Zpočátku se vesmír rozšiřoval velmi, velmi rychle.
(Obrázek: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter je astrofyzik na Státní univerzitě v Ohiu a hlavní vědec ve vědeckém centru COSI. Sutter je také hostitelem programu Spaceman a Space Radio a vede společnost AstroTours po celém světě. Sutter přispěl tímto článkem do expertních hlasů Space.com: Op-Ed & Insights.
Před 13,8 miliardami let byl celý náš pozorovatelný vesmír velikostí broskve a měl teplotu přes bilion stupňů.
Je to docela jednoduché, ale velmi odvážné prohlášení, a není to prohlášení, které by bylo učiněno lehce nebo snadno. Opravdu, dokonce před sto lety, by to znělo naprosto nesmyslně, ale tady jsme a říkáme, že to není žádný velký problém. Stejně jako u jiných vědeckých poznatků, tak jednoduché výroky, jako je tento, jsou postaveny z hor několika nezávislých důkazních linií, které směřují ke stejnému závěru - v tomto případě Velký třesk, náš model historie našeho vesmíru. [Vesmír: Velký třesk nyní v 10 snadných krocích]
Ale jak říkají, neberte mi to za slovo. Zde je pět důkazů o Velkém třesku:
# 1: Noční obloha je temná
Představte si na okamžik, že jsme žili v dokonale nekonečném vesmíru, jak v čase, tak v prostoru. Třpytivé sbírky hvězd pokračují navždy ve všech směrech a vesmír prostě vždy byl a vždy bude. To by znamenalo, že kamkoli se podíváte na oblohu - stačí vybrat náhodný směr a zírat - budete muset najít hvězdu tam, někde, v určité vzdálenosti. To je nevyhnutelný výsledek nekonečného vesmíru.
A pokud ten stejný vesmír existuje navždy, pak je tu spousta času na světlo z této hvězdy, plazící se vesmírem relativně pomalou rychlostí c, aby dosáhl vašich očí. I přítomnost jakéhokoli zasahujícího prachu by nesnížila nahromaděné světlo z nekonečna hvězd rozprostřených po nekonečně velkém vesmíru.
Ergo, obloha by měla být spálena kombinovaným světlem mnoha hvězd. Místo toho je to většinou tma. Prázdnota. Prázdnota. Temnota. Víte, vesmír.
Německý fyzik Heinrich Olbers možná nebyl první osobou, která si všimla tohoto zjevného paradoxu, ale jeho jméno přilnulo k myšlence: Je známá jako Olbersův paradox. Jednoduché rozlišení? Buď vesmír není nekonečný co do velikosti, nebo není nekonečný v čase. Nebo možná to ani není.
# 2: Existují kvasary
Jakmile vědci vyvinuli citlivé radioteleskopy, v 50. a 60. letech si na obloze všimli podivně hlasitých rádiových zdrojů. Vědci zjistili, že tyto kvazistelární rádiové zdroje neboli „kvazary“ jsou velmi vzdálené, ale neobvykle jasné, aktivní galaxie.
Nejdůležitější pro tuto diskusi je „velmi vzdálená“ část tohoto závěru.
Vzhledem k tomu, že cestování z jednoho místa na druhé si vyžaduje čas, nevidíme hvězdy a galaxie tak, jak jsou, ale jak to bylo před tisíci, miliony nebo miliardami let. To znamená, že pohled hlouběji do vesmíru se také dívá hlouběji do minulosti. Ve vzdáleném vesmíru vidíme spoustu kvasarů, což znamená, že tyto objekty byly velmi běžné před miliardami let. V našem aktuálním sousedství však téměř neexistují žádné kvazary. A jsou dost běžní ve vzdáleném (tj. Mladém) vesmíru, že bychom měli vidět mnohem více v našem okolí.
Jednoduchý závěr: Vesmír byl ve své minulosti jiný než dnes.
# 3: Zvyšuje se
Žijeme v rozšiřujícím se vesmíru. V průměru se galaxie vzdálí od všech ostatních galaxií. Jistě, některé malé lokální srážky se dějí ze zbytkových gravitačních interakcí, jako je to, jak se Mléčná dráha srazí s Andromedou za pár miliard let. Ale ve velkém měřítku platí tento jednoduchý expanzivní vztah. Právě to objevil astronom Edwin Hubble na počátku 20. století, brzy poté, co zjistil, že „galaxie“ byly skutečně věcí. [Crash s galaxií Mléčná dráha s Andromedou: Obrázky umělců]
V rozšiřujícím se vesmíru jsou pravidla jednoduchá. Každá galaxie ustupuje (téměř) z každé jiné galaxie. Světlo ze vzdálených galaxií bude červeně posunuto - vlnové délky světla, které uvolňují, budou z pohledu ostatních galaxií delší a tím červenější. Možná byste byli v pokušení si myslet, že je to kvůli pohybu jednotlivých galaxií, které se zrychlují kolem vesmíru, ale matematika se nesčítá.
