Lielais Sprādziens: Saskaņā ar mūsdienu priekšstatiem, Visums radies jaudīgā sprādzienā.
Galaktiku un zvaigžņu veidošanās: No retināta ūdeņraža un hēlija veidojās zvaigznes un galaktikas.
Visuma modeļi: Visums var izrādīties gan galīgs, gan bezgalīgs.
Lielais Sprādziens
Ja Visums izplešas, tad var secināt, ka kādreiz tas ir bijis ļoti mazs un visas tā daļas atradušās cieši kopā. No mūsdienu teorijām izriet, ka Visums radies aptuveni pirms 13.8 miljardiem gadu. Viss sākās ar punktveida Visumu, kurā bija bezgalīga temperatūra un blīvums, ko sauc par singularitāti (1. att.). Tad notika Lielais Sprādziens, kas aizsāk Visuma izveidošanos - tas sāk strauji izplesties, kas arī dod šo nosaukumu. Svarīgi minēt, ka to nevajadzētu saukt par sprādzienu, jo tas uzreiz sāka izplesties palēlināti.
1. att. Singularitāte Visuma sākumā
Tālāk Visums ļoti strauji izgāji cauri būtiskiem periodiem, kas ietekmē to, ko redzam mums apkārt. Šo evolūciju var raksturot kā telpas izplešanos un temperatūras samazināšanaos. Temperatūra ir viens no svarīgākajiem parametriem, kas atšķir dažādos periodus. Pieminēsim pašas svarīgākos periodus.
Planka ēra - šis ir pirmais posms mūsu Visumā. To sauc par tieši par Planka ēru, jo tas definē brīdi, kad Visums bija mazāks par mazāko iespējamo mērvienību, kur mums zināmā fizika strādā - Planka garumu - un jaunāks par īsāko laika mērvienību - Planka laiku. Planka garums ir niecīgs 10-35 metri un Planka laiks ir tikai 10-43 sekundes. Šie ir neiedomājami mazi izmēri, jo protona izmērs ir 10-15 metri, bet īsākais laiks, ko zinātnieki ir spējuši nomērīt, ir pāris simts zeptosekundes, kas ir aptuveni 10-19 sekundes.
Šajā laikā visi fundimentālie spēki - gravitācija, elektromagnētiskais, vājā un stiprā mijiedarbība -, ir apvienoti vienā. Standartmodelis spēj paredzēt tikai 3 spēku apvienošanu, un gravitācija vēl tajā nav iekļauta. Papildus tam, šajā ērā dominē kvantu fizika mazo izmēru dēļ, un visticamāk to raksturo teorija, kas vēl nav līdz galam izstrādāta - kvantu gravitācija. Ir spekulēts, ka šajā laikā Visums bija kvantu melnais caurums, kas uzreiz izgaroja un tad atkal izveidojās, un tā uz riņķi, līdz Visums palika pietiekami liels, lai šie abnormāli mazie melnie caurumi vairs nevarētu eksistēt, un, Visumam pārsniedzot Planka izmērus, iestājās mums zināmā fizika - Vispārīgā relativitāte.
2. att. Ilustrācija Visumam Planka ērā (Sten's Space Blog attēls)
Lielā apvienošanās ēra - uzreiz pēc Planka ēras gravitācija atdalījās no pārējiem spēkiem, un tikai vājā, stiprā un elektromagnētiskā palika apvienota. Šī ēra vēljoprojām bija ļoti blīva un karsta, kur visas iespējamās daļiņas atradās "zupā" jeb plazmā, pat antidaļiņas. Šī ēra beidzās, kad stiprā mijiedarbība atdalījās no pārējām, atstājot tikai vājo un elektromagnētisko mijiedarbību apvienotu.
Inflācija - šajā posmā Visums izpletās paātrināti, palielinot visumu par vismaz 1026 reizēm (3. att.)! To var salīdzināt kā atomu, kas pēkšņi izaug līdz Saules sistēmas izmēriem laika posmā no 10-36 līdz 10-32 sekundēm. Tas ir neidomājami, un tas noteikti pārsniedz gaismas ātrumu. Tomēr vēlreiz ir svarīgi saprast, ka gaismas ātrumu nevar pārsniegt matērija, kas atrodas telpā, savukārt pati telpas izplešanās drīkst pārsniegt šo ātrumu.
