Šodien redzamais Visums – pilns ar galaktikām, zvaigznēm, planētām un dzīvības eksistences iespējām – radās no sākotnējā stāvokļa, kas pretrunā mūsu ierastajai intuīcijai. Tas nebija vienkārši "ļoti blīvi saspiests materiāls", bet gan apgabals, kurā gan matērija, gan enerģija eksistēja pilnīgi citās formās nekā mums ierasts uz Zemes. Agrīnā Visuma izpēte ļauj atbildēt uz fundamentāliem jautājumiem:
- No kurienes radās visa matērija un enerģija?
- Kā Visums no gandrīz viendabīga, karsta, blīva stāvokļa izplešas un kļuva par milzīgu kosmisko galaktiku tīklu?
- Kāpēc matērijas ir vairāk nekā antimateriālas un kas notika ar reiz plaši eksistējošo antimateriālu?
Izpētot katru svarīgu posmu – no sākotnējā singularitātes stāvokļa līdz ūdeņraža jonizācijai – astronomi un fiziķi atjauno Visuma izcelsmes vēsturi, kas sniedzas 13,8 miljardus gadu atpakaļ. Lielā sprādziena teorija, balstīta uz daudziem spēcīgiem novērojumu datiem, pašlaik ir labākais zinātniskais modelis, kas izskaidro šo lielo kosmisko evolūciju.
2. Singularitāte un radīšanas brīdis
2.1. Singularitātes jēdziens
Saskaņā ar standarta kosmoloģiskajiem modeļiem Visumu var izsekot līdz tik agrīnam laikposmam, kad tā blīvums un temperatūra bija ārkārtīgi ekstremāli, tāpēc mums zināmie fizikas likumi tur "vairs nestrādā". Termins "singularitāte" bieži tiek lietots, lai aprakstītu šo sākotnējo stāvokli – punktu (vai apgabalu) ar bezgalīgu blīvumu un temperatūru, no kura varēja rasties pats laiks un telpa. Lai gan šis termins norāda, ka pašreizējās teorijas (piemēram, vispārīgā relativitātes teorija) to nevar pilnībā aprakstīt, tas arī izceļ kosmisko noslēpumu, kas slēpjas mūsu izcelsmes pamatos.
2.2. Kosmiskā inflācija
Drīz pēc šī "radīšanas brīža" (dažu sekunžu daļā) hipotētiski notika ļoti īss, bet ārkārtīgi intensīvs kosmiskās inflācijas periods. Inflācijas laikā:
- Visums izplešas eksponenciāli, daudz ātrāk nekā gaismas ātrums (tas nerada pretrunas ar relativitātes teoriju, jo izplešas pati telpa).
- Ļoti mazas kvantu svārstības – nejaušas enerģijas svārstības mikroskopiskā mērogā – tika pastieptas līdz makroskopiskam līmenim. Tieši tās kļuva par visas nākotnes struktūras – galaktiku, galaktiku kopu un lielā kosmiskā tīkla – aizmetņiem.
Inflācija atrisina vairākas svarīgas kosmoloģijas mīklas, piemēram, plaknes problēmu (kāpēc Visums izskatās ģeometriski "plakans") un horizonta problēmu (kāpēc dažādi Visuma reģioni ir gandrīz vienādas temperatūras, lai gan, šķiet, nekad nav bijis laika "apmainīties" ar siltumu vai gaismu).
3. Kvantu svārstības un inflācija
Vēl pirms inflācijas beigām kvantu svārstības pašā telpas-laika audumā iestrēga matērijas un enerģijas sadalījumā. Šie niecīgie blīvuma atšķirības vēlāk, iedarbojoties gravitācijai, saplūda un sāka veidot zvaigznes un galaktikas. Šis process notika šādi:
- Kvantu perturbācijas: strauji paplašinātajā Visumā vismazākās blīvuma nelīdzenības tika izstieptas milzīgās telpas teritorijās.
- Pēc inflācijas: kad inflācija beidzās, Visums sāka izplesties lēnāk, taču šīs svārstības saglabājās, veidojot plānu lielo mērogu struktūrām, ko redzam pēc miljardiem gadu.
Šī kvantu mehānikas un kosmoloģijas krustpunkts ir viena no interesantākajām un sarežģītākajām mūsdienu fizikas jomām, ilustrējot, kā pašas mazākās mērogi var būt izšķiroši lielāko ietekmē.
4. Lielā sprādziena nukleosintēze (BBN)
Pirmajās trīs minūtēs pēc inflācijas beigām Visums atdzisa no ārkārtīgi augstas temperatūras līdz robežai, kurā protoni un neitroni (saukti arī par nukleoniem) varēja sākt savienoties ar kodolspējām. Šo posmu sauc par Lielā sprādziena nukleosintēzi:
- Ūdeņradis un hēlijs: tieši šo pirmo minūšu laikā izveidojās lielākā daļa Visuma ūdeņraža (apmēram 75 % no masas) un hēlija (apmēram 25 % no masas), kā arī neliels daudzums litija.
