Alguses laienes Universum väga-väga kiiresti.
(Pilt: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter on Ohio Riikliku Ülikooli astrofüüsik ja teaduskeskuse COSI juhtivteadur. Sutter on ka Ask Spacemani ja Kosmoseraadio host ning viibAstroTours kogu maailmas. Sutter esitas selle artikli Space.comi veebisaidile Expert Voices: Op-Ed & Insights.
13,8 miljardi aasta eest oli kogu meie vaadeldav universum virsiku suurune ja selle temperatuur oli üle triljoni kraadi.
See on üsna lihtne, kuid väga julge avaldus ja see pole avaldus, mis on tehtud kergelt või lihtsalt. Tõepoolest, isegi sada aastat tagasi oleks see kõlanud lausa petlikult, kuid siin me oleme, öeldes, et see pole suur asi. Kuid nagu kõige teaduse puhul, on ka sellised lihtsad väited rajatud mitmest sõltumatust tõestusliinist koosnevate mägede hulgast, mis kõik osutavad samale järeldusele - antud juhul Suurele Paugule, meie universumi ajaloo mudelile. [Universum: suur pauk nüüd 10 lihtsa sammuna]
Kuid nagu öeldakse, ärge võtke minu sõna. Siin on viis tõendit Suure Paugu kohta:
# 1: Öine taevas on tume
Kujutage hetkeks ette, et elasime ideaalselt lõpmatus universumis nii ajas kui ruumis. Säravad tähtede kollektsioonid jätkuvad igavesti igas suunas ja universum on alati olnud ja alati saab olema. See tähendaks, kuhu iganes taevasse vaatasite - lihtsalt vali juhuslik suund ja vahtima -, siis peaksite kindlasti leidma tähe kuskilt, mingist kaugusest. See on lõpmatu universumi vältimatu tulemus.
Ja kui sama universum on olnud igavesti olemas, siis on selle tähe valguse jaoks kulunud palju aega, indekseerides kosmosest suhteliselt aeglase c kiirusega, et jõuda teie silmamunadesse. Isegi mis tahes sekkuva tolmu olemasolu ei vähendaks lõpmatuseni kosmosesse laiali ulatuvate tähtede lõpmatusest kogunenud valgust.
Ergo, taevas peaks olema paljude tähtede kombineeritud valgusega hõre. Selle asemel on enamasti pimedus. Tühjus. Tühine. Mustus. Tead, kosmos.
Saksa füüsik Heinrich Olbers ei pruukinud olla esimene inimene, kes selle näilise paradoksi tähele pani, kuid tema nimi jäi mõtte alla: Seda tuntakse kui Olbersi paradoksi. Lihtne resolutsioon? Kas universum ei ole lõpmatu suurusega või pole see ajaliselt lõpmatu. Või äkki pole kumbagi.
# 2: kvaasarid on olemas
Niipea kui teadlased töötasid välja tundlikud raadioteleskoobid, märkasid nad 1950ndatel ja 60ndatel taevas imelikult valju raadioallikaid. Märkimisväärse astronoomilise varjamise kaudu leidsid teadlased, et need kvaasitähelised raadioallikad ehk "kvaasarid" olid väga kauged, kuid aeg-ajalt erksad, aktiivsed galaktikad.
Selle arutelu juures on kõige olulisem selle järelduse "väga kauge" osa.
Kuna valgust võtab ühest kohast teise sõitmiseks aega, ei näe me tähti ja galaktikaid sellisena, nagu nad on praegu, vaid nagu need olid tuhandeid, miljoneid või miljardeid aastaid tagasi. See tähendab, et sügavamale universumisse vaadates vaadatakse ka sügavamalt minevikku. Näeme kauges kosmoses palju kvaasreid, mis tähendab, et need objektid olid miljardeid aastaid tagasi väga levinud. Kuid meie kohalikus, ajakohases naabruses pole kvaasreid peaaegu üldse. Ja nad on kauges (see tähendab noores) universumis piisavalt levinud, et me peaksime oma läheduses palju rohkem nägema.
