Na początku Wszechświat rozszerzał się bardzo, bardzo szybko.
(Zdjęcie: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter jest astrofizykiem z Ohio State University i głównym naukowcem w centrum naukowym COSI. Sutter jest także gospodarzem Ask a Spaceman i Space Radio oraz prowadzi AstroTours na całym świecie. Sutter wniósł ten artykuł do Ekspertów Kosmicznych Space.com: Op-Ed i Insights.
13,8 miliarda lat temu cały nasz obserwowalny wszechświat był wielkości brzoskwini i miał temperaturę ponad biliona stopni.
To dość proste, ale bardzo odważne oświadczenie, i nie jest to oświadczenie, które można zrobić lekko lub łatwo. Rzeczywiście, nawet sto lat temu zabrzmiałoby to wręcz niedorzecznie, ale oto jesteśmy, mówiąc, że to nic wielkiego. Ale jak w przypadku wszystkiego w nauce, proste stwierdzenia takie jak ten są zbudowane z gór z wielu niezależnych linii dowodów, które wszystkie prowadzą do tego samego wniosku - w tym przypadku Wielkiego Wybuchu, naszego modelu historii wszechświata. [The Universe: Big Bang to Now w 10 łatwych krokach]
Ale, jak mówią, nie wierz mi na słowo. Oto pięć dowodów na Wielki Wybuch:
# 1: Nocne niebo jest ciemne
Wyobraź sobie przez chwilę, że żyliśmy w doskonale nieskończonym wszechświecie, zarówno w czasie, jak i przestrzeni. Błyszczące zbiory gwiazd trwają wiecznie we wszystkich kierunkach, a wszechświat po prostu zawsze był i zawsze będzie. Oznaczałoby to, że gdziekolwiek spojrzysz na niebie - po prostu wybierz losowy kierunek i wpatrz się - będziesz musiał znaleźć gwiazdę gdzieś w pewnej odległości. To nieunikniony rezultat nieskończonego wszechświata.
A jeśli ten sam wszechświat istniał już od zawsze, to było dużo czasu, aby światło z tej gwiazdy przemierzało kosmos z dość powolną prędkością c, aby dotrzeć do twoich gałek ocznych. Nawet obecność jakiegokolwiek pośredniego pyłu nie zmniejszyłaby nagromadzonego światła z nieskończonej liczby gwiazd rozproszonych w nieskończenie dużym kosmosie.
Ergo, niebo powinno się rozpalić połączonym światłem wielu gwiazd. Zamiast tego jest głównie ciemność. Pustka. Unieważnić. Czerń. Wiesz, przestrzeń kosmiczna.
Niemiecki fizyk Heinrich Olbers mógł nie być pierwszą osobą, która zwróciła uwagę na ten pozorny paradoks, ale jego nazwisko utkwiło w idei: jest znany jako paradoks Olbersa. Prosta rozdzielczość? Albo wszechświat nie ma nieskończonej wielkości, ani nie jest nieskończony w czasie. A może tak nie jest.
# 2: Kwasary istnieją
Gdy tylko naukowcy opracowali czułe radioteleskopy, w latach 50. i 60. zauważyli dziwnie głośne źródła radiowe na niebie. Poprzez znaczące astronomiczne przemykanie naukowcy ustalili, że te quasi-gwiezdne źródła radiowe lub „kwazary” były bardzo odległymi, ale niezwykle jasnymi, aktywnymi galaktykami.
Najważniejsze w tej dyskusji jest „bardzo odległa” część tego wniosku.
Ponieważ światło potrzebuje czasu, aby przemieścić się z jednego miejsca do drugiego, nie widzimy gwiazd i galaktyk takimi, jakimi są teraz, ale takimi, jakie były tysiące, miliony lub miliardy lat temu. Oznacza to, że patrzenie głębiej we wszechświat jest również patrzenie głębiej w przeszłość. W odległym kosmosie widzimy wiele kwazarów, co oznacza, że te obiekty były bardzo powszechne miliardy lat temu. Ale w naszym lokalnym, nowoczesnym sąsiedztwie prawie nie ma kwazarów. Są dość powszechne w odległym (czyli młodym) wszechświecie, że powinniśmy widzieć znacznie więcej w naszym otoczeniu.
Prosty wniosek: wszechświat był inny w swojej przeszłości niż obecnie.
# 3: Staje się większy
Żyjemy w rozszerzającym się wszechświecie. Średnio galaktyki oddalają się od wszystkich innych galaktyk. Jasne, niektóre małe lokalne zderzenia zdarzają się w wyniku resztkowych oddziaływań grawitacyjnych, jak na przykład droga Mleczna zderzy się z Andromedą za kilka miliardów lat. Ale na dużą skalę ta prosta, ekspansywna relacja jest prawdziwa. To właśnie odkrył astronom Edwin Hubble na początku XX wieku, wkrótce po odkryciu, że „galaktyki” były w rzeczywistości rzeczą. [Katastrofa czołowej galaktyki Mlecznej Drogi z Andromedą: obrazy artysty]
W rozszerzającym się wszechświecie zasady są proste. Każda galaktyka cofa się od (prawie) każdej innej galaktyki. Światło z odległych galaktyk zostanie przesunięte na czerwono - długości fal, które uwalniają, będą dłuższe, a przez to bardziej czerwone, z perspektywy innych galaktyk. Możesz mieć ochotę pomyśleć, że dzieje się tak z powodu ruchu poszczególnych galaktyk pędzących wokół wszechświata, ale matematyka się nie sumuje.
