Powstanie i rozwój wszechświata

1. Powstanie i rozwój wszechświata

2. Powstanie wszechświata Według najpopularniejszej obecnie teorii Wielkiego Wybuchu Wszechświat powstał około 13,73 mld lat temu z obiektu o ogromnej gęstości i temperaturze (model gorącego wszechświata). Przez "powstanie" rozumiemy tu wyłonienie się przestrzeni i czasu, a wraz z nimi cząstek elementarnych i promieniowania. W modelu Wielkiego Wybuchu wszechświat podlega ciągłej ekspansji, równocześnie stygnąc.

3. Wielki Wybuch To model powstania Wszechświata uznawany przez współczesną kosmologię za najbardziej prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,73 mld lat temu dokonał się "Wielki Wybuch" - z nieprawdopodobnie gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat (przestrzeń, czas, materia, energia, oddziaływania, itd.). Teoria ta opiera się na obserwacjach wskazujących na rozszerzanie się przestrzeni zgodnie z metryką Friedmana-Lemaître'a-Robertsona-Walkera. Przemawia za tym przesunięcie ku czerwieni odległych galaktyk zgodne z prawem Hubble'a w powiązaniu z zasadą kosmologiczną. Ekstrapolując z przeszłości, obserwacje te wskazują, że Wszechświat rozszerza się od stanu, w którym cała materia oraz energia Wszechświata miała ogromną gęstość i temperaturę. Fizycy nie są zgodni co do tego, co było przedtem ale teoria ogólnej względności przewiduje, że był to stan grawitacyjnej osobliwości. Termin Wielki Wybuch jest używany zarówno w wąskim znaczeniu na określenie momentu, gdy zaczęło się obserwowane rozszerzanie się Wszechświata oraz w szerszym - jako określenie dominującego paradygmatu naukowego objaśniającego powstanie Wszechświata oraz uformowanie się przez nukleosyntezę pierwotnej materii (zgodnie z teorią Alphera-Bethe-Gamowa). Utożsamianie wielkiego wybuchu z eksplozją jest o tyle niefortunne, że proces ten, tak jak rozumie i ujmuje go współczesna kosmologia nie polegał na ekspansji w pustej przestrzeni lecz dotyczył "rozdymania" przestrzeni jako takiej (porównaj także model Friedmana).

4. Historia teorii Wielkiego Wybuchu Przed powstaniem teorii Wielkiego Wybuchu obowiązywał powszechnie uznawany pogląd, że Wszechświat jest niezmiennym nieporuszającym się układem galaktyk. Pogląd ten wyrażał także Albert Einstein. Teoria Wielkiego Wybuchu została wypracowana na podstawie rozważań teoretycznych próbujących wyjaśnić obserwacje astronomiczne. Obserwatorzy zauważyli, że większość "mgławic spiralnych" oddala się od Ziemi ale nie byli jeszcze świadomi kosmologicznych implikacji tego faktu (ani tego, że te "mgławice spiralne" to w rzeczywistości galaktyki). W 1922 roku Aleksander Friedmann wyprowadził równania postulujące rozszerzanie się Wszechświata. Niezależnie od niego, w 1927 roku wyprowadził je również Georges Lemaître, co doprowadziło go do wysunięcia hipotezy pierwotnego atomu. Jego prace zostały w 1929 roku potwierdzone przez obserwacje Edwina Hubble'a. Zaobserwował on, że galaktyki wykazują przesunięcie ku czerwieni wprost proporcjonalne do ich odległości od Ziemi - fakt ten znany jest obecnie jako prawo Hubble'a. Biorąc pod uwagę zasadę kosmologiczną, która stanowi, że Wszechświat jest jednorodny i izotropowy, z prawa Hubble'a wynika, że cały Wszechświat rozszerza się. Pojawiły się więc dwie alternatywy. Jedną była teoria stanu stacjonarnego autorstwa Freda Hoyle'a, Thomasa Golda i Hermanna Bondiego, która zakładała, że Wszechświat jest z grubsza niezmienny w czasie. Drugą była teoria Lemaître'a rozwijana dalej przez George'a Gamowa. Paradoksalnie, została ona nazwana przez jej głównego oponenta - Hoyle'a - który mówił o niej pogardliwie "teoria wielkiego bum" (ang. big bang theory). Nazwa ta jednak się przyjęła. Przez pewien czas naukowcy byli podzieleni jeśli chodzi o poparcie dla tych teorii. Jednak w latach 60. ubiegłego wieku odkrycie mikrofalowego promieniowania tła przechyliło szalę na korzyść teorii Wielkiego Wybuchu. W tej chwili badania kosmologiczne skupiają się na próbach zrozumienia jak w kontekście teorii Wielkiego Wybuchu formują się galaktyki, co działo się w pierwszych momentach istnienia Wszechświata i pogodzenia obserwacji z teorią. Duże postępy w zakresie teorii Wielkiego Wybuchu zostały poczynione w latach 90. XX i w pierwszej dekadzie XXI wieku. Dzięki zaawansowanym teleskopom oraz danym z satelitów COBE, WMAP i kosmicznego teleskopu Hubble'a możliwe stały się pomiary o niespotykanej wcześniej precyzji, które doprowadziły do odkrycia, że tempo rozszerzania się Wszechświata wydaje się przyspieszać.

