Warto przeczytać

W astronomii wiele zmieniło się za sprawą odkryć Edwina Hubble'a, który w latach dwudziestych XX wieku udowodnił, że niektóre mgławice, obserwowane przez teleskopy rozmyte i rozciągłe obiekty, to w rzeczywistości olbrzymie układy gwiezdne – galaktyki. Galaktyki, związane siłami grawitacji, zawierają miliardy gwiazd i znajdują się w ogromnych odległościach od naszej galaktyki – Drogi Mlecznej. Kolejne odkrycie Hubble’a dowiodło, że Wszechświat wcale nie jest stabilny i niezmienny. Hubble wykazał, że galaktyki oddalają się od nas z prędkościami wprost proporcjonalnymi do odległości. Prawo Hubble’a wyrażamy wzorem:

gdzie v jest prędkością oddalania się galaktyki, r — jej odległością, $H_0$ — stałą Hubble’a. Wartość stałej Hubble’a wynosi $H_0=70\frac{\frac{km}{s}}{Mpc}$. Prędkość ucieczki galaktyki wyrażamy w $\frac{km}{s}$, a odległość od niej w megaparsekach (Mpc). Mpc to jednostka długości używana w astronomii równa $3,3·{10}^6$ lat świetlnych (lub $3,09\cdot {10}^{22}$ m).

Oddalanie się galaktyk nie oznacza, że jesteśmy w środku Wszechświata. Zjawisko to spowodowane jest rozszerzaniem się przestrzeni Wszechświata, która unosi z sobą galaktyki. Można to porównać z rodzynkami w rosnącym, drożdżowym cieście. W miarę powiększania się objętości ciasta, rodzynki oddalają się od siebie i to tym szybciej, im większa odległość je dzieli.

Odkrycie ucieczki galaktyk dało początek teorii Wielkiego Wybuchu. Skoro galaktyki oddalają się od siebie, dawniej musiały być bliżej siebie. Oznacza to, że Wszechświat miał swój początek.

Przed 13,8 miliarda lat cały Wszechświat mieścił się w niezwykle gęstym i gorącym obszarze o mikroskopijnych rozmiarach, który zaczął się gwałtownie rozszerzać. Podczas rozszerzania się spadała gęstość i temperatura materii Wszechświata. Ten początek nazywamy Wielkim Wybuchem, choć tak naprawdę niewiele ma on wspólnego z prawdziwym wybuchem, na przykład bomby, w którym pod wpływem wysokiego ciśnienia fragmenty wybuchającej bomby rozlatują się na wszystkie strony, przemierzając przestrzeń. Przed Wielkim Wybuchem przestrzeń nie istniała, nie istniał też czas. Przestrzeń, czas i materia powstały właśnie w Wielkim Wybuchu.

Pierwsze ${10}^{-43}s$ życia Wszechświata, tak zwana era Plancka, to najbardziej tajemniczy okres dziejów Wszechświata. Nie istnieje teoria, która pozwoliłaby go opisać. Przypuszcza się, że w tej epoce wszystkie oddziaływania: grawitacyjne, silne, słabe i elektromagnetyczne były nierozróżnialne.

Do około ${10}^{-9}s$ temperatura jest tak wysoka, że nie mogą istnieć cząstki takie, jak protony, czy neutrony. Ich składniki, czyli kwarkikwarkkwarki tworzą wraz z gluonamigluongluonami mieszaninę, zwaną plazmą kwarkowo‑gluonowąplazma kwarkowo - glonowaplazmą kwarkowo‑gluonową. Obecne są też inne cząstki elementarne takie, jak elektrony i neutrina, zwane leptonami. Wszechświat wypełnia wysokoenergetyczne promieniowanie. Nieustannie kosztem energii promieniowania powstają nowe pary cząstka – antycząstka. Jednocześnie zachodzi anihilacja tych par, czyli cząstka i antycząstka znikają, zamieniając się znów na promieniowanie. Procesy te są w równowadze, co oznacza, że materii jest tyle samo co antymaterii.

