transição. O que é verdade para uma transição ns - & gt n's, mas há alguns casos em que isso não é verdade. Há um no diagrama que Ethan mostra: indo do estado identificado como 1s5p (suspeito que seja um erro de digitação e deveria ser 1s2p) para 1s ^ 2 no átomo de hélio neutro. Transições como essa, ou np - & gt n's em um átomo semelhante ao hidrogênio, podem ser feitas com um fóton porque ΔL = -1, como mostra a figura. O mesmo ocorre com a captura de um elétron livre: contanto que você tenha ΔL de +1 ou -1, você pode fazê-lo emitindo um único fóton. Pode ser que a maioria das capturas de elétrons envolvam diferentes valores de ΔL, mas Ethan não disse isso no post.

O que provavelmente é mais importante é que em algum ponto sua população de fótons ionizantes se esgota devido ao redshift. Uma vez que o caminho livre médio dos fótons ionizantes torna-se longo o suficiente, alguma fração dos fótons emitidos quando um núcleo capturou um elétron não tem mais energia o suficiente no quadro de um átomo que encontram para ionizar esse átomo. Então, em vez disso, se estiver em uma das energias certas, ele chuta o elétron de um estado s para um estado p, ou de um estado p para um estado s ou d. Você também precisa de um caminho livre médio longo o suficiente para os átomos, de modo que eles não se desexcitem por colisão, onde, como eu disse, o outro átomo pode carregar o momento angular extra. Só então as vias de múltiplos fótons se tornam importantes.

Não existe nenhum Big Bang.

Não é que você exigir a transição a ocorrer entre os diferentes estados ns (e 2s - & gt 1s é o processo dominante, embora outros possam desempenhar um papel até o

Nível de 1%), mas isso quando ocorre uma transição 2s - & gt 1s, não há reação de retorno substancial.

Sim, a transição 2p - & gt 1s é mais comum do que a transição 2s - & gt 1s, mas não é uma divisão 100% / 0%. Portanto, mesmo que isso ocorra apenas uma em cem vezes, ou um em um milhão, eventualmente, ocorrerá e, quando acontecer, você terá apenas um ganho líquido de um átomo neutro. E isso ocorre com frequência suficiente para que seja de longe a forma dominante que os átomos neutros se formam no Universo durante a recombinação.

Para um pouco mais sobre a base teórica disso, você pode verificar o Lamb Shift: http://en.wikipedia.org/wiki/Lamb_shift

"Mas isso pressupõe que você realmente precise de dois ou mais fótons para fazer uma transição."

O que é verdade para todos os fótons emitidos por uma transição que emite dois fótons. Cada vez que essas transições ocorrem, esses fótons não são mais capazes de re-excitar outro átomo por conta própria. Você pode adicionar um multiplicador para contabilizar a proporção de interações que envolvem essas transições, e não mudará se você está perdendo energia potencialmente ionizante em uma taxa logarítmica.

Obviously the universe has to cool to a certain point for this effect to matter, and obviously the universe would have eventually cooled to the point where the atoms would have become neutral anyway. However that point would have been much later if all the helium and hydrogen transitions emitted single photons. This is the point.

Ethan: I didn't "get" fact 5, and wonder if the dark-matter inference sounds a bit of a stretch. Segue1 appears to contain a lot of "primordial" stars and hardly any neutral hydrogen. Couldn't the dark matter be non-luminous ordinary matter?

And what about fact 6? You hinted at it in fact1. The CMBR has redshifted by a factor of about a thousand. A long-wavelength photon has less energy than a short-wavelength photon. So, given that conservation of energy holds good as far as we know: where's the energy gone?

@Michael Kelsey re #1: I like the "natural" reference frame. Particularly since the universe is as absolute as it gets!

Getting scooped by Ethan is the best. :)

If someone might explain this to me: what is the meaning of saying that the surface of last scattering is 100,000 lightyears "thick"? Is that the same as saying it took 100,000 years from the beginning of last-scattering to the end of last-scattering? So it's 100,000 YEARS thick? Is this a stupid question?