6. Model Wielkiego Wybuchu Wg modelu Wielkiego Wybuchu, Wszechświat wyłonił się z niesłychanie gęstego i gorącego stanu (na dole). Od tamtej pory sama przestrzeń rozszerzała się z biegiem czasu "unosząc" ze sobą galaktyk

7. Wszechświat Wszechświat to wszystko co istnieje - materia, przestrzeń, energia i czas. Znajdują się w nim gwiazdy, planety i inne obiekty kosmiczne. Widzialna część wszechświata rozciąga się na 1,6 kwadrymilionów (milionów trylionów) kilometrów. Powstało wiele teorii na temat powstania wszechświata oraz sposoby ewoluowania do obecnej postaci. Według przyjętej powszechnie teorii Wielkiego Wybuchu Wszechświata narodził się 15 milionów lat temu na skutek potężnej eksplozji. To wydarzenie dało początek nie tylko materii, ale i energii przestrzeni i czasowi.

8. Budowa wszechświata Słońce Nasze słońce jest całkiem zwykłą, średnią wielkości gwiazdą. Podobnie jak wszystkie inne gwiazdy, jest ono kulą rozżarzonych gazów, kryjącą we wnętrzu reaktor termojądrowy, który produkuje ogromne ilości światła, ciepła i innych form energii. Słońce wraz z okrążającymi je planetami tworzą Układ Słoneczny. W porównaniu ze Słońcem inne gwiazdy wydają się bardzo małe, ale tylko dlatego, że znajdują się bardzo daleko, ponieważ naprawdę niektóre z nich są nawet i sto razy od niego większe.

9. Gwiazdy Do orientowania się w położeniu gwiazd na niebie służą gwiazdozbiory - konstelacje. Gwiazdozbiór to grupa gwiazd, widocznych obok siebie na nocnym niebie, w rzeczywistości jednak nie sąsiadują one ze sobą w przestrzeni. Gwiazdy gromadzą się w wielkich wirujących gwiezdnych wyspach w przestrzeni kosmicznej, zwanej galaktykami. Słońce razem z planetami wchodzi w skład naszej rodzimej galaktyki, którą nazywamy Drogą Mleczną. Nie należy ona do największych, a jednak jej rozmiary są olbrzymie, wynosi 100 tyś. lat świetlnych.(rok świetlny - odległość jaką pokonuje światło w ciągu jednego roku, równą około 9,46 biliona kilometrów).

10. Galaktyki Galaktyki, olbrzymie systemy gwiazdowo-pyłowe zawierające miliardy gwiazd, widoczne na niebie w postaci obiektów mgławicowych. Ocenia się, że w zasięgu największych teleskopów znajduje się ponad miliard galaktyk. Najbliższymi z nich są małe galaktyki nazwane Wielkim i Małym Obłokiem Magellana (Obłoki Magellana odległe odpowiednio 163 000 i 196 000 lat świetlnych) oraz M 31 - Wielka Mgławica w Andromedzie (odległa 2,25 mln lat świetlnych), będąca dużą galaktyką bardzo podobną do naszej.

11. Czarne dziury Niektóre z eksplozji supernowych są tak potężne, że zapadająca się materia jądra zostaje zgnieciona dosłownie do zera, jedyną pozostałością po nich jest zatem pewny obszar przestrzeni o niezwykle silnym polu grawitacyjnym. Jego siła przyciągania jest tak wielka, że nic nie może się jej oprzeć - tak powstają czarne dziura. Z natury rzecz czarna dziura nie może być obserwowana, naukowcy jednak sądzą, że potrafią przynajmniej zlokalizować niektóre z nich. W tym celu poszukują oni układów podwójnych, które są jednocześnie silnymi źródłami promieniowania rentgenowskiego. Przypuszcza się bowiem, że powstaje ono z materii wypływającej z jednego ze składników do czarnej dziury tak gwałtownie, iż rozgrzewa się ona do temperatury rzędu milionów stopni. Jedno z takich źródeł leży w konstelacji Łabędzia i nosi nazwę Cyganus X-1.