Ilość przesunięcia ku czerwieni dla konkretnej galaktyki jest powiązana z odległością. Bliższe galaktyki otrzymają pewną ilość przesunięć ku czerwieni. Galaktyka dwa razy dalej będzie dwukrotnie przesunięta ku czerwieni. Czterokrotnie większa odległość? Zgadza się, cztery razy redshift. Aby to wyjaśnić, gdy tylko galaktyki krążą wokół, musi istnieć naprawdę dziwny spisek, w którym wszyscy galaktyczni obywatele wszechświata zgodzą się poruszać w tym bardzo specyficznym układzie.
Zamiast tego istnieje o wiele prostsze wytłumaczenie: ruch galaktyk wynika z rozciągania przestrzeni między tymi galaktykami.
Żyjemy w dynamicznym, ewoluującym wszechświecie. W przeszłości był mniejszy i będzie większy w przyszłości.
# 4: Promieniowanie reliktów
Zagrajmy w grę. Załóżmy, że wszechświat był mniejszy w przeszłości. To znaczy, że byłoby zarówno gęstsze, jak i cieplejsze, prawda? Zgadza się - cała zawartość kosmosu byłaby zgromadzona w mniejszej przestrzeni, a wyższe gęstości oznaczają wyższe temperatury.
W pewnym momencie, gdy wszechświat był, powiedzmy, milion razy mniejszy niż obecnie, wszystko zostałoby tak zmiażdżone, że byłoby plazmą. W tym stanie elektrony byłyby niezwiązane ze swoimi gospodarzami jądrowymi i swobodnie pływały, cała ta materia skąpana była w intensywnym promieniowaniu o wysokiej energii.
Ale w miarę rozszerzania się tego dziecięcego wszechświata ochłodziłoby się do punktu, w którym nagle elektrony mogłyby wygodnie osiąść wokół jąder, tworząc pierwsze kompletne atomy wodoru i helu. W tym momencie intensywnie szalone promieniowanie wędruje bez przeszkód przez nowo cienki i przezroczysty wszechświat. W miarę rozszerzania się tego wszechświata światło, które zaczynało się dosłownie od bieli, ochłodziło się, ochładzało, ochładzało do zaledwie kilku stopni powyżej zera absolutnego, ustawiając długości fal w zakresie mikrofalowym.
A kiedy celujemy naszymi teleskopami mikrofalowymi w niebo, co widzimy? Kąpiel promieniowania tła, otaczająca nas ze wszystkich stron i prawie idealnie równomierna (do jednej części na 100 000!) We wszystkich kierunkach. Dziecięce zdjęcie wszechświata. Pocztówka z dawno zmarłych czasów. Światło z czasów prawie tak starych jak sam wszechświat.
# 5: Jest żywiołowy
Pchnij zegar z powrotem jeszcze bardziej niż powstawanie kosmicznego tła mikrofalowego, aw pewnym momencie rzeczy są tak intensywne, tak szalone, że nie istnieją nawet protony i neutrony. To tylko zupa ich podstawowych części, kwarków i gluonów. Ale znowu, gdy wszechświat rozszerzył się i ochłodził od szalonych pierwszych minut swojego istnienia, najlżejsze jądra, takie jak wodór i hel, zastygły i uformowały się.
W dzisiejszych czasach mamy całkiem przyzwoite podejście do fizyki jądrowej i możemy wykorzystać tę wiedzę do przewidywania względnej ilości najlżejszych pierwiastków w naszym wszechświecie. Przepowiednia: ta zastygająca zupa powinna zrodzić około trzy czwarte wodoru, jeden czwarty helu i odrobinę „innych”.
Wyzwanie należy zatem do astronomów i co oni znajdą? Wszechświat złożony w przybliżeniu z trzech czwartych wodoru, jednej czwartej helu i mniejszego odsetka „innych”. Bingo
Oczywiście jest też więcej dowodów. Ale to tylko punkt wyjścia dla naszego współczesnego obrazu Wielkiego Wybuchu kosmosu. Wiele niezależnych linii dowodów prowadzi do tego samego wniosku: nasz wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, a kiedyś był wielkości brzoskwini i miał temperaturę ponad biliona stopni.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Co się stanie, gdy zderzą się galaktyki?” w podcastu Ask A Spaceman, dostępnym w iTunes oraz w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Podziękowania dla Mike'a D., Trippa B., Sedasa S., Isli i Patricka D. za pytania, które doprowadziły do powstania tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter. Obserwuj nas @Spacedotcom, Facebook i Google+. Artykuł źródłowy na Space.com.