I had not heard of the dipole that Michael mentions in his comment. I thought that Relativity ruled out all fixed reference frames.

I would like to learn more about this. Would you consider doing a post on it or putting up some layman level links?

I understood small parts of this. The real sweet spot for me was #4 where I learned an answer to a question I had for a long time. The CMB pattern does not correspond to large scale structures in the universe today. That gave me closure. Thanks.

@StellarAsh re #14: google on CMB dipole anisotropy. Relativity doesn't rule out a "universal reference frame" at all. Remember that Einstein's greatest blunder involved a static universe that would have provided a different sort of universal reference frame.

The CMB Dipole is definitely a good topic for down the road here. I've got something else I want to write about today, but I'll definitely put it in the ol' mental incubator. When it's fully baked, maybe in a week or two, you'll get your wish.

You do NOT confuse an incubator with an oven!

(I was in an incubator for two months. Gas mark 3, I think. :-))

The Relativity Principle that Einstein's theories are based on states that the laws of physics have the same mathematical formulation in any reference frame (non-accelerating in the Special case, any reference frame at all in General).

You may have heard this referred to as "There is no 'privileged' reference frame", but this is a very specific meaning of "privileged" which means that there isn't any singular frame where the laws of physics only have to apply to it.

The classic example is the conundrum with Maxwell's equations which said the speed of light in a vacuum was constant, which conflicted with Newtonian mechanics which said that velocities add linearly. The Aether was proposed as the singular reference frame in which Maxwell's equations would apply as written. You would only ever get the right answer for an experiment by accounting for your motion relative to the Aether.

In the Relativistic world, Maxwell's equations apply everywhere, the speed of light is constant relative to you, and you can always consider the reference frame in which you conduct your experiment to be motionless (or moving at a fixed velocity) and it makes no difference.

There can of course still be "special" reference frames in the more human sense of being of particular interest or usefulness. That's fine. As long as we are able to consider ourselves to be at rest, and the rest of the universe moving relative to us, and still get the same answers. Which we are. So everything is cool.

This is a little off the subject, but supposedly in the MB they can see the evidence of the so called "dark flow" of a large number of galaxies toward the visible edge of the universe, any ideas of what could be the cause?

How do we know that the 600k solar mass cluster contains mostly dark matter and not, say, a supermassive black hole and 1000 stars? Is this supported by other unrelated observations or just assumed because it aligns with a model?

The motions of the visible stars will show the concentration of matter radially through the cluster. If the matter does not constrain itself to a virtual point then it isn't a supermassive black hole

Which is to say that why yes it "just" aligns with a model, and doesn't align with others.

Alignment with a model proves nothing alone. Observational evidence ruling out all other known models is much more compelling. Ethan has written a number of convincing articles explaining why the existence of DM is the only known explanation for a large set of independent observations. This is the essence of my question. Are their other plausible explanations that cannot yet be discarded through observational evidence?

With a statement like "mostly dark matter, obviously", I would assume that the answer is "yes" to those familiar with the literature, but experience has taught me that any assertion connected to "obviously" is worth additional questioning.

It proves that the model is good enough to describe reality.

And if observational evidence is against a supermassive black hole, the that proves your model incorrect.

Alignment (or not) with a model is all you ever "prove" in science. But "are there other models that aren't ruled out" is a fair question. They observed the velocities of the stars in the mini-galaxy, and that rules out things that don't act like a diffuse source of gravity.

It would be interesting if any of the modified gravity theories have been applied to this object. I wouldn't be too surprised if they work since there are plenty of other galaxies where they can't be ruled out, but on the other hand, maybe it doesn't track the changing dark/visible matter ratio. DM has an explanation for why as total (apparent) mass gets smaller, the dark/visible ratio gets bigger.

Polkinghorn, that buffoon, really? Oy.

