Vznik a vývoj vesmíru

1. Vznik a vývoj vesmíru Juraj Figura

2. Prvé okamihy veľkého tresku Pred tým nebolo nič, absolútna ničota, ktorú si my ľudia ani nevieme predstaviť. Malé zrnko superhustej a nepredstaviteľne horúcej hmoty vybuchlo v obrovskom záblesku energie, pri ktorej vznikol dokonca i priestor ako taký. Jeho rozpínanie pokračuje až po dnes. O celom ďalšom vývoji vesmíru sa rozhodlo v prvej sekunde jeho existencie. Toto obdobie, zanedbateľne krátke podľa bežných merítok, bolo priam nabité dôležitými kozmickými udalosťami:

3. 10-43 sekundy: proces začína. Po krátkom prológu začínajú mať zmysel pojmy priestor a čas. Pri teplote 1032 stupňa dochádza vo vesmíru, ktorý má podobu nepatrného bodu o rozmeru 10-32 centimetra a obsahuje exotickú zmiešaninu neustále vznikajúcich a zanikajúcich častíc a antičastíc, k prvej významnej udalosti: oddeľuje sa gravitácia a stáva sa samostatnou silou. Toto oddelenie je jedným z "fázových prechodov", pri ktorých sily vo vesmíru postupne "vymŕzajú" z pôvodnej jednotnej interakcie podľa toho, ako klesá teplota. 10-32 sekundy: začína inflácia. Silná interakcia začína zamŕzať a v okolnom vákuu sa objavujú kvantové bubliny. Jedna z nich sa začne obrovskou rýchlosťou rozpínať. Náš dnešný viditeľný vesmír má v nej podobu tenisovej loptičky. Všetky sily s výnimkou gravitácie sú doteraz zjednotené, keď si však symetrické vákuum naraz "uvedomí", že je nestabilné, a zbavý sa prebytočnej energie. Tým vznikajú nové častice a silná interakcia "vymŕza". (Inflácia: Kvantová bublina vytvára zvláštnu oblasť v podchladenom vesmíru a rozpína sa milióny miliónov miliónov krát rýchlejšie, ako je rýchlosť svetla. Na konci infácie sa prebytočná energia rozptýli do priestoru, čo zvýši teplotu a nechá vzniknúť novú hmotu.)

4. 10-32 sekundy: inflácia sa zastavuje. Vesmír prechádza na omnoho pomalšie, i keď stále ešte nepredstaviteľne mohutné rozpínanie podľa pôvodnej teórie veľkého tresku. Sú v ňom dva typy častíc: kvarky, ktoré cítia silnú interakciu , a leptóny (najľahšie častice: elektrón, pozitrón, neutrino a antineutrino), ktoré cítia doteraz nerozlíšenú elektroslabú interakciu. 10-11 sekundy: rozdelenie elektroslabej interakcie. Teplota poklesla na 1015 stupňa, čo predstavuje ďalší "bod mrazu". Elektroslabá interakcia sa pri procesu narušenia symetrie delí na samostatnú elektromagnetickú silu a slabú interakciu. Nosiče slabej interakcie - častice W a Z - sa stávajú ťažkými, zatiaľ čo nosič elektromagnetizmu, fotón, má nulovú hmotnosť. 10-6 sekundy: zmiznutie kvarkov. Kvarky a antikvarky sa až do tejto chvíle voľne pohybovali priestorom, vytvárali sa, anihilovali a interagovali s ďalšími časticami. Potom, čo sa vesmír ochladil na 1013 stupňov, už nie je dosť energie na to, aby kvarky voľne vznikali. Doteraz existujúce pary pokračujú v anihilácii a vyzerá to, že kvarky zmiznú navždy.

5. 10-4 sekundy: vytvárajú sa baryóny.Vesmír sa zväčšil asi na veľkosť našej slnečnej sústavy. Pri ďalšom poklesu teploty sa zastavuje anihilácia a ostávajúce kvarky sa skladajú na protóny a neutróny. (baryóny: súhrnný názov pre nukleón - protón a neutrón v jadre atómu) 1 sekunda: únik neutrín. Neutrína, na ktoré pôsobí iba slabá interakcia, boli do tejto chvíle veľmi aktívne. Na konci prvej sekundy je však slabá interakcia tak slabá, že nemá nad neutrínami takmer žiadnu moc, a neutrína sa voľne rozlietajú. Sú vo vesmíru až dodnes. (nutríno: elektricky nenabitá elementárna hmotná častica bez magnetického momentu) 100 sekúnd: prvé prvky. Protóny a neutróny spolu reagujú a vznikajú jadrá hélia. Ďalších približne 100 000 rokov sa nedeje nič zaujímavé. Vodík, hélium a nepatrné množstvo ďalších ľahkých jadier, zmiešané s elektrónmi a žiarením, postupne chladnú na teplotu rozžeraveného železa vo vysokej peci.