Ir dažādas teorijas, kā tieši inflācija varēja notikt, bet vienkāršākā ir, ka milzumliels daudzums ar potenciālo enerģiju, kas piemita inflatona laukam (lauks, kas raksturo inflāciju), tika atbrīvots, radot negatīvu spiedienu, kas paātrināja Visuma izplešanos. Inflācija atrisināja vairākas problēmas, kā magnētiskā monopola problēmu, Visuma plakanuma problēmu un horizonta problēmu. Respektīvi, bez šī inflācijas perioda Visumam būtu bijis jābūt pavisam citādākam.
3. att. Ilustrācija inflācijai, kur no maza Visuma reģiona telpa daudzkārtīgi palielinājās (Big Think / Ben Gibson attēls)
Kvarku ēra - pēc inflācijas sākās kvarku ēra, kur kvarki varēja būt brīvi telpā (4. att.). Tas var notikt tikai augstas temperatūras apstākļos, jo, piemēram, tagad tie atrasties tikai kombinācijās pa trīs, veidojot protonus un neitronus. Šajā laikā arī parādās atšķirība starp anti-matēriju un matēriju, kas ļauj mūsu Visumam sastāvēt no taustāmām lietām! Citādāk matērija ar anti-matēriju anihilētos, un Visums būtu piepildīts tikai ar fotoniem.
4. att. Fāžu diagramma, kas relatīvi attēlo, kādi apstākļi ir nepieciešami, lai eksistētu kvarku-gluonu plazma, kas bija dominējošā kvaru ērā (CEA-Irfu attēls)
Pēc tam notiek arī hadronu un leptonu ēra, kur jau sāk rasties pirmie stabilie protoni un neitroni, kā arī pēc tam elektroni un neitrino. Visums paliek aizvien aukstāks un aukstāks (vien mijards kelvinu auksts), un jau ir 10 sekunžu vecs leptonu ēras beigās.
Tad sākās fotonu ēra — periods, kurā starojums bija dominējošā Visuma komponente, un tādējādi Visums attīstījās atbilstoši starojuma īpašībām. Aptuveni trīs minūtes pēc Lielā sprādziena notika kodolsintēze, kuras laikā veidojās deitērijs, hēlijs, litijs un neliels daudzums citu vieglo elementu. Hēlijs tika izveidots ievērojamā daudzumā (5. att.), aptuveni 25% no visas barionu masas.
Šis fakts ir būtisks, jo, lai gan mēs nekad nespēsim tieši ieskatīties tik agrīnā Visuma pagātnē, mēs varam pārbaudīt savu izpratni par šo periodu, analizējot ūdeņraža, hēlija un smagāku elementu daudzumu mūsdienu Visumā. Jo tālāk pagātnē mēs varam noteikt šo elementu proporcijas, jo vērtīgāki ir mūsu dati un secinājumi. Tas ir tāpēc, ka mūsdienās apkārtējā vide ir "piesārņota" ar smagākiem elementiem, kas radušies zvaigžņu kodolsintēzē to centros, bet mēs vēlamies izprast tieši sākotnējo elementu sadalījumu.
Izrādās, ka mūsu novērotais elementu sadalījums Visumā saskan ar teorētiskajām prognozēm par Lielā sprādziena kodolsintēzi. Tas apstiprina, ka mūsu izpratne par fizikālajiem procesiem agrīnajā Visumā ir uz pareizā viļņa.
