Vznik vesmíru

Vznik vesmíru

Veľký tresk (Big bang) bol začiatkom všetkého: času, priestoru a základných stavebných prvkov všetkej hmoty vesmíru. Obrovské kozmické hodiny začali tikať asi pred 13 miliardami rokov v takej stlačenej žeravej guli, že z jej energie spontánne vznikla hmota a antihmota. Pri svojom rýchlom vzniku bol vesmír takmer nekonečne horúci a hustý. Potom sa začal rozpínať a chladnúť, a ešte aj v súčasnosti sa rozpína a chladne.

Pred veľkým treskom
Neexistovalo žiadne „pred“ veľkým treskom, pretože neexistoval čas. Čas a priestor bol vždy pevne spojený do niečoho, čo Albert Einstein nazval priestorovo-časové kontinuum. Až keď začal existovať čas, mohol sa priestor rozpínať. A naopak, keď vznikol priestor, mohol začať plynúť čas.

Obrátená expanzia
Vesmír sa rozpína a z toho logicky vyplýva, že v minulosti muselo byť všetko bližšie pri sebe. Ak by sme súčasný, pozorovaný pohyb galaxií obrátili, dostali by sme sa späť k okamihu spred asi 13 miliárd rokov, keď všetky galaxie boli v jednom bode. Tam, kde bol začiatok explózie nazývanej veľký tresk.

Inflácia
Väčšina astronómov verí, že veľký tresk bol tichý a malý výbuch. V podmienkach raného vesmíru sa energia priamo menila na rovnaké množstvá hmoty a antihmoty – asi kilogram materiálu. O malú chvíľu sa stalo niečo oveľa oveľa dramatickejšie: došlo ku kozmickej inflácii. Vesmír sa prudko „rozfúkol“ a zväčšil svoj počiatočný rozmer za zlomok sekundy 1050-krát t.j. v zlomku sekundy narástol vesmír z rozmeru menšieho ako atóm na veľkosť väčšiu ako galaxia. Inflácia uvoľnila obrovské množstvo energie, z ktorej sa vytvorilo viac hmoty ako antihmoty a objavili sa sily, ktorými sa riadi náš vesmír.

Základné sily
V súčasnosti riadia vesmír štyri sily (interakcie). Elektromagnetická interakcia ovláda elektrinu a magnetizmus. Slabé interakcie sú príčinou svietivosti hviezd. Silná interakcia drží pospolu jadro v atómoch a gravitácia udržiava planéty a hviezdy na svojich dráhach. V začiatkoch boli tieto štyri interakcie spojené do jednej superintarakcie, ale expanziou vesmíru a jeho ochladením sa začali jedna po druhej oddeľovať. Keď sa odštiepila silná interakcia, uvoľnila sa obrovské množstvo energie, ktorá vyvolala infláciu.

Virtuálne častice
Energia z veľkého tresku vytvorila páry virtuálnych častíc – jednu z hmoty a druhú z antihmoty. Takmer v okamihu sa navzájom anihilovali.

Teórie veľkého tresku
• V roku 1929 Edwin Hubble objavil expanziu vesmíru.
• Georges Lemaître v roku 1931 tvrdil, že vesmír začal existovať po explózii „prvotného atómu“
• V roku 1948 George Gamow publikoval novú verziu teórie prvotného atómu – teóriu veľkého tresku.
• Alan Guth po skúmaní pôvodu základných interakcií vypracoval v roku 1979 teóriu inflácie.

Prvé tri minúty
Spaľujúco horúci raný vesmír na konci inflačnej fázy obsahoval obrovskú škálu elementárnych častíc – rovnako zastúpených v hmote i antihmote. Väčšina týchto častíc sa vzájomne zničila, ale nakoniec zvíťazila hmota. Keď vesmír pokračoval v expanzii a ochladzovaní, začala prevládať jeho výstavba nad deštrukciou. Postupne sa častice začali zhlukovať do väčších, stabilnejších celkov a hustá „polievka“ častíc redla. Na konci prvých troch minút svojej existencie sa vo vesmíre vytvorili základné stavebné prvky všetkej hmoty, ktorá nás dnes obklopuje – jadrá prvých troch prvkov: vodíka, hélia a lítia.

Dospievajúci vesmír
V ranom vesmíre vírili exotické častice a antičastice, niektoré s extrémne krátkou životnosťou. Kvarky, leptóny a WIMPy (Weakly Interacting Massive Particle) sa medzi ostatnými zrážali pri teplotách asi okolo 10 kvadriliárd °C. V priebehu troch minút klesla teplota na menej než 1 miliardu °C a vesmír sa stal pokojnejším prostredím s menším počtom stabilnejších častíc.
Víťazstvo hmoty
Pri inflácii vznikali množstvá častíc hmoty a antihmoty. Dôvod, prečo sa navzájom úplne neanihilovali a vesmír neostal prázdny, môže byť v existencii X-bozónu. Boli to najťažšie častice a mohli vzniknúť iba pri vysokých energiách v inflačnej fáze. Keď sa vesmír ochladzoval, obe častice stratili stabilitu a rozpadli sa na ľahšie kvarky a leptóny. Ale na každých 100000000 vytvorených kvarkov a leptónov sa vytvorilo iba 9 999 9999 antičastíc. Toto drobné narušenie symetrie viedli k existencii všetkej súčasnej hmoty vo vesmíre. (Skutočná príčina porušenia tejto symetrie nie je dodnes uspokojivo objasnená).

