Сколько фотонов в среднем находится в свободном пространстве

Плотность фотонов

Плотность фотонов во Вселенной составляет примерно 410 фотонов на см$^3$(немного больше, чем приближение в источнике, указанном в комментариях, в котором используется средняя энергия фотонов), и в нем преобладает космическое микроволновое фоновое (CMB) излучение. Число фотонов от звезд/галактик более чем на два порядка меньше, и поэтому ими можно пренебречь. Этот ответ предоставляет графический обзор различных вкладов.

Общее количество фотонов

Если вас интересует общее количество фотонов в (наблюдаемой) Вселенной, умножьте ее на объем, заданный ее радиусом в 47 миллиардов световых лет (вы не можете рассчитать ее радиус, как вы делаете в своем комментарии, потому что скорость расширения не связана с скорость света), чтобы получить примерно$10^{89}$фотоны. Это число примерно постоянно на протяжении всей истории Вселенной (в отличие от энергии).

Отношение к темной энергии

Энергия фотонов вносит вклад в общую энергию Вселенной, но уменьшается с расширением до четвертой степени, как обсуждалось в ответе Эвана Рула. Однако эта энергия является «нормальной» энергией в том смысле, что она приводит к гравитационной силе (которая сегодня незначительна, но доминировала, пока Вселенной не исполнилось ~ 47 000 лет), и, таким образом, действует так, чтобы уменьшить скорость расширения. Напротив, темная энергия имеет противоположный эффект увеличения скорости расширения. Так что ответ на ваш последний вопрос - нет.

Отношение к темной материи

В принципе, излучение или подобные излучению частицы, такие как нейтрино, могут быть по крайней мере частью темной материи . Это была бы так называемая «горячая темная материя», но ее значение как главного вкладчика было исключено, поскольку она размывает космологические структуры, а не вызывает их (см., например, этот вопрос + ответы ) .

Плотность энергии фотонов действительно влияет на расширение Вселенной, подобно эффекту темной материи и темной энергии. Однако в настоящее время плотность энергии фотонов оказывает гораздо меньшее влияние, чем темная энергия или темная материя. Это связано с тем, что плотность энергии различных компонентов зависит от размеров Вселенной. Плотность энергии темной материи (что неудивительно) масштабируется как плотность обычной материи.

$$\begin{equation} \rho_{DM}\propto a(t)^{-3}. \end{equation}$$ То есть по мере расширения Вселенной и увеличения масштабного коэффициента плотность энергии темной материи уменьшается на три масштабных коэффициента, по одному для каждого пространственного измерения.

Фотоны, однако, в дополнение к тому, что их плотность разбавляется расширением пространства, также смещаются в красную сторону, так что их плотность энергии падает на дополнительный обратный масштабный коэффициент.

$$\begin{equation} \rho_{\gamma}\propto a(t)^{-4}. \end{equation}$$ Наконец, у нас есть темная энергия, также называемая космологической постоянной. Он постоянен относительно масштабного коэффициента.

Итак, мы видим, что с течением времени и увеличением масштабного коэффициента плотность темной энергии остается постоянной, а плотность темной материи падает по мере увеличения масштаба.$a(t)^{-3}$и плотность энергии фотонов падает как$a^{-4}$. Это причина того, почему мы сейчас живем в период ускоряющегося расширения: радиация и плотность темной материи были достаточно разбавлены расширением, так что темная энергия доминирует.

Важно отметить, что Вселенная развивается по-разному в периоды, когда преобладают излучение, темная материя или темная энергия. В частности, только темная энергия может вызвать ускоренное расширение. Радиация и темная материя замедляют и, в конечном счете, обращают вспять расширение, хотя и количественно по-разному.

В достаточно ранние сроки, когда$a(t)\ll 1$, плотность фотонов будет велика по сравнению с плотностью темной материи и плотностью темной энергии. В эту эпоху преобладания излучения плотность энергии излучения будет определять эволюцию масштабного коэффициента.

На приведенном ниже графике показано, как менялся коэффициент масштабирования во Вселенной, подобной нашей. После начального периода экспоненциального расширения (инфляции) во Вселенной преобладало излучение, затем преобладала материя и, наконец, преобладала темная энергия.

Наконец, в этом ответе можно найти расчет современной плотности энергии фотонов по температуре реликтового излучения .