Stacjonarny model Wszechświata

W połowie XVI wieku Mikołaj Kopernik w swym dziele O obrotach ciał niebieskich (De revolutionibus orbium coelestium, 1543) przedstawił teorię heliocentryczną, która zburzyła powszechne w owym czasie poglądy i przekonania o wyjątkowości Ziemi we Wszechświecie. Teoria ta stała się dla innych uczonych punktem wyjścia do podjęcia prób odpowiedzi na pytanie, czy Wszechświat jest przestrzennie skończony czy nie, czy istnienie Wszechświata jest ograniczone w czasie, wreszcie, czy Wszechświat podlega zmianom (ewoluuje), czy może trwa w niezmiennym stanie. W 1576 roku, a więc nieco ponad 30 lat od ogłoszenia dzieła Kopernika, angielski matematyk i astronom Thomas Digges, przetłumaczył i opublikował kosmologiczną jego część, wzbogaconą o własną teorią nieskończonego Wszechświata, w którym nieruchome gwiazdy rozmieszczone są w różnych odległościach od Słońca.

R11XcP5RUTMz61

Ilustracja przedstawia narysowane koncentrycznie okręgi. Najmniejszy jest w środku, opisany jako Słońce. Dookoła niego każdy okrąg opisano jako kolejną planetę.

Stacjonarny model Wszechświata, oparty na zasadzie kopernikańskiej, zakładał, że Wszechświat jest izotropowy (taki sam we wszystkich kierunkach) i jednorodny (taki sam we wszystkich miejscach), niezależnie nie tylko od położenia obserwatora, ale i od czasu, w którym prowadzone są obserwacje. Model ten uważany był za obowiązujący praktycznie aż do początków XX wieku. Wtedy jednak zdarzyło się coś, co zmieniło poglądy uczonych na temat genezy i ewolucji Wszechświata. W 1912 roku amerykański astronom Vesto Slipher odkrył, że prawie wszystkie, jak je nazywał, „mgławice spiralne” (czyli galaktyki spiralne) oddalają się od Ziemi z prędkością 3,6 mln km/h. Dziesięć lat później Aleksander Friedmann, rosyjski kosmolog i matematyk, a kilka lat później belgijski fizyk Georges Lemaître, niezależnie dowodzili, że Wszechświat może się rozszerzać, konstruując opisujące ten proces równania. Skoro jednak Wszechświat podlega ekspansji, to znaczy, że w przeszłości cała jego masa musiała być skupiona w jednym, pierwotnym punkcie, a to z kolei oznacza, że Wszechświat ma swój początek. Dowodów na poparcie tej śmiałej, jak na owe czasy, tezy dostarczył w 1929 roku amerykański astronom Edwin Hubble. Odkrył on i obliczył zależność między odległością dzielącą galaktyki a prędkością, z jaką się od siebie oddalają, znaną dziś jako prawo Hubble’a. Stworzona formuła w sposób matematyczny opisuje zjawisko „ucieczki galaktyk”. Prędkość oddalania się galaktyk można bowiem ustalić na podstawie obserwowanego przesunięcia obserwowanego widma galaktyk ku czerwieni, przy czym im większa prędkość ucieczki danej galaktyki, tym przesunięcie jej widma ku czerwieni jest większe (aby zrozumieć zasadę, przypomnij sobie założenia prawa Dopplera). Zaobserwowana prawidłowość dostarczyła dowodów będących podstawą stworzenia teorii Wielkiego Wybuchu. Termin „Wielki Wybuch”, który dziś jest powszechnie rozpoznawalną nazwą teorii, został ironicznie użyty przez astrofizyka Freda Hoyle’a, jej zadeklarowanego krytyka, w audycji radiowej w 1965 roku.

Prawidłowość stwierdzoną przez Hubble’a wykorzystali Alan Guth, Andrzej Linde, Paul Steinhardt i Andreas Albrecht. W 1980 roku opracowali oni inflacyjny model Wszechświata będący rozszerzeniem dotychczasowego modelu Wielkiego Wybuchu.