Do około ${10}^{-4}s$ trwa era hadronowa. Hadrony to cząstki składające się z kwarków, na przykład protony i neutrony. Gdy temperatura Wszechświata spada do ${10}^{15}K$, możliwe jest już łączenie się kwarków i powstanie hadronów. Początkowo hadrony są cząstkami relatywistycznymi, co oznacza, że poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła, a ich energia kinetyczna jest wielokrotnie większa od energii spoczynkowej. W zderzeniach ogromna energia kinetyczna może zamieniać się na energię spoczynkową nowych cząstek. Oznacza to, że wyniku zderzeń rodzą się nowe cząstki i antycząstki. Cząstki i antycząstki ulegają anihilacji, czyli znikają, zamieniając się na inne cząstki lub fotony.

Era hadronowa zbliża się do końca po około ${10}^{-4}s$. Energie cząstek są już zbyt niskie, aby mogły powstawać w zderzeniach nowe hadrony. Prawie wszystkie protony i neutrony anihilują, zwiększając liczbę fotonów. Pozostaje nadwyżka materii nad antymaterią. Ta pozostała po wielkiej anihilacji nadwyżka materii to bardzo niewielka część materii początkowego Wszechświata. Szacuje się, że zaledwie kilka na każde dziesięć miliardów protonów nie uległo anihilacji. Z tej niewielkiej nadwyżki zbudowany jest obecnie cały Wszechświat. Fakt, że po wielkiej anihilacji w ogóle coś pozostało jest niewyjaśnioną zagadką nauki.

W temperaturach panujących do tej pory nie mogły istnieć jądra atomowe. Gdyby nawet proton i neutron połączyłyby się, tworząc jądro deuterudeuterdeuteru, w następnej chwili jądro rozpadłoby się w zderzeniu o wielkiej energii.

Dopiero w erze nukleosyntezy, która trwała do 3 minut życia Wszechświata, temperaturatemperaturatemperatura zmniejszyła się odpowiednio, aby mogły zacząć powstawać pierwsze lekkie jądra. Najpierw powstawały najmniejsze jądra deuteru. Jądra deuteru dołączały kolejne nukleony i zaczęły powstawać jądra helu, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Zauważmy, że taki właśnie proces syntezy jądrowejsynteza jądrowasyntezy jądrowej, w wyniku której z jąder wodoru (protonów) powstają jądra helu, zachodzi w naszym Słońcu. Wszechświat w tym czasie przypominał wnętrze Słońca. Na skutek ciągłego rozszerzania Wszechświata temperatura spadała i już po 3 minutach stała się zbyt niska, aby mogła zachodzić nukleosynteza. Protony miały już zbyt małą energię kinetyczną, aby mogły dostatecznie zbliżyć się do siebie, przezwyciężając siły odpychania kulombowskiego. Zdążyły jeszcze powstać nieliczne jądra litu i berylu i nukleosynteza ustała.

W pierwszych 3 minutach ustaliła się obfitość helu we Wszechświecie – około 24% masy wodoru stanowił hel, co zgadza się z występowaniem tego pierwiastka w obecnym Wszechświecie.

Zgodność ta stanowi jeden z dowodów na słuszność teorii Wielkiego Wybuchu.

Przez ponad kolejnych 300 tysięcy lat materia była nieprzezroczysta dla promieniowania elektromagnetycznego. Jądra atomowe i elektrony poruszały się niezależnie od siebie. Jądra nie mogły przyłączyć elektronów z powodu zbyt wysokiej temperatury. Taki stan materii nazywamy plazmąplazmaplazmą. Fotony promieniowania elektromagnetycznego zderzały się z elektronami i jądrami, wymieniając z nimi energię i zmieniając wciąż kierunek ruchu.