12. Lokalna geometria (krzywizna) Lokalna geometria (krzywizna) przestrzeni jest w pełni reprezentowana przez metrykę Friedmana Lemaître'a Robertsona-Walkera. W dużym uproszczeniu, pytanie o krzywiznę sprowadza się do pytania, czy twierdzenie Pitagorasa jest spełnione czy też nie w danej przestrzeni. Inaczej mówiąc, jest to pytanie o to czy równoległe linie pozostają równooddalone od pozostałych w danej przestrzeni. Jeśli twierdzenie Pitagorasa wyrazimy w ten sposób: wówczas przestrzeń płaska (zerowa krzywizna) będzie to taka przestrzeń, dla której powyższe twierdzenie jest spełnione. W przestrzeniach hiperbolicznej i sferycznej twierdzenie Pitagorasa nie jest spełnione i przyjmuje postać: • przestrzeń hiperboliczna (ujemna krzywizna) będzie przestrzenią, dla której: • przestrzeń sferyczna (krzywizna dodatnia) będzie przestrzenią, dla której:

13. Geometria globalna (topologia) Najprościej mówiąc, jest to pytanie o cechę Wszechświata, która nie musi zależeć od tego, czy twierdzenie Pitagorasa jest w naszym Wszechświecie spełnione, czy też nie. Poniżej są trzy różne dwuwymiarowe przestrzenie, z których każda jest płaska. We wszystkich z nich twierdzenie Pitagorasa jest prawdziwe. Są to: • nieskończona, płaska powierzchnia • nieskończenie długi cylinder • dwuwymiarowy torus, np. cylinder, którego obydwa końce łączą się (są utożsamiane) Każda z tych przestrzeni globalnie bardzo się różni od pozostałych. Trzecia jest skończona w dwóch wymiarach (np. powierzchnia jest skończona), jednak nie ma brzegów, zaś twierdzenie Pitagorasa jest spełnione w każdym miejscu tej przestrzeni. Przy doborze możliwych przestrzeni, opisujących Wszechświat, zwraca się uwagę na spełnianie przez te przestrzenie przyjętego postulatu – zasady kosmologicznej.

14. Jaki jest kształt przestrzeni Wszechświata? Obecny stan wiedzy nie stwierdza jednoznacznie jaki jest lokalny i globalny kształt Wszechświata. Krzywizna Wszechświata może być określona przez: • zmierzenie lewej strony równań Einsteina, • przez zmierzenie prawej strony tych równań, czyli mówiąc prościej - poprzez pomiar gęstości Wszechświata. (zobacz równanie Einsteina dla definicji parametrów) Na tej podstawie, od końca lat 90. XX wieku, wiadomym jest, że lokalny kształt Wszechświata jest w przybliżeniu płaski, podobnie jak Ziemia jest w przybliżeniu lokalnie płaska. W przeciwieństwie do krzywizny, nie ma jeszcze zgodnego stanowiska co do topologii Wszechświata. Jeśli Wszechświat jest wielospójny i jego rozmiar jest dużo większy niż horyzont cząstek, to według Aktualnego stanu wiedzy w fizyce, poznanie topologii Wszechświata nie będzie możliwe.

15. Układ słoneczny Układ planetarny, składający się ze Słońca i powiązanych z nim grawitacyjnie ciał niebieskich. Ciała te, to osiem planet, przynajmniej 166 ich księżyców, co najmniej pięć planet karłowatych i ich sześć znanych księżyców a także miliardy małych ciał Układu Słonecznego, do których zalicza się planetoidy, obiekty pasa Kuipera, komety, meteoroidy i pył okołoplanetarny. Innymi słowy, zbadane regiony Układu Słonecznego zawierają licząc od Słońca: cztery planety skaliste, pas planetoid składający się z małych skalistych ciał, cztery zewnętrzne planety-olbrzymy oraz drugi pas - pas Kuipera, składający się z obiektów skalno-lodowych. Za pasem Kuipera znajduje się dysk rozproszony, dużo dalej heliopauza i w końcu hipotetyczny obłok Oorta.