Przez wiele lat toczyły się zawzięte dyskusje, nie tylko na forum naukowym, ale także w mediach, między zwolennikami kosmologii stanu stacjonarnego a zwolennikami koncepcji rozszerzającego się Wszechświata. Dyskusje ucichły w połowie lat 60. XX wieku. Wtedy to amerykańscy uczeni Arno Penzias i Robert Wilson odkryli dowody potwierdzające istnienie eksplozji w postaci echa, jakim jest mikrofalowe promieniowanie tła, to samo, które Georges Lemaître i inni teoretycy teorii uznali za wystarczający dowód Wielkiego Wybuchu sprzed wielu miliardów lat. Obecnie teoria Wielkiego Wybuchu jest uznawana za najbardziej prawdopodobną, choć, co należy przyznać, istnieją także teorie alternatywne, negujące fakt takiego początku Wszechświata.

RifccRd4QYVwj

Zdjęcie przedstawia urządzenie stojące na zewnątrz. Po lewej stronie urządzenia na metalowej konstrukcji zamontowane jest małe drewniane pomieszczenie. Połączone jest z dużym elementem przypominającym tubę w kształcie piramidy. Na jej końcu jest otwór. To antena tubowa. Pod anteną, na platformie, na której stoi urządzenie, znajduje się dwóch mężczyzn.

Teoria Wielkiego Wybuchu

Co właściwie zdarzyło się 13,82 mld lat temu (dane z misji Planck z 2013 roku, 13,77 mld lat wg danych sondy WMAP), kiedy to zdaniem uczonych nastąpił Wielki Wybuch? Jedno jest pewne, Wielki Wybuch nie był eksplozją w powszechnym rozumieniu tego terminu. Na początku nie było czasu, przestrzeni ani grawitacji, a cały obecny Wszechświat skupiony był w obiekcie o nieskończenie małych rozmiarach, nazywanym „pierwotnym atomem”, a później „osobliwością”. Wielki Wybuch zainicjował więc powstanie czasoprzestrzeni i rozwój znanego nam kosmosu. Co było impulsem, który do tego doprowadził, tego jeszcze nie rozumiemy, ponieważ wszystkie równania opisujące ten fenomen dotyczą stanu od 10Indeks górny −43⁻⁴³ sekundy jego zaistnienia. Do objaśnienia stanu Wszechświata w czasie wcześniejszym (t = 0‑10Indeks górny -43^-43 s), nazywanym erą Plancka, naukowcy próbują wykorzystać teorię kwantów, gdyż nie może on być opisany za pomocą równań klasycznej, ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Przyjmuje się, że w najwcześniejszym stadium rozwoju Wszechświat był wypełniony energią i materią o wielkiej gęstości, ogromnej temperaturze i ciśnieniu. Ciągle jeszcze nie potrafimy jednak precyzyjnie opisać zjawisk, które wtedy występowały. Być może umożliwi to kwantowa teoria grawitacji, nad stworzeniem której pracują fizycy.

Druga faza formowania się Wszechświata, zwana wielką unifikacją, rozpoczęła się, kiedy gęstość materii wynosiła 10Indeks górny 92⁹² g/cm³, a jej temperatura 10Indeks górny 32³²°K (t = 10Indeks górny -43^-43s). Zaczęły wtedy obowiązywać prawa uznawanej powszechnie ogólnej teorii względności. Na początku owej ery wszystkie oddziaływania elementarne między cząstkami, poza grawitacyjnym, były zbliżone i symetryczne. Jednak w 10Indeks górny -35^-35 s od Wielkiego Wybuchu, kiedy temperatura spadła do 10Indeks górny 28²⁸°K, symetria została zaburzona. W efekcie nastąpiła emisja wielkiej ilości energii. W chwili, gdy gęstość materii wynosiła 10Indeks górny 74⁷⁴ g/cm³, a temperatura 10Indeks górny 27²⁷°K (t = 10Indeks górny −34⁻³⁴ s), rozpoczęła się era inflacji kosmologicznej. Uwolniona energia spowodowała w czasie od 10Indeks górny -35^-35 do 10Indeks górny -33^-33 sekundy od Wielkiego Wybuchu gwałtowne przyspieszenie ekspansji Wszechświata i zmniejszenie pierwotnych różnic w jego gęstości. Od 10Indeks górny -33^-33 sekundy ekspansja zwolniła, postępował także proces zmniejszania gęstości i obniżania temperatury. Początkowo występowały wszystkie typy kwarkówkwarkkwarków i odpowiadających im ilościowo antykwarków (era kwarkowa). Wraz ze spadkiem temperatury lżejsze kwarki łączyły się w hadronyhadronyhadrony, cięższe rozpadały się (era hadronowa trwająca do ok. 10Indeks górny –4^–4 s). W czasie od 10Indeks górny -4^-4 s do 10 sekund od wybuchu głównym składnikiem materii Wszechświata były leptonyleptonleptony - elektrony, neutrina (era leptonowa). Rozpadające się neutrony utworzyły z protonami stabilne jądra - deuterudeuterdeuteru, z nich izotopu helu-Indeks górny 3³He, a następnie izotopu helu-Indeks górny 4⁴He. Wtedy to powstały międzygalaktyczne obłoki helowe. Ten okres nazywany jest niekiedy erą nukleosyntezy. W tym jakże krótkim okresie ekspansji powstała cała materia obecna we Wszechświecie. Proces ten nie zakończył rozwoju Wszechświata, ale dalsze przemiany zachodziły już w znacznie wolniejszym tempie.