5. att. Hēlija izveidošanās procesa ilustrācija. Nepieciešami divi Deitērija atomi, kas savienojoties, rada Hēlija izotopu. Tad šim Hēlija izatopam savienojoties ar tādu pašu, tiek izveidots Hēlijs (Einstein online attēls)
Rekombinācija - Aptuveni 380 000 gadus pēc Lielā sprādziena temperatūra pazeminās līdz aptuveni 3000 K. Šajā temperatūrā elektroni var piesaistīties kodolam, veidojot neitrālus atomus, galvenokārt ūdeņradi un hēliju. Šo procesu sauc par rekombināciju. Šis nosaukums liek domāt, ka tā ir atkārtota neitrālo atomu izveide, un ka iepriekš tas jau ir noticis. Bet nē, zinātnieki šoreiz vienkārši ir izvēlējušies neveiksmīgu nosaukumu. Tā ir rekombinācija jeb otreizēja kombinēšanās tikai tad, ja laika sākumpunktu uzskata par šodienu, un laika beigas kā Lielo sprādzienu. Bieži vien astrofizikā šādi dara sarkanās nobīdes izmantošanas dēļ, līdz ar to dažkārt var apjukt terminos.
Līdz tam brīdim fotoni pastāvīgi mijiedarbojās ar brīvajiem elektroniem, bet pēc rekombinācijas fotoni var brīvi ceļot cauri Visumam. Tas nozīmē, ka pirms rekombinācijas Visums bija pilnīgi necaurskatāms, jo fotoni bija "piesieti" pie atomiem. Bet līdz ko tie tika "atsieti", starojums varēja tik brīvībā, un tas ir tālākais, ko mēs varam ieraudzīt šajā Visumā caur elektromagnētiskajiem viļņiem. Šo starojumu sauc par reliktstarojumu (6. att.).
6. att. Reliktstarojums, kas uzņemts ar teleskopu Planck (ESA/Planck Collaboration attēls)
Reliktstarojums ir viens no būtiskākajiem novērojumiem astrofizikā un kosmoloģijā. Pirmkārt, tas, ko redzat 6. attēlā, ir temperatūras izmaiņas. Lai gan tika minēts, ka šis starojums veidojas, kad Visums ir 3000 kelvini, tad kamēr šis starojums nonāca līdz mūsu teleskopiem, tas ir tikai 2.73 kelvini. Tā ir pamata Visuma temperatūra, kas turpina palikt aukstāka, tam paplašinoties.
Reliktstarojums, lai gan tā neizskatās, ir vistuvākais absolūti melnam ķermenim dabā. Zilā un sarkanā krāsa attēlā ir izmaiņas no 2.73 kelviniem, kas ir nieka 10-5 kelvinu atšķirība jeb viena daļa no 100 000. Šis attēls pasaka, ka mēs varam uzskatīt, ka Visums ir izotropisks un homogēns, kas nozīmē, ka tas ir nemainīgs, neatkarīgi no virziena vai vietas, kurā uz to skatās. Tajā pašā laikā jebkura šī temperatūras atšķirība liecina par blīvuma izmaiņām. Karstākās jeb sarkanākās vietas ir blīvākas nekā zilās. Tas liecina par to, ka sarkanie pleķi kļūs par galaktikām un galaktiku kopām, bet zilie par tukšākiem reģioniem Visumā. Tātad no šī attēla vien mēs varam uzzināt vairāk par struktūru evolūciju. Visbeidzot, tas ir pierādījums tam, ka mūsu pieņēmumi par agrīno Visumu ir korekti.
Visuma evolūcijas posmi
Tabula 1: Visi būtiskākie Visuma periodi ar norādītu laiku un aptuveno temperatūru
Galaktiku un zvaigžņu veidošanās
Pēc tam sākās Tumšais laikmets (7. att.), ko nevajag sajaukt ar tumšo laikmetu vidusslaikos, tā kā tas notika miljardiem gadu vēlāk. Šajā laikmetā Visums bija piepildīts ar neitrāliem ūdeņraža un hēlija atomiem, un tajā nebija spožu gaismas avotu. Fotoni, kas atdalījās rekombinācijas laikā, turpināja ceļot cauri Visumam kā reliktstarojums, bet redzamā gaisma vēl netika izstarota, jo zvaigznes vēl nebija izveidojušās. Tumšo laikmetu laikā blīvuma variācijas sāka augt gravitācijas ietekmē, veidojot potenciālos reģionus, kur vēlāk radās pirmās zvaigznes un galaktikas.