". the regions of space from 13.82 billion years ago that have slightly more matter (and hence a deeper gravitational well for the photons to climb out of, making them appear colder) than average, while the reddest (hottest) regions are the least dense regions."

The bit in parenthesis was very enlightening. good post sir!

2014 is the 50th anniversary of the discovery of cosmic microwave background radiation, that pay foundation to the Big Bang theory. Arno Allan Penzias and Robert Wilson were the scientists behind the find.

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Ask Ethan #10: Why is the Universe the same everywhere?

"One of the most tragic things I know about human nature is that all of us tend to put off living. We are all dreaming of some magical rose garden over the horizon instead of enjoying the roses that are blooming outside our windows today." -Dale Carnegie

Our new Ask Ethan segment has been really popular, and the questions and suggestions keep pouring in. It's your Universe too, and if there's something you want to know about it, you should ask! (So keep it up!) This week's question is one of the biggest of them all, and it comes courtesy of John L. Ferri, who asks,

I have a difficult time understanding cosmic inflation and the horizon problem. I think you covered it once before, but more detail may help my confusion.

Let's back up to the beginning, to put this in some context.

This is your Universe. It goes on as far as the most powerful telescopes ever devised can see in all directions, finding tens of thousands of galaxies located tens of billions of light years away everywhere we've ever looked. On the largest scales, it's roughly the same -- the same densities, temperatures, star-and-galaxy types, metallicities, etc. -- no matter where we attempt to look. The biggest difference we've found is that the farther away we look, the younger the things we're looking at appear to be, and the faster they appear to be receding from us.

This has to do with how the Universe is expanding and evolving. Thanks to three big pieces of evidence in the context of General Relativity (our theory of gravity):

  1. The Hubble expansion of the Universe, or the observation that a galaxy's apparent redshift correlates with its apparent distance from us,
  2. The existence and properties of the Cosmic Microwave Background (CMB), or an almost-perfectly-uniform sea of blackbody radiation in all directions just a few degrees above absolute zero, and
  3. The abundances of the light elements -- hydrogen, deuterium, helium (He-3 and He-4) and lithium -- in the earliest recesses of the Universe, before any stars had formed,

we can safely conclude that the Universe evolved and expanded from a hotter, denser state, and that has been around in its current matter-and-radiation-filled form for about 13.8 billion years. A long time, but not an infinite amount of time. This paradigm is known colloquially as the Big Bang.

But there's an issue here. Over the past 13.8 billion years, the Universe has expanded according to the rules of General Relativity, which means the rate that space has expanded is determined by some set of initial conditions and also on the energy content (normal matter, dark matter, radiation, neutrinos, dark energy, spatial curvature, etc.) of the entire Universe. Que part is fine, but the issue is that the Universe appears to have the same rough, average properties everywhere we look.

The densities and clustering properties of galaxies on one side of the Universe are identical to those observables on the other side, no matter what arbitrary "side" you choose. This should strike you as weird. Por quê?

Consider that since the Big Bang, no information has been able to travel faster than the speed of light. We can "see" 46 billion light years in each direction because that's how far light has been able to travel in the expanding Universe over the past 13.8 billion years. So if we can look more than 23 billion light years in one direction and more than 23 billion light years in the other direction, we wouldn't expect these regions to be related.

Still confused? Let's give you an analogy to help understand this better.

Consider boiling water in a pot on your stove. You heat the water from the bottom, and -- as best as you can tell -- the water boils at the same time everywhere in the pot. There's no discernible temperature difference between the top of the water and the bottom. Think about that fact for a second.

Por que é que?

You're heating the pot of water from the bottom, but the water is heating up everywhere. This is because the water molecules are moving around, bumping into other water molecules, and sharing their energy among one another. You may be heating the water from the bottom, but the water from the bottom can interact -- and exchange information/energy -- with the water in the rest of the pot, and can do it on timescales that are very small compared to the timescale of heating the water to a boil.

This isn't always the case.