- Kritiskie apstākļi: lai notiktu nukleosintēze, temperatūrai un blīvumam bija jābūt "tieši piemērotiem". Ja Visums būtu atdzisis ātrāk vai tam būtu cits blīvums, vieglo elementu relatīvais daudzums neatbilstu tam, ko prognozē Lielā sprādziena modelis.
Empīriski noteiktais vieglo elementu daudzums lieliski sakrīt ar teorētiskajām prognozēm, kas stingri atbalsta Lielā sprādziena teoriju.
5. Matērija pret antmateriju
Viena no lielākajām kosmoloģijas mīklām ir matērijas un antmaterijas asimetrija: kāpēc mūsu Visumā dominē matērija, ja teorētiski gan matērijai, gan antmaterijai vajadzēja rasties vienādās daudzumos?
5.1. Barionģenēze
Procesi, ko kopumā sauc par barionģenēzi, cenšas izskaidrot, kā nelielas nelīdzenumu aizmetņi – iespējams, radušies no CP simetrijas pārkāpuma (daļiņu un antidaļiņu uzvedības atšķirību) – izraisīja matērijas pārpalikumu pēc tās anihilācijas ar antmateriju. Tieši šis pārpalikums pārvērtās atomos, no kuriem veidojās zvaigznes, planētas un mēs paši.
5.2. Izzudusī antmaterija
Antmaterija netika pilnībā iznīcināta: tā vienkārši galvenokārt anihilējās ar matēriju agrīnajā Visumā, izdalot gamma starojumu. Atlikušais matērijas pārpalikums (tie daži "laimīgie" daļiņas no miljardiem) kļuva par zvaigžņu, planētu un visa, ko redzam, būvmateriālu.
6. Atdzīšana un galveno daļiņu veidošanās
Visumam turpinot paplašināties, tā temperatūra vienmērīgi samazinājās. Šajā atdzišanas laikā notika vairāki svarīgi procesi:
- Kvarki uz hadroniem: kvarki savienojās hadronos (piemēram, protonos un neitronos), kad temperatūra nokrita zem sliekšņa, kas nepieciešams kvarku brīvībai.
- Elektronu veidošanās: ļoti enerģētiski fotoni varēja spontāni veidot elektronu un pozitronu pārus (un otrādi), bet Visumam atdziestot, šie procesi kļuva retāki.
- Neitrīno: vieglas, gandrīz bezmasas daļiņas, ko sauc par neitrīno, atdalījās no matērijas un ceļo cauri Visumam gandrīz nesaskartas, nesot informāciju par agrīnām epohām.
Pakāpeniska atdzišana radīja apstākļus stabilu, mums pazīstamu daļiņu veidošanai – no protonu un neitronu līdz elektroniem un fotoniem.
7. Kosmiskais mikroviļņu fons (CMB)
Aptuveni 380 000 gadu pēc Lielā sprādziena Visuma temperatūra nokritās līdz aptuveni 3 000 K, ļaujot elektroniem savienoties ar protoniem un veidot neitrālus atomus. Šo periodu sauc par rekombināciju. Līdz tam brīvie elektroni izkliedēja fotonus, tāpēc Visums izskatījās necaurspīdīgs. Kad elektroni pievienojās protoniem:
- Fotonus varēja brīvi pārvietoties: līdz tam "ieslodzīti", tagad tie varēja izplatīties lielos attālumos, radot tā laika Visuma momentuzņēmumu.
- Šodienas atklājums: mēs fiksējam šos fotonus kā kosmisko mikroviļņu fonu (CMB), kas atdzisis līdz aptuveni 2,7 K Visuma nepārtrauktās paplašināšanās dēļ.
CMB bieži sauc par "Visuma bērnišķo fotogrāfiju" – tajā redzamie sīkie temperatūras svārstību pavedieni atklāj agrīno matērijas sadalījumu un Visuma sastāvu.
8. Tumšā matērija un tumšā enerģija: agrīnas norādes
Lai gan tumšās matērijas un tumšās enerģijas būtība vēl nav pilnībā saprotama, to eksistenci apliecinošie dati sniedzas līdz agrīnajiem kosmiskajiem laikiem:
- Tumšā matērija: precīzi CMB mērījumi un novērojumi par agrīnām galaktikām liecina par vielas veidu, kas nesaskaras elektromagnētiski, bet kam ir gravitācijas ietekme. Tā palīdzēja blīvākiem reģioniem veidoties ātrāk, nekā to varētu izskaidrot tikai "parastā" matērija.