W długim okresie od 10 sekund do 380 tys. lat od Wielkiego Wybuchu, określanym jako era promieniowania, Wszechświat wypełniały oddziałujące na siebie cząstki – były to głównie fotonyfotonfotony, którym w niewielkiej ilości towarzyszyły protony i neutrony, natomiast zawartość helu była minimalna. Temperatura promieniowania stopniowo zrównała się z temperaturą materii, Wszechświat był wypełniony zjonizowanymi gazami i całkowicie nieprzejrzysty. Po upływie około 10 tys. lat we Wszechświecie zaczęła dominować energia związana z materią. Po około 300 tys. lat od Wielkiego Wybuchu protony połączyły się trwale z elektronami w atomy, a poruszające się swobodnie fotony uwolniły promieniowanie tła, którego odkrycie w XX w. stało się koronnym dowodem potwierdzającym prawdziwość teorii Wielkiego Wybuchu. Wszechświat wypełniał w miarę jednorodny obłok wodoru z domieszką helu. W rozwoju Wszechświata rozpoczęła się era gwiazdowa, zwana też galaktyczną, która trwa od ok. 390 tys. lat do dzisiaj.

RYViRvF28seiv

Ilustracja przedstawia kulę ziemską o eliptycznym kształcie. Jej powierzchnia pokryta jest niebieskimi punktami w różnych odcieniach oraz zielonymi, żółtymi i czerwonymi.

Rozwój Wszechświata od uwolnienia promieniowania tła do pojawienia się pierwszych gwiazd (mniej więcej 100 mln lat od Wielkiego Wybuchu) określany jest jako epoka ciemności (wieki ciemne), ze względu na obecność niezjonizowanego wodoru. W tym czasie formowały się pierwsze galaktyki, jednak szczegółowy proces ich tworzenia nie jest do końca wyjaśniony, choć powstało wiele opisujących go teoretycznych modeli. Podstawowe znaczenie miała w tym procesie siła grawitacji, powodująca zagęszczanie gazowych obłoków, między którymi powstawała kosmiczna próżnia o znacznie mniejszej gęstości materii. Zapadanie się obłoków gazowych prowadziło do powstania pierwszych gwiazd, o ogromnej masie. W końcowym etapie ich ewolucji powstały w nich jądra ciężkich pierwiastków, m.in. węgla, tlenu, krzemu, siarki, żelaza. Każde kolejne pokolenie gwiazd zawiera ich coraz większą ilość (Słońce jest gwiazdą drugiej lub trzeciej generacji i zawiera 1–2% pierwiastków ciężkich). Podczas wybuchu supernowych materia międzygwiezdna jest zasilana w pierwiastki ciężkie, a proces ten trwa do chwili obecnej.

