A wszystko zaczęło się 13,7 miliarda lat temu w wydarzeniu zwanym Wielkim Wybuchem. Wtedy powstał czas, przestrzeń, energia i materia czyli nasz Wszechświat. Ale czym był i jak wyglądał ten popularnie zwany Big Bang. Tu sprawa nie jest taka prosta, ale spróbujmy sobie opisać moment narodzin naszego Wszechświata. Otóż Wielki Wybuch nie był eksplozją w przestrzeni, ale ekspansją samej przestrzeni, która miała miejsce wszędzie. Całość procesu narodzin Kosmosu najlepiej przedstawić na diagramie (rysunek powyżej).

Artykuł został przysłany w ramach konkursu ogłoszonego przez nasz portal we wrześniu. Autor (Łukasz Sujka) otrzymuje od nas nagrodę książkową.

Tuż przed czasem 10-43s (zwanym też czasem Plancka) całość materii, energii, przestrzeni i czasu uległy eksplozji z pojedynczego punktu – osobliwości. Była to tzw. Era Plancka (zgodnie z modelem rozszerzającego się Wszechświata zakończyła się ona 5*10-44s po wybuchu). Co się wtedy działo? Nie wiemy. Stan Wszechświata w erze Plancka nie może być opisany za pomocą równań klasycznej ogólnej teorii względności, gdyż efekty kwantowe odgrywają wówczas zasadniczą rolę i do poprawnego opisu potrzebna jest kwantowa teoria grawitacji (obecnie taka nie istnieje, być może uruchomiony 10 września 2008 roku w CERN Wielki Zderzacz Hadronów pozwoli na jej zdefiniowanie).

Po Erze Plancka nastąpiła Era Wielkiej Unifikacji w której zjednoczone uprzednio oddziaływania (grawitacyjne, jądrowe silne, jądrowe słabe i elektromagnetyczne) ulegają rozdzieleniu; dokładniej rzecz ujmując, w chwili t=10-35s, gdy gęstość materii wynosiła 1070g/cm3, a temperatura 1027K, co odpowiada energii 1014GeV, od pierwotnego oddziaływania odłącza się oddziaływanie silne jądrowe i to ono zaczyna odgrywać zasadniczą rolę w istniejących warunkach. Rozpoczyna się Era Inflacji czyli okres gwałtownego rozwoju Wszechświata (trwa ona między 10-36 a 10-32 sekundy) podczas którego zwiększa on swoje rozmiary co najmniej 1020 razy. Wszechświat składa się teraz prawie wyłącznie z energii w postaci fotonów oraz niektórych cząstek elementarnych. Po czasie 10-12 sekundy wszelkie oddziaływania ulegają rozdzieleniu i kończy się Era Wielkiej Unifikacji. Po czasie 10-6 sekundy rozszerzający się Wszechświat ochładza się do temperatury 1013K a wartość energii obniża się do 1 GeV. Tworzą się pierwsze protony i neutrony ale energia jest wciąż zbyt wysoka aby mogły się formować pierwsze jądra atomowe (tzw. Epoka Leptonów). Pierwsze jądra atomowe powstały “dopiero” po 13,8 sekundy od Wielkiego Wybuchu. Były to jądra helu-4. Po 34 minutach zatrzymały się wszelkie przemiany jądrowe, natomiast ekspansja Wszechświata trwała dalej. Dalej skala czasowa zjawisk zaczyna się znacznie wydłużać.

Po 300000 lat temperatura spada na tyle, że powstają pierwsze atomy wodoru i helu. Wszechświat staje się przeźroczysty dla promieniowania świetlnego (wcześniej było ono blokowane przez zjonizowane gazy).

Okres od powstania atomów do zapalenia się pierwszych gwiazd (setki milionów lat później) nazywany jest “wiekami ciemności”. To co działo się w tym okresie stanowi dla naukowców sporą zagadkę. Próbują oni ją rozwiązać, analizując promieniowanie tła i sięgając za pomocą największych teleskopów na krańce Wszechświata.

Nigdy nie zaobserwujemy światła widzialnego wyemitowanego przed powstaniem pierwszych gwiazd, ale dzięki programom badawczym takim jak WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – rysunek poniżej) możemy obserwować kosmiczne promieniowanie tła, które pozwala odtworzyć zjawiska zachodzące podczas “wieków ciemności”.

Rysunek 2 (sonda WMAP)

Artystyczna wizja podróży sondy WMAP.

Na obrazie wykonanym z satelity WMAP widzimy, że w chwili kiedy formowały się pierwsze atomy we Wszechświecie istniały niewielkie fluktuacje gęstości (czerwone obszary na rysunku poniżej). Doprowadziły one do powstania obecnych wielkich obiektów takich jak supergromady galaktyk.

Rysunek 3 (promieniowanie tła)

Obraz kosmicznego promieniowania tła z satelity WMAP.

Pierwsze gwiazdy zapłonęły 200 mln lat po Wielkim Wybuchu. Zawierały prawie wyłącznie wodór i hel ponieważ innych pierwiastków praktycznie wtedy nie było. Były one niezwykle masywne (rzędu 100 do 1000 mas Słońca), żyły “tylko” kilka milionów lat a później wybuchały jako supernowe (lub czasem nawet jako hipernowe – rysunek poniżej). Promieniowanie nadfioletowe tych gwiazd zapoczątkowało prawdopodobnie ważny etap w historii Wszechświata, czyli ponowną jonizację wodoru zamieniając go z formy neutralnej na obecną dzisiaj formę elektryczną.

Rysunek 4 (hipernowa)

Artystyczna wizja wybuchu hipernowej (kolapsara).

Pierwsze masywne supergwiazdy, wybuchając, wyrzucały w przestrzeń nowe pierwiastki chemiczne. Powstały między innymi węgiel, tlen, krzem, żelazo oraz wiele innych. Miały one zasadnicze znaczenie przy powstawaniu skalistych planet oraz żywych organizmów. Tak narodził się znany nam Wszechświat. Wszystko co nas otacza, począwszy od planet, Słońca, innych gwiazd, mgławic a skończywszy na supergromadach galaktyk i kwazarach powstało na skutek Wielkiego Wybuchu.

A jak to wszystko się skończy?

Nie jesteśmy tego pewni na 100%, ale możemy przewidzieć kilka scenariuszy końca Wszechświata. Być może będzie to Wielki Skurcz albo Wielki Chłód, albo jeszcze coś innego. Ale to już materiał na inny artykuł…

Bibliografia:

1. “Encyklopedia Wszechświat” – Wydawnictwo Naukowe PWN

2. http://www.joannad.nazwa.pl/universe/index2.php?file=1&sec=bb

3. http://www.iwiedza.net/encyklo/wleter.html

4. http://map.gsfc.nasa.gov/

5. http://vesta.astro.amu.edu.pl/Staff/Chrisk/blyski_gamma/nowe_mod.htm

O autorze:

Nazywam się Łukasz Sujka. Szeroko pojętą astronomią interesuję się od dzieciństwa jednak dopiero teraz warunki finansowe pozwoliły mi na zakup sprzętu niezbędnego do prowadzenia obserwacji i badań.

Najbardziej fascynujące jest dla mnie błądzenie po niebie przy asyście potężnej lornetki Celestron Sky Master 25×100.

Oprócz obserwacji zajmuję się pisaniem artykułów oraz recenzji sprzętu astronomicznego oraz fotograficznego.

W przyszłości zamierzam rozpocząć przygodę z amatorską astrofotografią.

Autor

Michał Matraszek