7. att. Tumšā laikmeta attēlojums pa labi, kas lēnām pārtop "gaišākā" laikmetā, kad sāk veidoties dažādas struktūras Visumā. Attēlā redzama Visuma tīkla attīstība laikā (PBS attēls)
Tātad Visums sadalījās atsevišķos gāzes mākoņos, kas sāka saspiesties gravitācijas spēka ietekmē. Šie mākoņi sadalījās fragmentos, no kuriem veidojās atsevišķas zvaigznes, kas vēlāk apvienojās, lai veidotu galaktikas. Šis ir sākums rejonizācijas ērai (8. att.).
Šī ēra norisinājās aptuveni no 150 miljoniem līdz 1 miljardam gadu pēc Lielā sprādziena. Šajā laikā sāka veidoties pirmās zvaigznes, galaktikas un kvazāri, kuru intensīvais ultravioletais starojums jonizēja apkārt esošo neitrālo ūdeņradi. Šis process nozīmēja, ka ūdeņraža atomi zaudēja savus elektronus, pārvēršoties par jonizētiem atomiem. Šoreiz gan Visuma nekļuva atkal necauredzams, jo tas ir izpleties tika daudz, ka fotonu un elektronu mijiedarbība nav pietiekami efektīva, lai fotoni nespētu "izlausties" brīvībā.
8. att. Rejonizācijas ēras attēlojums, kāveidojas pirmās zvaigznes un galaktikas, kas apkārt sev rejonizē esošos atomus (attēloti kā caurspīdīgie burbuļi) (Jingchuan Yu, Beijing Planetarium attēls)
Pirmās zvaigznes bija interesanti objekti, jo tās bija Populācijas III zvaigznes, kas ir aprakstītas vairāk sadaļā "Daudzveidīgās zvaigznes". Tās ir zvaigznes, kuras tika radītas no kodolsintēzes izveidotajiem atomiem, tātad 75% ūdēņraža un 25% procenti hēlija, un pārējie atomi bija pavisam maz. Nākamās paaudzes zvaigznēm jau bija citādāks sastāvs.
Tas ir tāpēc, ka ķīmisko elementu sintēze norisinājās zvaigžņu iekšienē, kur lielā karstumā un spiedienā no ūdeņraža sintezējās hēlijs un mazākā daudzumā citi ķīmiskie elementi: ogleklis, skābeklis, silīcijs, utt. Pašu masīvāko zvaigžņu dzīlēs nelielā daudzumā sintezējās arī par dzelzi smagāki elementi, kas pārnovu sprādzienos kopā ar zvaigznes apvalka vielu tika “izmētāti” kosmosā. Pēc tam no starpzvaigžņu vides, kas bija bagātināta ar zvaigznēs sintezētajiem ķīmiskajiem elementiem, veidojās jaunas zvaigznes un planētas.
Visuma modeļi
Visuma liktenis ir atkarīgs no tā, vai tas turpinās izplesties, vai arī sāks sarauties. Lai noteiktu, kā Visuma izplešanās turpināsies nākotnē, jāzina Visuma vidējais blīvums. Ja vidējais blīvums ir pietiekami liels, tad gravitācijas spēks apstādinās izplešanos un Visums sāks sarauties. Ja blīvums ir vienāds ar t. s. kritisko blīvumu (10-26 kg/m3), tad izplešanās kļūs arvien lēnāka, līdz pēc bezgalīga laika apstāsies. Ja blīvums ir mazāks par kritisko, tad izplešanās turpināsies vienmēr.
Ir bijuši vairāki eksperimenti, lai noteiktu Visuma vidējo blīvumu, līdz ar to paredzētu Visuma nākotni. Šobrīd visi mērījumi liecina, ka blīvums ir vienāds ar kritisko blīvumu, līdz ar to Visums beigs izplesties tikai pēc bezgalīga laika. Tomēr viss nav tik vienkārši, jo, pirmkārt, blīvumam būtu jābūt precīzi kritiskajam blīvumam. Pat ja tas ir kripatiņu lielāks vai mazāks, tad aktuāli būs citi Visuma evolūcijas scenāriji. Otrkārt, Visuma dominējošā komponente ir tumšā enerģija, kas šobrīd paātrina Visuma izplešanos. Līdz ar to klasiskie scenāriji, kas tika minēti, vairs nav pareizi. Tajos ir jāiekļauj tumšā enerģija.
