Az ősrobbanás: Mi történt valójában univerzumunk születésekor?

Itt látható a Hubble űrtávcső

Itt látható a Hubble űrteleszkóp fotója egy jelölt galaxisról, amely 480 millió évvel az ősrobbanás (a z ~ 10 galaxis) után létezett, és a Hubble Ultra Deep Field (HUDF) helyzete, ahol megtalálták. A galaxist a Hubble által eddig látott legrégebbi, legtávolabbinak nevezik. Ez a HUDF09 nevű mező a valaha látott legmélyebb infravörös kép az univerzumról. (Kép jóváírása: NASA, ESA, Garth Illingworth (Kaliforniai Egyetem, Santa Cruz) és Rychard Bouwens (Kaliforniai Egyetem, Santa Cruz és Leiden Egyetem) és a HUDF09 csapata.)

Több mint hét napba telt, hogy létrehozzuk az univerzumot, ahogy ma ismerjük. A guesswhozoo.com az ég rejtelmeit vizsgálja nyolcrészes sorozatunkban: A kozmosz története és jövője. Ez a sorozat 5. része.

Világegyetemünk körülbelül 13,7 milliárd évvel ezelőtt született egy hatalmas kiterjedésben, amely gigantikus léggömbként robbantotta fel a teret.

Dióhéjban ez az ősrobbanás elmélete, amelyet gyakorlatilag minden kozmológus és elméleti fizikus helyesel. Az elképzelést alátámasztó bizonyítékok kiterjedtek és meggyőzőek. Tudjuk például, hogy az univerzum még most is tágul, egyre gyorsuló ütemben.

A tudósok felfedezték az ősrobbanás, a világegyetemet átható kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás előre jelzett hőlenyomatát is. És nem látunk nyilvánvalóan 13,7 milliárd évnél régebbi tárgyakat, ami erre utal az univerzumunk ekkortájt jött létre.

„Mindezek rendkívül szilárd alapokra helyezték az ősrobbanást” - mondta Alex Filippenko asztrofizikus, a Berkeley -i Kaliforniai Egyetem munkatársa. 'Az ősrobbanás rendkívül sikeres elmélet.'

Tehát mit tanít nekünk ez az elmélet? Mi történt valójában univerzumunk születésekor, és hogyan alakította ki azt a formát, amelyet ma megfigyelünk? [ Infografikus túra: Az univerzum története és szerkezete ]

Ez a grafika a világegyetem idővonalát mutatja az ősrobbanás elmélete és az inflációs modellek alapján.

Ez a grafika a világegyetem idővonalát mutatja az ősrobbanás elmélete és az inflációs modellek alapján.(Kép jóváírása: NASA/WMAP)

A kezdet

A hagyományos ősrobbanás -elmélet szerint univerzumunk szingularitással kezdődött - egy végtelen sűrűségű és hőmérsékletű ponttal, amelynek természetét elménk nehezen tudja felfogni. Ez azonban nem biztos, hogy pontosan tükrözi a valóságot, állítják a kutatók, mert a szingularitási gondolat Einstein általános relativitáselméletén alapul.

'A probléma az, hogy egyáltalán nincs ok azt hinni, hogy az általános relativitáselmélet ebben a rendszerben' - mondta Sean Carroll, a Caltech elméleti fizikusa. - Rossz lesz, mert nem veszi figyelembe a kvantummechanikát. És a kvantummechanika minden bizonnyal fontos lesz, ha eljut erre a helyre az univerzum történetében.

Tehát a világegyetem kezdete meglehetősen homályos marad. A tudósok úgy gondolják, hogy az ősrobbanás után körülbelül 10 és mínusz 36 másodperc között tudják felvenni a történetet - ezermilliárd ezermilliárdmilliomod másodpercből.

Úgy vélik, hogy ekkor az univerzum rendkívül rövid és drámai inflációs időszakon ment keresztül, amely gyorsabban tágult, mint a fénysebesség. Mérete megduplázódott, talán 100 -szor vagy többször is, mindez néhány másodperc tört része alatt. [ Az ősrobbanás most 10 egyszerű lépésben ]

(Úgy tűnik, hogy az infláció megsérti a speciális relativitáselméletet, de ez nem így van, a tudósok szerint. A speciális relativitáselmélet szerint a fénysebességnél gyorsabban semmilyen információ vagy anyag nem szállítható a tér két pontja között. De az infláció a maga a tér.)

