V začetku se je Vesolje zelo, zelo hitro širilo.
(Slika: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter je astrofizik z ameriške univerze Ohio in glavni znanstvenik v znanstvenem centru COSI. Sutter je tudi gostitelj programa Ask a Spaceman in Space Radio ter vodiAstroTours po vsem svetu. Sutter je ta članek prispeval k strokovnim glasovom Space.com: Op-Ed & Insights.
Pred 13,8 milijarde let je bilo celotno naše opazovalno vesolje velikosti breskve in je imelo temperaturo več kot trilijon stopinj.
To je zelo enostavna, a zelo drzna izjava, ki pa je lahka ali preprosta. Dejansko bi že pred sto leti to zvenelo naravnost nesmiselno, toda tu smo, češ da to ni nič hudega. Toda tako kot karkoli v znanosti, so tudi preproste izjave zgrajene iz gora več neodvisnih dokazov, ki vse kažejo na isti zaključek - v tem primeru Big Bang, naš model zgodovine našega vesolja. [Vesolje: Big Bang do zdaj v 10 preprostih korakih]
Toda, kot pravijo, ne sprejemajte moje besede. Tu je pet dokazov o velikem udaru:
# 1: Nočno nebo je temno
Za trenutek si predstavljajte, da smo živeli v popolnoma neskončnem vesolju, tako v času kot v prostoru. Svetleče se zbirke zvezd gredo za vedno v vse smeri in vesolje preprosto vedno je bilo in vedno bo. To bi pomenilo, kamor koli bi pogledali v nebo - samo izberite naključno smer in strmili - morali bi najti zvezdo tam nekje, na določeni razdalji. To je neizogiben rezultat neskončnega vesolja.
In če je istega vesolja že od nekdaj, potem je dovolj časa, da svetloba te zvezde, ki se plazi po kozmosu z razmeroma počasno hitrostjo c, doseže vaše zrklo. Tudi prisotnost kakršnega koli vmešanega prahu ne bi zmanjšala nakopičene svetlobe iz neskončne zvezde, ki se razprostira po neskončno velikem kozmosu.
Ergo, nebo naj bi zasijalo s kombinirano svetlobo množice zvezd. Namesto tega je večinoma tema. Praznina. Nično. Črnina. Veste, vesolje.
Nemški fizik Heinrich Olbers morda ni bil prva oseba, ki je opazila ta očiten paradoks, a njegovo ime se je držalo ideje: Znan je kot Olbersov paradoks. Preprosta ločljivost? Ali vesolje ni neskončno veliko ali pa ni neskončno v času. Ali pa morda niti nobenega.
# 2: Kvazarji obstajajo
Takoj, ko so raziskovalci v petdesetih in šestdesetih letih razvili občutljive radijske teleskope, so na nebu opazili čudno glasne radijske vire. Z znatnim astronomskim zasutjem so znanstveniki ugotovili, da so ti kvazvezdni radijski viri ali "kvazarji" zelo oddaljeni, a občasno svetle, aktivne galaksije.
Pri tej razpravi je najbolj pomembno, da je "zelo oddaljen" del tega sklepa.
Ker svetloba potrebuje čas za potovanje iz enega kraja v drugega, zvezde in galaksije ne vidimo takšnih, kot so zdaj, ampak kot so bile pred tisočimi, milijoni ali milijardami let. To pomeni, da gledanje globlje v vesolje gleda tudi globlje v preteklost. V daljnem kozmosu vidimo veliko kvazarjev, kar pomeni, da so bili ti predmeti pred leti zelo pogosti. Toda v naši, najnovejši soseski skorajda ni kvazarjev. In dovolj pogosti so v daljnem (torej mladem) vesolju, da bi morali videti še veliko več v naši bližini.
Preprost zaključek: Vesolje je bilo v svoji preteklosti drugačno, kot je danes.
# 3: Povečuje se
Živimo v razširjenem vesolju. V povprečju se galaksije vse bolj oddaljujejo od vseh drugih galaksij. Seveda se nekaj majhnih lokalnih trkov zgodi zaradi preostalih gravitacijskih interakcij, na primer, kako bo Mlečna pot v nekaj milijard letih trčila v Andromedo. Toda na velikih lestvicah to preprosto in ekspanzivno razmerje drži. To je ugotovil astronom Edwin Hubble v začetku 20. stoletja, kmalu potem, ko je ugotovil, da so "galaksije" dejansko stvar. [Milky Way Galaxy Head-On Crash z Andromedo: Slike umetnika]
V razširjajočem se vesolju so pravila preprosta. Vsaka galaksija se umika od (skoraj) vsake druge galaksije. Svetloba iz oddaljenih galaksij bo postala spremenjena - valovne dolžine svetlobe, ki jo izpuščajo, bodo z vidika drugih galaksij postale daljše in s tem rdeče. Morda bi vas zamikalo, da bi pomislili, da je to posledica gibanja posameznih galaksij, ki se gibljejo po vesolju, vendar se matematika ne sešteva.