Consider the above photo, where lava flows down from an active volcano and into the ocean. Where the lava -- well over 1,000 °C -- strikes the water, it boils almost immediately due to the incredible temperature difference. But the ocean is vast, and the rate of heat transfer is finite you don't have to go very far away from where the lava enters the water at all to find waters where the temperature is virtually unaffected by the lava heating the water. For all practical purposes, those regions are causally disconnected from one another, because they do not exchange information or share properties with one another.

It would be muito surprising if causally disconnected regions -- regions that didn't come in contact with one another or exchange information with one another -- had the same temperatures. Yet that's exatamente what the Universe appears to do!

Consider that the Cosmic Microwave Background (CMB) was emitted when the Universe was just 380,000 years old, and that in that time -- even in our rapidly expanding Universe -- light could have only traveled around one million light years in any direction. If you filled in the microwave sky with circles a million light-years in radius, it would take more than ten billion independent regions to fill what we can see! And yet, these causally disconnected regions have the same temperatures, spectra, and densities to about 99.99% precision.

That problem -- that regions that have never had a chance to exchange information with one another just happen to have identical properties to one another -- is known as the horizon problem.

But there is a way to solve it these regions may not have had time to exchange information with one another Desde a the Big Bang, but what if the Big Bang began with them already having the same properties?

In a nutshell, that's what inflation is: the thing that happened before the Big Bang that not only sets it up, it sets up the initial conditions that our Universe appears to have! By taking a small, tiny region (possibly even an infinitesimal region) and expanding it exponentially, that tiny region stretches to a size larger than our presently observable Universe, and ensures the following:

  1. That any matter, particles, energy or topological defects existing in that region of space prior to inflation will be so reduced in density that -- at most -- there will be only one such particle left in our Universe (solves the monopole problem),
  2. Whatever curvature space had prior to inflation, inflation stretches it so that it will appear to be indistinguishable from flat when we look at it post-inflation (solves the flatness problem),
  3. Whatever variations there were in temperature or density across different regions of space prior to inflation, it's only one tiny region that gave rise to our entire observable Universe, explaining why our Universe appears to have the same temperature-and-density properties everywhere we look (solves the horizon problem), e
  4. Quantum fluctuations that take place (according to well-understood laws) during inflation give rise to a very particular set of predictions for temperature-and-density fluctuations (and imperfections) in our observable Universe today. (Some more explanations here, here and here.)

Item number three is how the horizon problem is solved: by taking a tiny region where things once were connected and stretching it to such a large size that everything we see -- although they're not connected since the Big Bang -- was once connected before the Big Bang.

If you don't allow inflation, then you simply have to sweep those three problems (monopole, flatness and horizon) and one prediction (about the now-confirmed spectrum of density-and-temperature fluctuations in the Universe) under the rug, and say, "Those are just the initial conditions the Big Bang started with" to make your model work.

Or, you can embrace inflation as the simple, elegant and straightforward way to solve all of them.

And that's why the Universe -- to the best of our knowledge -- is the same everywhere e in all directions.

Have a question or suggestion? Drop me a line in our question/suggestion box, and your idea could get the Ask Ethan treatment next!

More like this

Interesting - that does help. One terminology question: what would be "topological defects" (as referenced in the first of the four points)?

Is the assumption then that the universe didn't start in a singularity? A zero-dimensional point is trivially the same everywhere.

Easy to read. Damn near impossible to understand or comprehend

This is a good article, but I take exception to the following statement:

"that’s what inflation is: the thing that happened before the Big Bang"

I read your previous articles, and not a single cosmologist I know defines inflation and the Big Bang the way you do (and being an experimental cosmologist myself, I know quite a few).
Rather, they say inflation did not happen before the Big Bang, since the "Big Bang" is simply t = 0 (where t=380,000yr is recombination and t = 13.7Gyr is now). Rather, inflation happened immediately após the Big Bang, and the process was over by t

Inflation generates the initial conditions of the early universe's subsequent evolution without having to have a fine-tuned initial state at the Big Bang itself.

