Det är ingen hemlighet att universum är en extremt stor plats. Och med tanke på den rena volymen på detta utrymme, kan man förvänta sig att mängden material som finns inne i skulle vara på samma sätt imponerande.
Men intressant nog är det när man tittar på den frågan på den minsta vågen att siffrorna blir de mest förbluffande. Till exempel antas det att mellan 120 till 300 sextillioner (det är 1,2 x 10²³ till 3,0 x 10²³) stjärnor finns i vårt observerbara universum. Men när man tittar närmare på atomskalan blir siffrorna ännu mer tänkbara.
På denna nivå uppskattas det att det finns mellan 1078 till 1082 atomer i det kända, observerbara universum. I lekmannens termer fungerar det mellan tio quadrillion vigintillion och hundra tusen quadrillion vigintillion atoms.
Och ändå återspeglar dessa siffror inte exakt hur mycket materia universum verkligen kan hysa. Som redan nämnts står denna uppskattning endast för det observerbara universum som når 46 miljarder ljusår i vilken riktning som helst och baseras på var expansionen av rymden har tagit de mest avlägsna föremål som observerats.
Medan en tysk superdator nyligen körde en simulering och uppskattade att cirka 500 miljarder galaxer finns inom observationsområdet, placerar en mer konservativ uppskattning antalet till cirka 300 miljarder. Eftersom antalet stjärnor i en galax kan löpa upp till 400 miljarder, kan det totala antalet stjärnor mycket väl vara cirka 1,2 × 1023 - eller drygt 100 sextillioner.
I genomsnitt kan varje stjärna väga cirka 1035 gram. Således skulle den totala massan vara cirka 1058 gram (det är 1,0 x 1052 metriska ton). Eftersom varje grammaterial är känt att ha cirka 1024 protoner, eller ungefär samma antal väteatomer (eftersom en väteatom endast har en proton), då skulle det totala antalet väteatomer vara ungefär 1086 - alias. hundra tusen fyrhjärts vigintillion.
Inom detta observerbara universum sprids denna fråga homogent över hela rymden, åtminstone när den är genomsnittlig över avstånd längre än 300 miljoner ljusår. På mindre skalor observeras emellertid att materien bildas till de klumpar av hierarkiskt organiserad lysande materia som vi alla är bekanta med.
Kort sagt, de flesta atomer kondenseras till stjärnor, de flesta stjärnor kondenseras till galaxer, de flesta galaxer till kluster, de flesta kluster till superkluster och slutligen till de största strukturerna som den stora muren av galaxer (alias Sloan Great Wall) . I mindre skala genomsyras dessa klumpar av moln av dammpartiklar, gasmoln, asteroider och andra små klumpar av stjärnmaterial.
Universums observerbara materia sprids också isotropiskt; vilket betyder att ingen observationsriktning verkar annorlunda än någon annan och varje region på himlen har ungefär samma innehåll. Universumet badas också i en våg av mycket isotropisk mikrovågsstrålning som motsvarar en termisk jämvikt på ungefär 2.725 kelvin (strax ovanför Absolute Zero).
Hypotesen att det storskaliga universum är homogent och isotropiskt kallas den kosmologiska principen. Detta säger att fysiska lagar agerar enhetligt i hela universum och därför inte bör ge några observerbara oegentligheter i storskalans struktur. Denna teori har backats upp av astronomiska observationer som har bidragit till att kartlägga utvecklingen av universums struktur sedan den ursprungligen fastställdes av Big Bang.
Det nuvarande samförståndet bland forskare är att den stora majoriteten av materien skapades i denna händelse, och att universums expansion sedan dess inte har lagt till ny materia i ekvationen. Snarare antas det att det som har ägt rum under de senaste 13,7 miljarder åren helt enkelt har varit en expansion eller spridning av de massor som ursprungligen skapades. Det vill säga, ingen mängd materia som inte fanns i början har lagts till under denna utvidgning.
Men Einsteins ekvivalens av massa och energi utgör en liten komplikation för denna teori. Detta är en konsekvens som härrör från särskild relativitet, där tillsatsen av energi till ett föremål ökar dess massa stegvis. Mellan alla fusioner och fissioner omvandlas atomer regelbundet från partiklar till energier och tillbaka igen.
Icke desto mindre observeras i stor skala universums övergripande materitetäthet densamma över tiden. Den nuvarande tätheten i det observerbara universum beräknas vara mycket låg - ungefär 9,9 × 10-30 gram per kubikcentimeter. Denna massenergi verkar bestå av 68,3% mörk energi, 26,8% mörk substans och bara 4,9% vanlig (ljus) substans. Således är densiteten hos atomerna i storleksordningen av en enda väteatom för varje fyra kubikmeter volym.
Egenskaperna hos mörk energi och mörk materia är till stor del okända och kan fördelas jämnt eller organiseras i klumpar som normalt material. Det antas emellertid att mörk materia tynger som vanlig materia och därmed arbetar för att bromsa universums expansion. Däremot accelererar mörk energi dess expansion.
Återigen är detta nummer bara en grov uppskattning. När den används för att uppskatta universumets totala massa faller det ofta under vad andra uppskattningar förutspår. Och i slutändan är det vi ser bara en mindre bråkdel av helheten.
Vi har många artiklar som är relaterade till mängden ämne i universum här i Space Magazine, som hur många galaxer i universum och hur många stjärnor är i Vintergatan?
NASA har också följande artiklar om universum, som hur många galaxer finns det? och denna artikel om stjärnorna i vår galax.
Vi har också podcast-avsnitt från Astronomy Cast om ämnet Galaxies and Variable Stars.