„Az infláció az ősrobbanás bummja volt” - mondta Filippenko a guesswhozoo.com -nak. „Az infláció előtt csak egy csomó dolog volt, egészen valószínű, hogy csak egy kicsit bővül. Valami inflációra volt szükségünk ahhoz, hogy az univerzum nagy legyen.

Ez a gyorsan táguló világegyetem jóformán üres volt az anyagtól, de hatalmas mennyiségű sötét energiát hordozott magában. A sötét energia az a titokzatos erő, amely a tudósok szerint a világegyetem jelenlegi gyorsuló tágulását vezérli.

Az infláció alatt a sötét energia simította és gyorsította az univerzumot. De nem sokáig ragaszkodott hozzá.

'Ez csak átmeneti sötét energia volt' - mondta Carroll a guesswhozoo.com -nak. - Az újramelegítésnek nevezett eljárás során közönséges anyaggá és sugárzássá alakult át. A világegyetem hideg volt az infláció alatt, és ismét meleg lett, amikor az összes sötét energia eltűnt.

A tudósok nem tudják, mi okozhatta az inflációt. Ez továbbra is az egyik legfontosabb kérdés az ősrobbanás kozmológiájában, mondta Filippenko.

Az Abell 1689 galaxishalmaz híres arról, hogyan hajlítja meg a fényt a gravitációs lencse nevű jelenségben. A klaszter tanulmányozása titkokat tárt fel arról, hogy a sötét energia hogyan alakítja az univerzumot.

Az Abell 1689 galaxishalmaz híres arról, hogyan hajlítja meg a fényt a gravitációs lencse nevű jelenségben. A klaszter tanulmányozása titkokat tárt fel arról, hogy a sötét energia hogyan alakítja az univerzumot.(Kép jóváírása: NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) és J-P. Kneib (LAM))

Egy másik ötlet

A legtöbb kozmológus az inflációt tekinti a világegyetem jellemzőinek magyarázatának vezető elméletének - különösen annak, hogy miért viszonylag lapos és homogén, és nagyjából azonos mennyiségű anyagot terjeszt egyenlően minden irányba.

Különféle bizonyítékok arra mutatnak, hogy az infláció valósággá válik - mondta Andy Albrecht, a Davis -i Kaliforniai Egyetem elméleti fizikusa. [Képek: Visszatekintés az ősrobbanáshoz]

'Mindannyian szépen összeillenek az inflációs képpel' - mondta Albrecht, az inflációelmélet egyik építésze. 'Az infláció hihetetlenül jól sikerült.'

Azonban nem az infláció az egyetlen elképzelés, amely megpróbálja megmagyarázni az univerzum szerkezetét. Az elméleti szakemberek előálltak egy másikkal, az úgynevezett ciklikus modellel, amely egy korábbi koncepción alapul, amelyet ekpirotikus univerzumnak neveznek.

Ez az elképzelés azt tartja, hogy az univerzumunk nem egyetlen pontból vagy hasonlóból jött létre. Inkább az expanzióba ugrott be-sokkal nyugodtabb ütemben, mint az inflációs elmélet jósolja-egy korábban létező univerzumból, amely összehúzódott. Ha ez az elmélet helytálló, akkor univerzumunk valószínűleg végtelen sorozatos „frufru” és „ropogás” ment keresztül.

„Világegyetemünk kezdete szép és véges lett volna” - mondta Burt Ovrut, a Pennsylvaniai Egyetem munkatársa, az ekpirotikus elmélet egyik kezdeményezője.

A ciklikus modell szerint az univerzumunk 11 dimenzióból áll, amelyek közül csak négyet figyelhetünk meg (hármat a térből és egyet az időből). A világegyetem négydimenziós részét brane-nek (röviden membránnak) nevezzük.

Az elképzelés szerint más korpák is leselkedhetnek odakint a 11 dimenziós térben. A két korona közötti ütközés megzavarhatta az univerzumot az összehúzódástól a terjeszkedésig, serkentve az ősrobbanást, amelyre ma bizonyítékokat látunk.