Količina rdečega premika za določeno galaksijo je povezana s tem, kako daleč je. Bližje galaksije bodo dobile določeno količino rdečega premikanja. Dvakrat daleč stran bo galaksija, ki bo dosegla dvakrat rdeči premik. Štirikratna razdalja? Tako je, štirikrat rdeči premik. Da bi to razložili s samo galaksijami, ki so naokoli, mora obstajati res čudna zarota, kjer se vsi galaktični državljani vesolja strinjajo, da se gibljejo po tem zelo specifičnem vzorcu.
Namesto tega obstaja veliko preprostejša razlaga: Gibanje galaksij je posledica raztezanja prostora med tema galaksijama.
Živimo v dinamičnem, razvijajočem se vesolju. V preteklosti je bil manjši in bo v prihodnosti večji.
# 4: relikvija sevanja
Igrajmo igro. Predpostavimo, da je bilo vesolje v preteklosti manjše. To pomeni, da bi bilo tudi gostejše in bolj vroče, kajne? Prav - vsa vsebina kozmosa bi bila zbrana v manjšem prostoru, večje gostote pa pomenijo višje temperature.
V nekem trenutku, ko bi bilo vesolje, recimo, milijon krat manjše, kot je zdaj, bi bilo vse skupaj tako razbito, da bi bila plazma. V tem stanju bi bili elektroni nevezani od svojih jedrskih gostiteljev in bi lahko plavali, vsa ta stvar se je kopala v intenzivnem visokoenergijskem sevanju.
Ko pa se je to dojenčkovo vesolje širilo, bi se ohladilo do točke, ko bi se nenadoma lahko elektroni udobno naselili okrog jeder, pri čemer so postali prvi popolni atomi vodika in helija. V tistem trenutku bi noro intenzivno sevanje neomejeno brskalo po novo tankem in prozornem vesolju. In ko se je to vesolje širilo, bi se svetloba, ki se je začela dobesedno bela, ohladila, ohladila, ohladila na le nekaj stopinj nad absolutno ničlo in postavila valovne dolžine trdno v mikrovalovno območje.
In ko s svojimi mikrovalovnimi teleskopi usmerimo v nebo, kaj vidimo? Kopel sevanja ozadja, ki nas obdaja na vse strani in skoraj popolnoma enotno (do enega dela v 100.000!) V vseh smereh. Otroška slika vesolja. Razglednica iz davno umrle dobe. Svetloba iz časa, skoraj tako starega kot vesolje.
# 5: Elementarno je
Ura potisnite nazaj še dlje od nastanka kozmičnega mikrovalovnega ozadja in v nekem trenutku so stvari tako intenzivne, tako nore, da ne obstajajo niti protoni in nevtroni. To je le juha njihovih temeljnih delov, kvarkov in gluonov. Toda spet, ko se je vesolje širilo in hladilo od frenetičnih prvih minut svojega obstoja, so se najlažja jedra, kot sta vodik in helij, strdila in oblikovala.
Danes imamo precej spodobno obravnavo jedrske fizike in to znanje lahko uporabimo za napovedovanje relativne količine najlažjih elementov v našem vesolju. Napoved: Ta ohlajevalna juha bi morala sprožiti približno tri četrtine vodika, eno četrtino helija in nekaj "drugega".
Izziv se nato poda astronomom in kaj se jim zdi? Vesolje, sestavljeno iz približno treh četrtin vodika, ene četrtine helija in manjšega odstotka "drugega". Bingo.
Seveda je tudi več dokazov. Toda to je le izhodišče za našo moderno sliko kozmosa v Big Bang. Številni neodvisni dokazi kažejo na isti zaključek: Naše vesolje je staro okrog 13,8 milijarde let, nekoč pa je bilo velikosti breskve in je imelo temperaturo več kot trilijon stopinj.
Preberite več o poslušanju epizode "Kaj se zgodi, ko se galaksije trčijo?" v podkastu Ask A Spaceman, ki je na voljo v iTunesu in na spletu na naslovu http://www.askaspaceman.com. Hvala Mikeu D., Trippu B., Sedasu S., Isli in Patricku D. za vprašanja, ki so vodila do tega dela! Zastavite svoje vprašanje na Twitterju s pomočjo #AskASpaceman ali tako, da sledite Paulu @PaulMattSutter in facebook.com/PaulMattSutter. Spremljajte nas @Spacedotcom, Facebook in Google+. Izvirni članek na Space.com.