Około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu temperatura obniżyła się do wartości umożliwiającej powstanie atomów. Elektrony przyłączyły się do jąder atomowych i materia stała się przezroczysta dla promieniowania. Fotony miały już zbyt małą energię, aby oddziaływać z atomami. Mówimy, że promieniowanie oddzieliło się od materii. Fotony od tej pory mogły bez przeszkód przemierzać Wszechświat, a niektóre z nich możemy rejestrować w detektorach promieniowania mikrofalowego. Nazywamy je mikrofalowym promieniowaniem tła (lub promieniowaniem reliktowym). Fotony promieniowania tła poruszają się we wszystkie strony, żaden kierunek propagacji nie jest wyróżniony. Badanie widma promieniowania tła pozwoliło wyznaczyć temperaturę obecnego Wszechświata. Wynosi ona 2,7K. Istnienie mikrofalowego promieniowania tła zostało przewidziane przez fizyków jako pozostałość po Wielkim Wybuchu jeszcze przed odkryciem tego promieniowania w 1965 roku.

RhcclOFgHpu3J

Rys. 1. Ilustracja przedstawia mapę mikrofalowego promieniowania tła pokazującą obraz Wszechświata. Na rysunku widoczna jest pozioma elipsoida. Powierzchnia elipsoidy pokryta jest ciemnoniebieskimi, jasnoniebieskimi, zielonymi i żółtymi obszarami. Ciemnoniebieskie obszary symbolizują rejony wszechświata, gdzie natężenie promieniowania tła jest najmniejsze. Cieplejsze, czyli żółte obszary, obrazują rejony Wszechświata, w których natężenie promieniowania tła jest najwyższe. Dominującym kolorem na powierzchni elipsoidy jest jasnoniebieski, gdzie natężenie promieniowania tła przyjmuje wartość średnią.

Odkrycie mikrofalowego promieniowania tła stanowi, obok zawartości helu we Wszechświecie, jeden z dowodów na słuszność teorii Wielkiego Wybuchu.

Dopiero po oddzieleniu się promieniowania od materii stało się możliwe formowanie się struktur, takich jak gwiazdy i galaktyki. Dokładne badania promieniowania reliktowego, dokonywane za pomocą detektorów umieszczonych na satelitach, pozwoliły wykryć niewielkie fluktuacjefluktuacjefluktuacje temperatury promieniowania, dochodzącego z różnych kierunków. Różnice temperatur promieniowania odpowiadają różnicom gęstości materii w momencie oddzielenia się promieniowania od materii 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Istnienie tych fluktuacji gęstości umożliwiło późniejsze powstawanie gwiazd i galaktyk. Jak to się działo?

Za powstanie pierwszych gwiazd odpowiada siła grawitacji, która jest tym większa, im większa jest masa przyciągających się ciał. Niewielkie zagęszczenia materii przyciągały okoliczną materię silniej niż obszary o mniejszej gęstości. Obszary o większej gęstości rosły i przyciągały coraz silniej jeszcze więcej materii. Taki stan nazywamy niestabilnością grawitacyjną. Prowadził on do tworzenia się coraz większych skupisk materii, która pod wpływem siły grawitacji zapadała się do środka powstającej gwiazdy. Gęstość i temperatura wnętrza zapadającej się gwiazdy rosła, aż osiągnęła wartość umożliwiającą syntezę jądrowąsynteza jądrowasyntezę jądrową. Jądra wodoru zaczęły łączyć się, tworząc jądra helu. Wydzielała się przy tym ogromna energia i temperatura wnętrza nowej gwiazdy gwałtownie zwiększała się, wytwarzając przy tym wielkie ciśnienie, które hamowało dalsze zapadanie się gwiazdy. Pierwsze gwiazdy powstające już około 100 - 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu miały ogromne rozmiary, bo gęstość materii Wszechświata była wtedy znacznie większa niż obecnie. Temperatura we wnętrzu pierwszych, masywnych gwiazd była bardzo wysoka i synteza jądrowa w ich wnętrzu przebiegała znacznie szybciej niż w mniejszych gwiazdach, jak na przykład w naszym Słońcu. Gdy wyczerpały się zapasy wodoru w jądrze gwiazdy, jądra helu zaczynały się łączyć w cięższe jądra – węgla i tlenu. Potem powstawały jeszcze cięższe jądra, aż do jąder żelaza. Na tym synteza jądrowa w gwiazdach kończy się, bo tworzenie jeszcze cięższych jąder wymagałoby już dostarczania energii. Jak więc postały cięższe pierwiastki, jak złoto, czy uran? Powstały one w wybuchach supernowych, które wyzwalają energię porównywalną z energią emitowaną przez miliardy gwiazd lub podczas łączenia się dwóch gwiazd neutronowych. Badania nad tym zagadnieniem wciąż trwają i nasza wiedza o powstawaniu ciężkich jąder atomowych zmienia się z roku na rok.