9. att. Visuma izplešanāš modeļi. Palēlināts var būt gan tāds, kas nākotnē sarausies līdz singularitātei, gan beigs izplesties pēc bezgalīga laika. Vienmērīga izplešanās ir, kad tas izplešās ar vienmērīgu ātrumu. Savukārt paātrināta izplešanās ir, ka tas nemitīgi paātrina savu izplešanās ātrumu laikā. (Pārveidoti attēli no NASA/ESA)
Tumšās enerģijas dēļ var atmest 9. attēla pirmos divus variantus, jo Visums jau paātrināti izplešas. Tad vienmērīga izplešanāš arī diezvai būs korekta, jo mēs jau paātrināti izplešamies. Tas atstāj mūs ar ceturto variantu, kas nozīmē, kas mēs turpināsim paātrināti izplesties Visuma telpā. Rezultātā, nākotnes scenāriji ir drūmi un pat vientuļi. Ir iespējams, ka Visums, turpinot paātrināti izplesties, konstanti samazinās mūsu redzes loku. No sākuma mēs vairs neredzēsim tālas galaktikas, tad tās, kas atrodas mūsu kopā, tad tās, kas atrodas Lokālajā grupā, atradīsies pārāk tālu, lai mēs tās novērotu. Tas pats ar laiku notiktu arī ar tuvākajām zvaigznēm, planētām, visbeidzot ar molekulām un pat atomiem... Notiks Lielais plēsums, kad Visums būs absolūti auksts un bez jebkādas mijiedarbības starp daļiņām. Ja tomēr Visums izplestos vienmērīgi, tad mēs sagaidītu Lielo salu, kad Visums sasniedz maksimālu entropiju, kur termodinamiskie procesi apstājas. tad arī Temperatūra visur izlīdzināsies, tuvojoties absolūtajai nullei.
Pagaidām nav arī atbildes uz jautājumu, vai Visums ir galīgs vai bezgalīgs, jo Visuma ģeometriskās īpašības ir atkarīgas no tajā ietilpstošās vielas daudzuma (10. att.). Ja vielas blīvums pārsniedz kritisko blīvumu, tad Visums ir galīgs, noslēgts, kaut arī tam nav nekādas robežas. Kā analoģiju var iztēloties lodes virsmu, kas arī ir galīga, tomēr neierobežota. Vienīgi jāņem vērā, ka lodes virsma ir divdimensiju objekts, bet Visums – trīsdimensiju. Galaktiku skaits noslēgtā Visumā ir ierobežots. Ja vielas vidējais blīvums ir vienāds vai mazāks par kritisko, tad Visums ir bezgalīgs. Tas stiepjas bezgalīgi uz visām pusēm un tajā ir bezgalīgi daudz galaktiku.
10. att. Visuma iespējamās ģeometriskās formas, kas attēlotas divās dimensijās. Ω reprezentē blīvuma parametetru (David Darling attēls)
Visuma modeļu salīdzinājums
Tabula 1: Visuma iespējamā ģeometrija un nākotnes scenārijs
Pašreizējie dati norāda uz mūžīgu, paātrinātu izplešanos, kas novedīs pie Lielā Sasaluma. Zvaigžņu veidošanās apstāsies, esošās zvaigznes izdeg, un Visums kļūs auksts un tumšs.
Turpmākie kosmoloģiskie pētījumi koncentrēsies uz:
- Tumšās enerģijas īpašību izpēti: Vai tā ir kosmoloģiskā konstante vai kas dinamiskāks.
- Tumšās matērijas daļiņu identificēšanu: Eksperimenti zemes laboratorijās un kosmosā.
- Visuma ģeometrijas precīzu mērīšanu: Ar jaunām misijām kā Euclid unNancy Grace Roman teleskopiem.