Množství červeného posunu pro konkrétní galaxii souvisí s tím, jak daleko je. Bližší galaxie získají určité množství redshiftingu. Galaxie dvakrát tak daleko dostane dvakrát ten červený posun. Čtyřnásobek vzdálenosti? Správně, čtyřikrát červený posun. Abychom to vysvětlili pouhým zdrcováním galaxií, musí existovat opravdu podivné spiknutí, ve kterém se všichni galaktičtí občané vesmíru dohodnou, že se budou pohybovat tímto velmi specifickým vzorcem.
Místo toho existuje mnohem jednodušší vysvětlení: Pohyb galaxií je způsoben protažením prostoru mezi těmito galaxiemi.
Žijeme v dynamickém, vyvíjejícím se vesmíru. V minulosti to bylo menší a v budoucnu bude větší.
# 4: Relic radiace
Pojďme si zahrát hru. Předpokládejme, že vesmír byl v minulosti menší. To znamená, že by to bylo hustší i teplejší, že? Správně - veškerý obsah vesmíru by se sbalil v menším prostoru a vyšší hustoty znamenají vyšší teploty.
V určitém okamžiku, kdy byl vesmír, řekněme, milionkrát menší, než je nyní, by bylo všechno dohromady tak rozbité, že by to byla plazma. V tomto stavu by elektrony nebyly vázány na své jaderné hostitele a mohly by plavat, to vše se koupalo v intenzivním, vysokoenergetickém záření.
Ale jak se tento kojenecký vesmír rozšiřoval, ochladilo by se do bodu, kdy by se elektrony najednou pohodlně usadily kolem jader, čímž by vytvořily první úplné atomy vodíku a helia. V tu chvíli by šílené intenzivní záření volně bloudilo nově tenkým a průhledným vesmírem. A jak se vesmír rozšiřoval, světlo, které začalo doslova bílé-horké, by se ochladilo, ochladilo, ochladilo na holé pár stupňů nad absolutní nulu, a vlnové délky pevně umístilo do mikrovlnného rozsahu.
A když ukážeme naše mikrovlnné dalekohledy na oblohu, co vidíme? Vana záření pozadí, obklopující nás ze všech stran a téměř dokonale jednotná (na jednu část ze 100 000!) Ve všech směrech. Obrázek dítěte z vesmíru. Pohlednice z dávno mrtvé éry. Světlo z doby téměř stejně staré jako samotný vesmír.
# 5: Je to elementární
Posuňte hodiny zpět ještě více než vytvoření kosmického mikrovlnného pozadí, a v určitém okamžiku jsou věci tak intenzivní, tak šílené, že ani protony a neutrony neexistují. Je to jen polévka jejich základních částí, kvarků a gluonů. Ale opět, jak se vesmír rozšiřoval a ochladil z prvních pár minut své frenetiky, se nejlehčí jádra, jako je vodík a helium, ztuhla a vytvořila.
V současné době máme docela slušnou manipulaci s jadernou fyzikou a tyto znalosti můžeme použít k predikci relativního množství nejlehčích prvků v našem vesmíru. Predikce: Ta zmrzlá polévka by měla mít zhruba tři čtvrtiny vodíku, jednu čtvrtinu helia a rozbití „jiného“.
Výzva pak jde na astronomy a co najdou? Vesmír složený zhruba ze tří čtvrtin vodíku, čtvrtiny helia a menšího procenta "ostatních". Bingo.
Samozřejmě existuje i více důkazů. Ale to je jen výchozí bod pro náš moderní obraz vesmíru z Velkého třesku. Více nezávislých důkazních linek všechny poukazují na stejný závěr: Náš vesmír je starý asi 13,8 miliardy let a současně to byla velikost broskve a měla teplotu přes bilion stupňů.
Více se dozvíte vyslechnutím epizody „Co se stane, když dojde ke srážce galaxií?“ na podcastu Ask A Spaceman, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com. Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla a Patrick D. za otázky, které k tomuto dílu vedly! Zeptejte se na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paul @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter. Sledujte nás @Spacedotcom, Facebook a Google+. Původní článek na webu Space.com.