- Tumšā enerģija: novērojumi atklāja, ka Visums paplašinās arvien ātrāk, un to bieži skaidro ar grūti uztveramās "tumšās enerģijas" ietekmi. Lai gan šo parādību galīgi identificēja tikai 20. gadsimta beigās, dažas teorijas ļauj domāt, ka par to var meklēt norādes jau agrīnā Visuma attīstībā (piemēram, inflācijas fāzē).
Tumšā matērija joprojām ir stūrakmens, skaidrojot galaktiku rotāciju un kopu dinamiku, bet tumšā enerģija ietekmē Visuma paplašināšanās nākotni.
9. Rekombinācija un pirmie atomi
Rekombinācijas laikā Visums pārgāja no karstas plazmas uz neitrālām gāzēm:
- Protoni + elektroni → ūdeņraža atomi: tas ļoti samazināja fotonu izkliedi, un Visums kļuva caurspīdīgs.
- Smagāki atomi: arī hēlijs savienojās neitrālās formās, lai gan tā daļa (salīdzinot ar ūdeņradi) ir daudz mazāka.
- Kosmiskie "tumšie laikmeti": pēc rekombinācijas Visums "klusēja", jo vēl nebija zvaigžņu – CMB fotoni tikai atdzisa, to viļņu garumi pagarinājās, un vide iegāja tumsā.
Šis periods ir ļoti svarīgs, jo matērija gravitācijas ietekmē sāka sakopoties blīvākos krājumos, kas vēlāk veidoja pirmās zvaigznes un galaktikas.
10. Tumšie laikmeti un pirmās struktūras
Kad Visums kļuva neitrāls, fotoni varēja brīvi izplatīties, bet nozīmīgāki gaismas avoti vēl nebija. Šis posms, ko sauc par "tumšajiem laikmetiem", turpinājās līdz pirmajām zvaigžņu aizdegšanās reizēm. Tajā laikā:
- Gravitācija pārņem vadību: vismazākās matērijas blīvuma atšķirības kļuva par gravitācijas akačām, "ievilkdami" arvien vairāk masu.
- Tumšās matērijas loma: tumšā matērija, nesaskaroties ar gaismu, jau agrāk sāka sakopoties krājumos, it kā sagatavojot "rāmi", pie kura vēlāk varēja pievienoties barjoniskā (parastā) matērija.
Visbeidzot šie blīvākie reģioni vēl vairāk sabruka, veidojot pašus pirmos mirdzošos objektus.
11. Rejonizācija: tumšo laikmetu beigas
Kad veidojās pirmās zvaigznes (vai varbūt arī agrīnie kvazāri), tās izstarojās intensīvu ultravioletu (UV) starojumu, kas spēja jonizēt neitrālo ūdeņradi un tādējādi "rejonizēt" Visumu. Šajā posmā:
- Caurspīdīgums atjaunots: UV starojums izkliedēja neitrālo ūdeņradi, tādējādi varēja izplatīties lielos attālumos.
- Galaktiku sākums: tiek uzskatīts, ka šie agrīnie zvaigžņu kopumi – tā sauktās protogalaktikas – laika gaitā saplūda un izauga lielākās galaktikās.
Aptuveni miljardu gadu pēc Lielā sprādziena Visumā tika pabeigta rejonizācija, un starpgalaktiskā telpa kļuva līdzīga tai, ko redzam šodien – galvenokārt sastāvēja no jonizētām gāzēm.
Skats nākotnē
Pirmajā tēmā tiek definēts Visuma attīstības laika pamatrāmis. Visi šie posmi – singularitāte, inflācija, nukleosintēze, rekombinācija un rejonizācija – rāda, kā Visuma paplašināšanās un atdzišana veidoja pamatus vēlākajiem notikumiem: zvaigžņu, galaktiku, planētu un pat dzīvības rašanās procesiem. Turpmākajos rakstos tiks apskatīts, kā veidojās liela mēroga struktūras, kā attīstījās galaktikas un kādi bija dramatiskie zvaigžņu dzīves cikli, kā arī daudzi citi kosmiskās vēstures aspekti.
Agrīnā Visuma nav tikai vēstures sīkums, bet īsta kosmiskā laboratorija. Pētot tādus "reliktus" kā kosmiskā mikroviļņu fons, vieglo elementu bagātība un galaktiku izplatība, mēs uzzinām par fundamentālajiem fizikas likumiem – no matērijas uzvedības ārkārtīgi ekstrēmos apstākļos līdz telpas un laika būtībai. Šī lieliskā kosmiskā vēsture atklāj mūsdienu kosmoloģijas galveno principu: lai atbildētu uz Visuma lielākajiem noslēpumiem, ir jāizprot tās izcelsme.