Po ustaniu syntezy jądrowejsynteza jądrowasyntezy jądrowej żelazne jądro masywnej gwiazdy w ciągu ułamka sekundy kurczy się, zapadając się w gwiazdę neutronową – obiekt o średnicy kilkunastu kilometrów składający się głównie z neutronów. Jeśli wybuchająca gwiazda jest jeszcze bardziej masywna, jej jądro zapada się w czarną dziurę, czyli obszar o tak wielkiej gęstości, że nie może się z niego wydostać nawet światło. Więcej o tych egzotycznych obiektach dowiesz się z e‑materiału „Gwiazdy neutronowe i czarne dziury”.

Powstaniu gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury towarzyszy gwałtowny wybuch pozostałej materii gwiazdy, podczas którego zostają wytworzone pierwiastki cięższe od żelaza. Wybuch supernowej wzbogaca materię Wszechświata w cięższe pierwiastki. Zaczynają powstawać nowe gwiazdy następnej generacji, które już zawierają niewielką domieszkę cięższych pierwiastków. Należy do nich nasze Słońce.

Siła grawitacji powodowała, że gwiazdy utworzyły większe skupiska – galaktyki. Te łączyły się w jeszcze większe struktury - gromady galaktyk. Największe struktury we Wszechświecie, supergromady galaktyk, składają się z setek lub tysięcy gromad galaktyk. Ich rozmiary dochodzą do setek milionów lat świetlnych. Nie są one rozłożone we Wszechświecie równomiernie. Supergromady galaktyk układają się we włókna rozdzielone pustkami – obszarami prawie pozbawionymi materii, o średnicy od kilkudziesięciu do kilkuset milionów lat świetlnych. Rys. 2. pokazuje mapę Wszechświata w promieniu 1 miliarda lat świetlnych, na której widać supergromady galaktyk ułożone we włókna, otaczające olbrzymie pustki. Ściany skupiają około 60% masy galaktyk, natomiast zajmują jedynie 10% objętości Wszechświata. Więcej o tych zagadnieniach przeczytasz w e‑materiale „Na czym polega hierarchiczna struktura Wszechświata?”

R1QYrHuuyNEWi

Rys. 2. Ilustracja przedstawia grafikę, na której przedstawiono schematycznie Wszechświat w promieniu jednego miliarda lat świetlnych od Ziemi. Tło ilustracji jest czarne i symbolizuje pustą przestrzeń kosmiczną. Środek rysunku pokrywa się ze środkiem czarnej sfery, wewnątrz której widoczne są białe obszary. Sfera obrazuje wybrany fragment Wszechświata o promieniu jednego miliarda lat świetlnych. Jasne obszary wewnątrz sfery przedstawiają skupiska galaktyk a pozostała ciemna część figury obrazuje przestrzeń międzygwiezdną.

Słowniczek