To answer dean: "topological defects" are things like monopoles (0-dimensional), cosmic strings (1-dimensional), and domain walls (2-dimensional) that have different physical properties than the 'regular' universe.

One thing I'm still missing from this is the assumption that causally disconnected regions should have different properties in the first place. The coloured triangles, stars and squares in the second-last figure. I'm sure there's a solid quantum mechanical reason for this but to the classical mind it seems that if they had undergone the same pre-inflation history they would be the same regardless of whether they had been connected. The seawater example doesn't really help because if you think of the synthesis of two tubs of seawater via an identical process you would expect them to end up identical.

There's a brain-bender you casually mentiuon with no attempt to explain it Ethan. Você diz

We can “see” 46 billion light years in each direction because that’s how far light has been able to travel in the expanding Universe over the past 13.8 billion years.

Am I missing something here? Is this a typo? How does light travel 46 bly in only 13.8 by?

There is an error in that picture. O

4.5 Billion should read 9.2 Billion years. This will confuse many people. While the earth was created 4.5 billion years ago, the rest of that picture tells how long ago the universe was created.

I still don't understand why disconnected parts of the universe aren't the same just because they were created at the same time in the same explosion.

@mike#9: The diagram is right. It shows the time elapsed SINCE the Big Bang. So 4.5 billion ly = 9.2 billion ago.

@Artor #7: Not a typo. It's because of the expansion of space.

Obviously light can't travel faster than light rather, the place from which the light was emitted is now much further away from us than it was originally.

Singularity is not in picture. Notice that inflation requires spacetime to exist and it requires a field (inflation field) in order to work. Those already existed. Thus inflation doesn't give an answer how spacetime came to be. No theory does so far.

Disconnected regions needn't have different properties per say. But they can. That's the issue. In current time all have same properties. How?
If we stick to energy and temperature, of course it's possible for two causally unlinked places to have same temperature. It's called chance or coincidence. But it's impossible for all of them to have same temperature and not be linked by some physical process. Because the chance to have same properties and not be linked is same as having different properties and not be linked. If it's random.

So why don't we have regions that are i.e. 7 or 10K. By chance, it should happen. But it doesn't. Conclusion being that thermal equilibrium was achieved before inflation. That region we occupy now was in near perfect thermal equilibrium before it got inflated. That's why everything within our inflated bubble is same now.

@ 10 Keith
no, no explosion, no "creation" of parts of universe. Nothing like that. You don't have the right mental picture of Big Bang.

singularity doesn't work for other reasons as well, but those have nothing to do with inflation.
The simplest. if you have something that is infinite.. a singularity. You need an infinite amount of something else to make that first infinity anything else than infinity.
Yes, you can say the Universe started with a singularity. But why isn't it still a singularity? Once physicists started to tackle that issue, it was soon realized that singularities just don't work.

They don't work for black holes either, Sinisa.

I think Ethan describes inflation fairly well here, albeit with a minor issue of what came first. But I have to say that inflation as described doesn't actually explain anything. You could equally assert that the available evidence suggests that the early universe was flat and homogeneous.

Mind you, I think there was a form of inflation, but a little different to the usual description, one involving GR time dilation. Imagine the early universe expanded at some slow steady pace, like a pumpkin. If you were in that universe, you would be subject to something akin to the infinite time dilation at a black-hole event horizon. So you would claim that the slow steady pace was extremely rapid, as would observers at a later epoch.

your view is left stuck with monopoles. Probably some other things as well, but this is the obvious one to me. From energy scales of early universe, you would expect to find monopoles. The fact we don't makes your model fail.

@ John
p.s.
another obvious thing would be CMB. No time dilation or anything of sort would produce CMB patterns.

