Powstanie i rozwój wszechświata

Powstanie i rozwój
wszechświata
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.
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).
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.
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
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.
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.
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).
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.
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.
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:
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.
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.
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.