6. 300 000 rokov: vo vesmíru sa rozjasní. Elektróny sa začínajú zväzovať s jadrami. Vznikajú prvé atómy. Žiarenie nemá už dosť sily, aby atómy rozbíjalo, a nie je teda pohlcované. Vesmír sa stáva priehľadný a je vyplnený svetlom. 1 miliarda rokov. Formujú sa prvé galaxie a vesmír začína vyzerať povedome. 15 miliárd rokov. Dnešný vesmír - tak, ako ho poznáme v kozmických i atomárnych merítkach.

7. Vznik Slnečnej sústavy Väčšina astronómov verí, že každý člen slnečnej sústavy, od obrovského Slnka až po najmenší asteroid, sa zrodil z mohutného, rotujúceho mraku plynu a prachu – z protoslnečnej hmloviny. Proces začal pred 5 miliardami rokov vznikom Slnka. Planéty a ostatné telesá sa sformovali zo zvyšného materiálu. O 500 miliónov rokov neskôr, keď už bola slnečná sústava takmer kompletná, zostalo iba 0,002% z látky pôvodnej slnečnej hmloviny. Zvyšok bol odviaty von, do kozmického priestoru.

8. Obrovský rotujúci plynovo-prachový mrak sa v kozmickom priestore zhlukol a vytvorila sa z neho protoslnečná hmlovina. Bol to materiál, z ktorého mohla nakoniec vzniknúť slnečná sústava. • 2. Slnko vzniklo tak, že gravitácia donútila solárnu hmlovinu ku kontrakcii, pričom vonkajšie časti disku zostali v krúživom pohybe. • Novozrodené slnko odvrhlo prebytočný materiál. Z materiálu obklopujúceho Slnko sa v disku vytvorili prstence. V prstencoch vznikli planetezimály – veľké kamenné objekty. • 4. Planetezimály sa pospájali do ešte väčších telies nazývaných protoplanéty, z ktorých postupne vznikali kamenné planéty : Merkúr, Venuša, Zem a Mars.

9. Aj vo vonkajších oblastiach disku sa vytvorili protoplanéty. Keď zmohutneli, ich gravitácia zachytila obrovské množstvo plynu a vznikli plynné obry : Jupiter, Saturn, Urán a Neptún. • 6. Pluto sa vytvorilo z materiálu, ktorý sa nezužitkoval pri vzniku plynných obrov. Prach, kusy skál a snehu sa zrútili do Slnka, alebo boli vypudené von zo slnečnej sústavy.

10. Einsteinov model vesmíru Keď Einstein vystúpil so všeobecnou teóriou relativity a duchaplne opísal, ako spolu súvisia hmota a priestor, s nadšením začal hľadať spôsob, ako overiť tento model a potom ho aplikovať. Bolo mu jasné, že bez aplikácií nebude jeho teória ozajstným zobrazením skutočnosti, ale iba matematickým cvičením. Dúfal najmä, že jeho model vystihne vesmír ako celok. S týmto zámerom začal roku 1917 konštruovať všeobecný model vesmíru z hľadiska teórie relativity – matematickú charakteristiku správania vesmíru v čase. Einstein pokladal svoj prvý pokus o načrtnutie kozmológie za neúspešný. Keď aplikoval rovnice všeobecnej teórie relativity na vesmír, znechutený zistil, že jeho riešenie nie je jednoznačné. V rámci jeho modelu priestorové vzdialenosti nezostávali konštantné, ale podľa okolností sa v závislosti od času zväčšovali alebo zmenšovali, a s tým nerátal. Einstein usúdil, že sa dopustil vážnej chyby. Prečo by sa mala vzdialenosť medzi bodmi vo vesmíre meniť? Veď priestor by sa nemal sám od seba rozpínať ani zmršťovať jako mokrá vlnená deka. Predpokladal, že na to nie sú nijaké fyzikálne dôvody.