Many comments let's see what I can do.

dean @1, a topological defect is anything that, if you removed all the matter and energy in the Universe, would still leave spacetime deformed. The simplest is to imagine a knot in spacetime (a 0-dimensional defect) magnetic monopoles would be such an example of this. But you can also have 1-d defects (cosmic strings, that would cause a linear discontinuity in the Universe), 2-d defects (domain walls, that would cause a planar discontinuity), 3-d defects (cosmic textures), etc. There have been extensive searches for these defects, both experimentally and observationally, and -- with one famous exception -- there are only constraints.

Benhead @2, the temperature fluctuations in the CMB constrain the energies the post-inflationary Universe to be at most a factor of

1000 lower than the Planck scale, so there's no way to have an effectively zero-dimensional point there. Inflation, because of its exponential nature, is past-timelike-incomplete, which only means that it never starts from a true single (zero-dimensional) point. (See this older post.) But there could have been a pre-inflationary state that spawned our inflating Universe the Bunch-Davies vacuum is an excellent candidate for that, although I'll point out that this discussion is very speculative, based on unobservables and experiments beyond the scope of our Universe.

asad @5, are all the cosmologists you know incredibly old? I ask that because identifying t=0 as "the moment of the Big Bang" is a relic from pre-inflationary Big Bang cosmology, and considering that inflation came out over 30 years ago, it's an odd thing to continue teaching. The facts are that the Big Bang -- or as it was called by its non-detractors, the primeval fireball -- was assumed to have begun in a singularity because that's the natural extension of a matter-and-radiation-dominated Universe in a FLRW cosmology. But if there's an inflationary state preceding the matter/radiation-filled Universe, then you don't know how long inflation went on for (you only have a lower limit), and the t=0 time ceases to have any importance. (See this long post for a further explanation.) I get where the "The Big Bang is t=0" comes from, but it's a historical relic that should be consigned to the rubbish bin of history in the light of the inflationary paradigm.

John @6, I had that exact same objection when I was an undergrad, figuring something like: hey, if it's the same Universe at the same starting point, why shouldn't it have the same properties everywhere? And what I didn't realize is that my inherent assumption was that there was a point in the past that there was something that could be construed as a starting point, with the same properties everywhere, something that can never be technically true in a matter-and-radiation-dominated Universe in an FLRW cosmology. It might violate our intuition about thermodynamics, but our intuition is wrong, and the level of homogeneity in the Universe's temperature is something we simply have to insert a priori and say "the Universe began with these initial conditions," or we could look for dynamics (like inflation) that demand them. The latter is how science advances.

Artor @7, darkgently @12 has recommended exactly the article I would have recommended to you: this one. Imagine an ant crawling between two points along the surface of a balloon as the balloon is blown up. The ant may herself walk 13.8 cm, but then look back at her initial departure point and find that it's 46 cm away. That's what the Universe is like.

mike @9, I had never noticed that mistake on the STScI image you're right! I'll have to either make some crude edits next time or find a different image. Also, there are other numerical mistakes on that image (

380,000), so the image is only qualitatively interesting.

John @15, you have to remember that inflation makes predictions about the initial spectrum of density and temperature fluctuations in the Universe, predictions that were uncovered in the 1970s and 1980s by Starobinskii, Bruce Allen and others. They predict, among other things, an almost perfectly scale-invariant spectrum of density (scalar) fluctuations but with a slight red tilt to them, a set of tensor fluctuations that generally adheres to only two sets of predictions (either "new inflation" or "chaotic inflation" styles), and that these observations from the recent CMB experiments have matched these predictions. To contend that "inflation as described doesn’t actually explain anything" is grossly unfair. As Sinisa alludes to, you'd also have to remove any high-energy relics from the Universe, although it's conceivable that ultra-high-energy physics is such that none exists a far greater "dealbreaker" problem is the CMB, which cannot be explained without inflation or, alternatively, something very much indistinguishable from it.

Remember, if you've got a question that you think is good enough for an entire column, just send it over in the question/suggestion box!

Thanks for the explanation. It should make Guth's "The Inflationary Universe" a little more understandable to me.


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