A gravitációs hullámokat keresi

Hamarosan a tudósok biztosan tudják, melyik elmélet - az infláció vagy a ciklikus modell - a valóság jobb ábrázolása.

Például az infláció valószínűleg sokkal erősebb gravitációs hullámokat produkálna, mint egy ekpirotikus „ugrálás” - mondta Filippenko. A kutatók tehát minden jelét keresik a téridő ezen elméleti torzulásainak, amelyeket még meg kell figyelni.

Az Európai Űrügynökség 2009 -ben felbocsátott Planck műholdja megtalálhatja a megfoghatatlan gravitációs hullámokat. Ovrut szerint más bizonyítékokat is összegyűjthet, amelyek megdönthetik a mérleget.

'Ezek azok a dolgok, amelyekről a következő 10 évben megvitatják és remélhetőleg döntenek' - mondta Ovrut a guesswhozoo.com -nak.

Az általunk ismert univerzum formát ölt

A kozmológusok azt gyanítják, hogy a világegyetemet uraló négy erő - a gravitáció, az elektromágnesesség és a gyenge és erős nukleáris erők - a világegyetem születésekor egyetlen erővé egyesültek, és összetörték őket a szélsőséges hőmérséklet és sűrűség miatt.

De a dolgok megváltoztak, ahogy az univerzum kitágult és kihűlt. Az infláció idején az erős erő valószínűleg elvált. És körülbelül 10 billió másodperc múlva a nagy Bumm , az elektromágneses és a gyenge erők is megkülönböztettek.

Közvetlenül az infláció után az univerzum valószínűleg tele volt forró, sűrű plazmával. A kutatók szerint azonban körülbelül 1 mikroszekundummal (10 és mínusz 6 másodperc között) eléggé lehűlt, hogy az első protonok és neutronok kialakulhassanak.

Az ősrobbanás utáni első három percben ezek a protonok és neutronok összeolvadni kezdtek, deutériumot (más néven nehéz hidrogént) képezve. A deutérium atomok ezután összekapcsolódtak, és hélium-4-et képeztek.

Ez az egész égbolt a kozmikus mikrohullámú háttérről, amelyet az Európai Űrügynökség készített

Ez a kozmikus mikrohullámú háttér egész égből készült képe, amelyet az Európai Űrügynökség Planck műholdja készített, az ősrobbanás visszhangjait mutatja az univerzum hajnalán.(Kép jóváírása: ESA/ LFI & HFI Consortia)

Rekombináció: A világegyetem átlátszóvá válik

Ezek az újonnan létrehozott atomok mind pozitív töltésűek voltak, mivel a világegyetem még mindig túl forró volt ahhoz, hogy előnyben részesítse az elektronok elfogását.

De ez körülbelül 380 000 évvel az ősrobbanás után megváltozott. A rekombinációként ismert korszakban a hidrogén- és héliumionok elkezdték elkapni az elektronokat, elektromosan semleges atomokat képezve. A fény jelentősen szétszórja a szabad elektronokat és protonokat, de sokkal kevésbé a semleges atomokat. Így a fotonok sokkal szabadabban utazhattak az univerzumban.

A rekombináció drámaian megváltoztatta az univerzum kinézetét; átlátszatlan köd volt, és most átlátszóvá vált. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, amit ma megfigyelünk, ebből a korszakból származik. [ Videó: Köd a korai univerzumban ]

De a világegyetem a rekombináció után sokáig sötét volt, csak akkor világított igazán, amikor az első csillagok ragyogni kezdtek körülbelül 300 millió évvel az ősrobbanás után. Segítettek visszavonni azt, amit a rekombináció elért. Ezek a korai csillagok - és talán néhány más rejtélyes forrás is - elegendő sugárzást bocsátottak ki ahhoz, hogy a világegyetem hidrogénjének nagy részét visszahasítsák alkotó protonjaira és elektronjaira.

Ez a reionizáció néven ismert folyamat körülbelül 1 milliárd évvel az ősrobbanás után lezajlott. Az univerzum ma nem átláthatatlan, mint a rekombináció előtt, mert annyira kitágult. A világegyetem anyaga nagyon híg, és a fotonszórási kölcsönhatások viszonylag ritkák, mondják a tudósok.