11. Pokúsil sa napraviť tento „omyl“ tak, že do svojich rovníc zaviedol ďalší člen, takzvanú kozmologickú konštantu, ktorá mala urobiť jeho rovnice nezávislými od času. Zavedenie kozmologickej konštanty sa mu sice zdalo neobvyklé, ale nevedel si predstaviť lepší spôsob, jako zachovať prirodzenú nehybnosť priestoru. Niekoľko rokov po zavedení tohoto upraveného modelu, známeho pod názvom einsteinovský vesmír, dozvedel sa jeho pôvodca o dôkazoch rozpínania vesmíru. Údaje získané pozorovaniami v dvadsiatych rokoch naznačovali, že vesmír nezostáva nemenný, ale rozpína sa na všetky strany. Zoči-voči novým dôkazom Einstein úprimne oľutoval, že začlenil do svojho modelu kozmologickú konštantu, a označil to za najväčší omyl v živote.

12. Dôkazy teórie veľkého tresku Roku 1929 zistil americký astronóm E. P. Hubble, že vzdialené galaxie sa vzďaľujú od našej Zeme, pričom rýchlosť ich vzďaľovania je priamo úmerná vzdialenosti od nás. Tento výsledok bol prekvapujúci, lebo vyvolával predstavu, že naša slnečná sústava sa nachádza v strede vesmíru. Dnes už vieme, že to tak nie je, a že vzďaľovanie ostatných galaxií je dôsledok rozpínania vesmíru ako celku, a teda, že by sme ho rovnako mohli pozorovať z hociktorého iného miesta vo vesmíre. Ak sa teda vesmír rozpína, v minulosti bol menší, a kedysi dávno malý. Z rýchlosti rozpínania sa určilo, že rozpínanie sa začalo asi pred 15 miliardami rokov. Roku 1965 Američania, A. A. Penzias a R. Wilson, viac-menej náhodou objavili tzv. reliktové žiarenie. O čo ide? Vieme, že každé teleso zohriaté na istú teplotu vyžaruje tepelnú energiu vo forme elektromagnetického žiarenia. Skúmaním intenzity spektra tohoto žiarenia sa dá zistiť teplota telesa, ktoré vyžaruje. Takto sa zistilo, že zo všetkých smerov vesmíru k nám prichádza žiarenie zodpovedajúce teplote asi 2,7 Kelvina  (asi 270°C). Prečo je to tak? Táto teplota vesmíru je pozostatkom dávnej minulosti, keď bol vesmír zohriatý na teploty omnoho vyššie. Napokon sa zistilo, že vnútro starých hviezd, o ktorých sa verí, že majú rovnaké zloženie látky, aké bolo kedysi vo vesmíre, obsahuje asi z 90-95% vodíka a 5-10% hélia. Len ťažko možno očakávať, že sa práve tento pomer utvoril počas termojadrových reakcií prebiehajúcich vo hviezdach. Takýto výsledok však vyplýval z teórie veľkého tresku (big bangu), ktorá tvorí základ štandartného modelu vývoja vesmíru.

13. Budúcnosť vesmíru Teória spomalenej expanzie Vesmír sa bude naďalej rozpínať.Pri tomto nekonečnom rozpínaní by sa mohlo všetko vo vesmíre rozplynúť. Staré hviezdy by zanikli a v galaxiách by sa prestali rodiť nové hviezdy. Nakoniec by sa celý vesmír zmenil iba na hmlu chladných častíc. Teória veľkého kolapsu Príťažlivé (gravitačné) sily môžu v konečnom dôsledku rozpínanie vesmíru spomaliť. Gravitácia môže potom spôsobiť spätný pohyb všetkého, až sa nakoniec galaxie zrazia. Potom môže nastať niečo podobné jako opak veľkého tresku(Big Crunch). Teória pulzujúceho vesmíru Niektorí vedci si predstavujú, že vesmír pracuje rytmicky jako ľudské srdce. Veria, že expanduje, potom sa zmršťuje a následne sa zase rozpína, a tak to pokračuje donekonečna. Takto sa veľký tresk strieda s veľkým kolapsom v opakujúcom sa cykle

14. Zdroje : Lisa Milesová – Alastair Smith : Všetko o vesmíre a astronómii Paul Halpern : Štruktúra Vesmíru Heather Couperová – Nigel Henbest : Encyklopédia vesmíru www.vesmir.sk http://www.1sg.sk/~pkubinec/vesmir.html