RgliyFbEnkvkV

Ilustracja przedstawia uproszczony schemat ewolucji Wszechświata. Po lewej stronie ilustracji znajduje się bardzo jasny punkt, z którego rozchodzą się promienie. Opisano: inflacja; wielka unifikacja. Następnie jasną warstwę opisano jako promieniowanie tła 375 tysięcy lat. Za jasną warstwą znajduje się kształt przypominający nieco rozszerzający się tunel. Kolejna warstwa za jasną warstwą jest ciemna opisana jako wieki ciemne. Za ciemną są jasne punkty - to pierwsze gwiazdy około 400 milionów lat. Za jasnymi punktami są liczne jasne punkty na tle kolorowych chmur - to długi etap opisany jako powstawanie galaktyk i planet. Pod koniec tunelu są większe punkty w kształcie dysków. Opisano ten etap jako przyspieszenie ekspansji ciemnej energii. U wylotu tunelu znajduje się sonda WMAP (2001-2010). Cały opisany proces to ekspansja Wszechświata 13,77 miliarda lat.

Model Wielkiego Wybuchu opisujący powstanie i ewolucję Wszechświata jest w znacznej części modelem teoretycznym, wymagającym obserwacyjnego potwierdzenia założeń. Stało się to możliwe dzięki długoletnim pomiarom prowadzonym od początku XX w., ale także znaczącemu postępowi w badaniach kosmologicznych od końca lat 90. XX w. Szczególne znaczenie miał w tym względzie rozwój technologii teleskopów oraz doskonalenie metod analizy danych satelitarnych i kosmicznych. Od 1990 roku na orbicie pracuje Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Obserwacje przeprowadzone przy jego pomocy pozwoliły naukowcom na stwierdzenie przyspieszenia rozszerzania Wszechświata (co przeczyło dotychczasowej tezie o spowalnianiu tego procesu pod wpływem grawitacji).

Pierwszym sztucznym satelitą zbudowanym w celu prowadzenia badań kosmologicznych był satelita COBE (Cosmic Background Explorer), wprowadzony na orbitę przez NASA w 1989 roku i wyposażony m.in. w przyrządy do detekcji nieregularności mikrofalowego promieniowania tła. Jego następczynią była sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), wyniesiona w kosmos w 2001 roku, której zadaniem były pomiary temperatury promieniowania reliktowego (prowadzone do 2010 roku). W 2009 roku pomiary anizotropiianizotropiaanizotropii kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła rozpoczął satelita Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) Planck. Ich wyniki wskazują m.in., że wiek Wszechświata szacowany jest na 13,82 miliarda lat, a w jego skład wchodzi 4,9% materii barionowejmateria barionowamaterii barionowej, 26,8% hipotetycznej ciemnej materii i 68,3% ciemnej energii.ciemna energiaciemnej energii.

R11OjBsdobQdr

Ilustracja przedstawia trzy etapy postępu w badaniach nad promieniowaniem reliktowym. Rok 1965. Zdjęcie przedstawia urządzenie stojące na zewnątrz. Po lewej stronie urządzenia na metalowej konstrukcji zamontowane jest małe drewniane pomieszczenie. Połączone jest z dużym elementem przypominającym tubę w kształcie piramidy. Na jej końcu jest otwór. To antena tubowa. Pod anteną, na platformie, na której stoi urządzenie, znajduje się dwóch mężczyzn. To Penzias i  Wilson. Obok nazwisk jest eliptyczny kształt. Jest zielony, przez jego środek, poziomo przechodzi jasne, wąskie pasmo. Następnie rok 1992. Na zdjęciu jest sztuczny satelita, zbudowany między innymi z płaskich paneli słonecznych, z przodu ma rozszerzającą się tubę. To COBE. Obok jest eliptyczny kształt. Przez środek poziomo przechodzi stosunkowo szerokie czerwone pasmo. Nan i pod nim obszar pokrywają zielone, niebieskie, żółte plamy. Rok 2003. Na zdjęciu jest satelita zbudowany między innymi z baterii słonecznych, urządzeń optycznych. Dolna część przypomina płaski talerz. To WMAP. Obok jest kształt elipsy. Przez środek poziomo przechodzi wąskie, czerwone pasmo. Nad i pod nim obszar pokryty jest niebieskimi, zielonymi, żółtymi i czerwonymi punktami.

Dzięki badaniom prowadzonym od dziesięcioleci kosmolodzy dysponują dziś dokładnymi pomiarami wielu parametrów modelu Wielkiego Wybuchu, pozwalającymi na zweryfikowanie podstawowych założeń modelu. Oto niektóre z przykładów.