Az idő múlásával a csillagok együtt vonzódva galaxisokat hoztak létre, ami egyre nagyobb méretű szerkezethez vezetett az univerzumban. A bolygók egyesültek néhány újonnan kialakuló csillag körül, beleértve a saját napunkat is. És 3,8 milliárd évvel ezelőtt gyökeret vert az élet a Földön.

Ez a rendkívül távoli protokoll a galaxisok egy csoportját képviseli, amelyek nagyon korán, az univerzumban, körülbelül egymilliárd évvel az ősrobbanás után alakulnak ki.

Ez a rendkívül távoli protokoll a galaxisok egy csoportját képviseli, amelyek nagyon korán, az univerzumban, körülbelül egymilliárd évvel az ősrobbanás után alakulnak ki.(Kép jóváírása: Subaru/ P. Capak (SSC/ Caltech))

Az ősrobbanás előtt?

Míg az univerzum első néhány pillanatáról sok spekuláció marad, a kérdés, hogy mi előzte meg az ősrobbanást, még titokzatosabb és nehezebben kezelhető.

Kezdésként maga a kérdés lehet értelmetlen. Ha a világegyetem a semmiből származik, ahogy néhány teoretikus hiszi, az ősrobbanás azt a pillanatot jelzi, amikor maga az idő elkezdődött. Ebben az esetben nem lenne olyan, hogy „korábban” - mondta Carroll.

De az univerzum születésének néhány felfogása lehetséges válaszokat javasolhat. A ciklikus modell például azt sugallja, hogy a zsugorodó univerzum megelőzte a mi tágulónkat. Carroll is el tud képzelni valamit az ősrobbanás előtt.

'Lehet, hogy csak üres űr volt, ami az ősrobbanásunk előtt létezett, akkor valamilyen kvantumingadozás szülte a miénkhez hasonló univerzumot' - mondta. 'El lehet képzelni, hogy egy kis űrbuborék összecsapódik az ingadozásokon, és tele van egy kis apró energiával, ami aztán az univerzumba nőhet, amit az infláció révén látunk.'

Filippenko azt is gyanítja, hogy valami hasonló igaz lehet.

„Azt hiszem, az univerzumunk ideje az ősrobbanással kezdődött, de úgy gondolom, hogy ingadozások voltunk az elődhöz képest, az anyauniverzumhoz képest” - mondta Filippenko.

Valaha megtudjuk?

A kozmológusok és fizikusok keményen dolgoznak azon, hogy finomítsák elméleteiket, és a világegyetem legkorábbi pillanatait egyre élesebben összpontosítsák. De vajon tudják -e valaha, hogy mi történt az ősrobbanáskor?

Félelmetes kihívás, különösen azért, mert a kutatók 13,7 milliárd éves eltávolításon dolgoznak. De ne számítsuk ki a tudományt mondta Carroll. Végül is 100 évvel ezelőtt az emberek nagyon keveset értettek a világegyetemről. Nem tudtunk például az általános relativitáselméletről vagy a kvantummechanikáról. Nem tudtuk, hogy az univerzum tágul, és nem tudtunk az ősrobbanásról sem.

- Most már mindezt tudjuk - mondta Carroll. „A haladás üteme valójában elképesztően gyors, ezért soha nem engednék a pesszimizmusnak. A kozmológia és a fizika közelmúltbeli történetében nincs ok arra, hogy pesszimistán nézzük az ősrobbanás megértésére vonatkozó kilátásainkat.

Albrecht hasonló optimizmusnak adott hangot, mondván, hogy egyszer talán rájövünk, hogy mi volt, ha egyáltalán létezett az ősrobbanás előtt.

'Reményeimet arra alapozom, hogy a kozmológia ilyen sikeres volt' - mondta a guesswhozoo.com -nak. 'Úgy tűnik, a természet egyértelmű üzenetet küldött nekünk, hogy valóban tudunk tudományt csinálni az univerzummal.'

A guesswhozoo.com vezető írója, Mike Wall a Twitteren követhető: @michaeldwall . Kövesse a guesswhozoo.com weboldalt, ahol a legfrissebb űrtudományi és kutatási hírek érhetők el a Twitteren @Spacedotcom és tovább Facebook .