Tmavá hmota
V obrovských kopách sa často nachádzajú tisícky oslnivo svietiacich galaxií. Viditeľnú hmotu, ktorú pozorujeme vo vesmíre však v obrovskej miere prevyšuje neviditeľná, tmavá (niekedy aj skrytá) hmota vytvorená po inflácii. Tvoria ju pravdepodobne početné WIMPy a neutrína, ktoré prežili prvé tri minúty existencie vesmíru.

Protóny a neutróny
Keď sa vesmír ochladzoval, gluóny stlačili kvarky do trojíc s rovnakým počtom protónov a neutrónov. Na konci prvej sekundy sa niektoré neutróny začali rozpadať na protóny a než teplota klesla na 900 miliónov °C, existovalo 7 protónov na každý neutrón. Zvyšné neutróny sa rýchlo spájali s protónmi a vytvárali jadrá atómov. Na konci prvých troch minút nezostali už žiadne voľné neutróny.

Vznik jadier
Protóny a neutróny sa začali vytvárať asi v prvej sekunde a počas nasledujúcich troch minút syntézou vznikali jadrá najľahších prvkov – prevažne vodíka a hélia. Každý prvok má špecifický počet protónov, ale môže mať niekoľko izotopov s rôznym počtom neutrónov. Teplota a hustota vo vesmíre čoskoro klesla pod hodnoty potrebné na priebeh týchto jadrových reakcií, a preto sa už viac prvkov nevytvorilo.

Pátranie po antihmote
Galaxia z antihmoty by vyzerala presne tak ako bežná galaxia s výnimkou jej okraja. Tam by sa totiž antihmota dostávala do kontaktu s hmotou ostatného vesmíru, a mohli by sa tu objaviť náznaky výronov energie v dôsledku procesu ich vzájomnej anihilácie. Zatiaľ sa však nič také nepozorovalo.

Zloženie vesmíru
Podrobné výpočty naznačujú, že pozostatky po veľkom tresku – prvky vytvorené v prvých troch minútach – by mali mať nasledujúce pomerné percentuálne zastúpenie: 77% vodíka, 23% hélia a 0,000 0001% lítia. Analýza mrakov plynu napr. v Orlej hmlovine tieto čísla potvrdila.


Ozveny veľkého tresku
Po frenetických troch minútach, keď vznikli prvé jadrá atómov, sa vesmír ustálil. Štvrť milióna rokov zastáva zloženie vesmíru nezmenené, ale prostredie sa stávalo čoraz redšie, pretože rozpínanie pokračovalo. Väčšina energie vesmíru sa vyskytovala vo forme žiarenia. Raný vesmír bol však nepriehľadný – svetlo sa nemohlo dostať ďaleko, a stále na niečo narážalo. Potom táto hmla náhle zmizla a priestor ostal transparentný. Ozveny týchto udalostí poznáme ako žiarenie kozmického pozadia, ktoré prichádza z celej oblohy.

Chladnúci vesmír
Za tri minúty sa vesmír vyplnil fotónmi vysokoenergetického gama žiarenia. Keď sa vesmír rozpínal a chladol, toto žiarenie strácalo časť svojej energie a menilo sa na röntgenové, svetelné a nakoniec na tepelné žiarenie. Pokles teploty mal vplyv aj na častice. Elektróny napr. spomalili svoj pohyb, začali sa spájať s jadrami atómov a vytvárať prvé atómy. Tieto atómy neinteragovali so svetlom, a tak svetlo bolo už konečne schopné putovať po priamkach na veľké vzdialenosti. Vesmír sa stal priehľadný.
Rozptyl fotónov
V úplne ranom vesmíre fotóny svetla neustále interagovali s jadrami atómov a s elektrónmi, preto sa nemohli dostať ďaleko. Fotóny sa odrážali od jednej častice, aby sa zasa zrazil s inou, a potom s ďalšou. Svetlo sa preto nemohlo šíriť priamočiaro, dôsledkom čoho bol vesmír nepriehľadný.

Vznik atómov
Asi 300 000 rokov po veľkom tresku klesla teplota na 3000 °C. Pohyb záporne nabitých elektrónov sa už pribrzdil na toľko, že mohli byť zachytené na dráhy okolo kladne nabitých jadier vodíka a hélia a vytvoriť tak prvé atómy.

Doznievanie
V roku 1965 fyzici Arno Penzias a Robert Wilson objavili slabý rádiový signál prichádzajúci zo všetkých smerov na oblohe. Tento signál zodpovedal žiareniu telesa s teplotou 270 °C (3 stupne nad absolútnou nulou). Jediným možným zdrojom tohto žiarenia bolo zvyškové tepelné žiarenie big bangu (tzv. mikrovlnové reliktové žiarenie), ktoré ochladlo v dôsledku expanzie vesmíru.

Fluktuácie v žiarení pozadia
Najprv sa zdalo, že žiarenie kozmického pozadia je dokonale rovnomerné (homogénne), ale v roku 1992 v ňom družica COBE (Cosmic Background Explorer) zistila malé výkyvy (išlo o drobné fluktuácie v teplote žiarenia). Zodpovedá to o niečo teplejším a chladnejším oblastiam oproti priemeru. Modré fľaky na celooblohovej mape družice COBE sú chladnejšie oblasti, kde sa žiarenie pokúša uniknúť zo silnej gravitácie. Prezrádzajú chuchvalce tmavej hmoty, ktoré sú „semeniskom“ pre tvorbu galaxií.