Ursprunglig fråga:
Hej! Ibland ses i medier uppgifter om antal partiklar per m^3 eller antal partiklar per cm^3 i rymden, dvs långt utanför jordatmosfären. Antalet varierar rätt mycket och jag undrar om det finns något tillförlitligt värde och vilket detta är. Finns även något beräknat/uppmätt värde på antal neutriner per m^3? Även fotoner borde kunna räknas på analogt sätt. Finns mätvärde?
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Densiteten av materia i universum varierar mycket från superhöga densiteter i svarta hål och neutronstjärnor till mycket låga värden utanför galaxhopar. Jag antar emellertid att du frågar om medeldensiteten.

Den klassiska kosmologin med bara normal (baryonisk) materia gav en densitet på 6 väteatomer/m³ om universum var plant (kritisk densitet). Eftersom endast 4.6% av den totala energin (massan) är baryoner (se fråga 18686 ), så sjunker baryondensiteten till c:a 1/4 väteatom/m³. Från förekomsten av lätta nuklider efter Big Bang kan man dra slutsatsen att en försumbar del av den mörka materien är baryoner. Denna måste alltså bestå av något okänt, t.ex. WIMPs ("tunga neutriner").

Nära tiden för Big Bang dominerade strålning över materia (till höger i nedanstående figur där 1/R [skalfaktorn R] är stort). Allteftersom universum expanderar (R blir större) avtar materietätheten som 1/R³. Strålningstätheten avtar emellertid som 1/R⁴ eftersom man även måste ta hänsyn till att strålningens energi avtar på grund av att våglängden ökar som R. Vid en punkt är alltså densiteten av strålningsenergi och materia lika. Nu (13.75 miljarder år efter Big Bang) är strålningsenergin nästan försumbar.

Antalet fotoner är 3.7*10⁸/m^{3 *}. Detta låter som mycket, men man skall komma ihåg att energin för temperaturstrålning vid 2.7 K är mycket liten (3kT=1.1*10^-22 J).

I länk 1 diskuteras den kosmiska densitetsparametern W och hur denna är summan av materian (baryonisk och mörk), relativistiska partiklar (neutriner och fotoner) samt mörk energi.

Vad gäller densiteten av kosmiska neutriner så har man ännu inte detekterat dessa, men teoretiska beräkningar uppskattar att det finns 3.3*10⁸/m^{3 **}. Detta är som synes nästan exakt samma som ovanstående fotondensitet.

Se även länk 2 och Cosmic_neutrino_background . ____________________________________________________________
^* http://www.maths.qmul.ac.uk/~jel/ASTM108lecture8.pdf.
^** http://lappweb.in2p3.fr/neutrinos/anunivers.html

Nyckelord: kosmologi [33]; kosmisk bakgrundsstrålning [19]; materia [6]; mörk materia [17]; mörk energi [6]; WIMPs [3];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/denpar.html
2 http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_matter.html