• Ciągłe rozszerzanie Wszechświata – świadczy o tym zaobserwowane przez Edwina Hubble’a w 1929 roku astronomiczne zjawisko przesunięcia światła niemal wszystkich galaktyk ku czerwieni, przy czym im większa odległość do danej galaktyki, tym przesunięcie jej widma ku dłuższym falom jest większe; zjawisko to jest znane pod nazwą „ucieczki galaktyk”; współcześnie prowadzone obserwacje wskazują, że ekspansja Wszechświata wydaje się przyspieszać.

• Skład chemiczny Wszechświata – pod względem wagowym 74% stanowi wodór (z tego jeden na sto tysięcy atomów występuje w formie deuteru), 24% hel, na pozostałe pierwiastki przypada 2%; przedstawiony skład chemiczny określony został w latach 60. XX w. przez Peeblesa i Wagnera, a następnie potwierdzony przez wiele zespołów badawczych.

• Temperatura kosmicznego promieniowania tła zmieniała się w przeszłości w ściśle określony sposób – badania prowadzone na przełomie XX i XXI w. dotyczące wielkości i zmian temperatury promieniowania tła dostarczyły wyników zgodnych z przewidywaniami teoretycznego modelu Wielkiego Wybuchu.

• Obiekty kosmiczne, w tym galaktyki, powstają w różnych etapach rozwoju Wszechświata i podlegają ewolucji – zmienia się m.in. ich liczba, skład chemiczny i jasność – w pierwszej dekadzie XXI w., dzięki obserwacjom prowadzonym z orbity okołoziemskiej, uzyskano dowody potwierdzające ewolucję struktury rozkładu materii w wielkich skalach i stwierdzono, że pierwsze galaktyki i gwiazdy powstały kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Chociaż model ewolucji Wszechświata określany mianem Wielkiego Wybuchu jest obecnie uznawany za najbardziej prawdopodobny, istnieją alternatywne teorie podważające jego zasadność. Jedną z nich jest teoria Wielkiego Odbicia zakładająca występowanie naprzemiennych (oscylacyjnych) procesów ekspansji i kurczenia się Wszechświata rozdzielonych tzw. Wielkim Odbiciem. W tym kontekście Wielki Wybuch interpretowany jest jako jeden z kolejnych etapów rozwoju Wszechświata (odbicie) będący wynikiem zniszczenia poprzednio istniejącego.

Podobnie podzielone są opinie badaczy dotyczące przyszłości Wszechświata. Niektórzy z nich widzą przyszłość Wszechświata jako Wielkie Rozdarcie. Koncepcja ta, sformułowana przez Roberta Caldwella, zakłada, że wskutek ciągłego rozszerzania Wszechświata wszystko, począwszy od gwiazd i galaktyk do atomów i cząstek elementarnych, a nawet czasoprzestrzeni, ulegnie rozerwaniu. Hipoteza opiera się przede wszystkim na nie do końca poznanej ciemnej energii występującej we Wszechświecie. Jeśli gęstość ciemnej energii jest stała, Wszechświat przetrwa, jeżeli jednak będzie wzrastała bez ograniczeń, może przewyższyć wszystkie siły, które utrzymują Wszechświat w spójności.

Z kolei teoria Wielkiego Kolapsu, powiązana z teorią Wielkiego Odbicia, zakłada, że proces rozszerzania się Wszechświata nie będzie przebiegać wiecznie. Pod wpływem rosnącej grawitacji, której towarzyszy wzrost temperatury i gęstości, rozpocznie się bowiem proces przeciwny – kurczenia się Wszechświata. Będzie on polegał na zbliżaniu i łączeniu galaktyk, scalaniu ich z gwiazdami i planetami. Ogromna grawitacja spowoduje także zespolenie atomów, które rozpadną się na nukleony (protony i neutrony), a te z kolei na kwarki. Wielki Kolaps stanowi więc odwrócenie procesu Wielkiego Wybuchu, gdyż w jego wyniku Wszechświat powróci do stanu osobliwości o skrajnie wysokiej gęstości i temperaturze.

Słownik