Lihtne järeldus: universum oli oma minevikus teistsugune kui praegu.
# 3: see muutub üha suuremaks
Me elame laienevas universumis. Keskmiselt on galaktikad kõigist teistest galaktikatest kaugemal. Muidugi, mõned väikesed kohalikud kokkupõrked toimuvad allesjäänud gravitatsiooniliste vastasmõjude tagajärjel, näiteks kuidas Linnutee põrkub mõne miljardi aasta jooksul Andromeedaga. Kuid suures plaanis kehtib see lihtne, laienev suhe. Just selle avastas astronoom Edwin Hubble 20. sajandi alguses, varsti pärast seda, kui leidis, et "galaktikad" on tegelikult asi. [Linnutee galaktika pealavastus Andromeedaga: kunstnikupildid]
Laienevas universumis on reeglid lihtsad. Iga galaktika taandub (peaaegu) igast teisest galaktikast. Valgus kaugetest galaktikatest muutub punaselt nihkeks - valguse lainepikkused, mida nad vabastavad, muutuvad teiste galaktikate vaatevinklist pikemaks ja seega pimedamaks. Teil võib tekkida kiusatus mõelda, et selle põhjuseks on üksikute galaktikate liikumine, mis kiirustavad ümber universumi, kuid matemaatika ei liida.
Konkreetse galaktika punanihke summa on seotud sellega, kui kaugel see asub. Lähemal asuvad galaktikad saavad teatud määral punanihke. Kaks korda kaugemal asuv galaktika saab punasest nihest kaks korda rohkem. Neli korda suurem vahemaa? Täpselt nii, neli korda punast nihet. Selle seletamiseks pelgalt galaktikate ümber tõmbamisega peab olema tõesti veider vandenõu, kus kõik universumi galaktilised kodanikud nõustuvad selles väga konkreetses mustris edasi liikuma.
Selle asemel on seal palju lihtsam seletus: galaktikate liikumine on tingitud nende galaktikate vahelise ruumi venimisest.
Me elame dünaamilises, arenevas universumis. Varem oli see väiksem ja tulevikus suurem.
# 4: relikviirgus
Mängime mängu. Oletame, et universum oli varem väiksem. See tähendab, et see oleks olnud nii tihedam kui ka kuumem, eks? Õige - kogu kosmose sisu oleks väiksemasse ruumi koondatud ja kõrgemad tihedused tähendavad kõrgemat temperatuuri.
Mingil hetkel, kui universum oli, näiteks miljon korda väiksem kui praegu, oleks kõik juba nii kokku raputatud, et sellest saaks plasma. Selles olekus oleks elektronid oma tuumaenergiast seondumatud ja vabalt ujuvad, kogu see aine ujutati intensiivse ja kõrge energiaga kiirgusse.
Kuid kui imikuuniversum laienes, oleks see jahtunud punktini, kus äkitselt võiksid elektronid mugavalt tuumade ümber asuda, moodustades vesiniku ja heeliumi esimesed täielikud aatomid. Sel hetkel hõlmaks hullumeelselt intensiivne kiirgus takistamatult läbi äsja õhukese ja läbipaistva universumi. Ja kui see universum laienes, oleks sõna otseses mõttes valkjalt alguse saanud valgus jahtunud, jahtunud, jahtunud paar kraadi üle absoluutse nulli, viies lainepikkused kindlalt mikrolainete vahemikku.
Ja kui me suuname oma mikrolainete teleskoope taeva poole, mida me näeme? Taustkiirguse vann, mis ümbritseb meid igast küljest ja on peaaegu ideaalselt ühtlane (ühele osale 100 000-st!) Igas suunas. Beebi pilt universumist. Postkaart ammusest surnud ajastust. Valgus ajast, mis on peaaegu sama vana kui universum ise.
# 5: see on elementaarne
Lükake kella tagasi veelgi kaugemale kui kosmilise mikrolaine fooni moodustumine ja mingil hetkel on asjad nii intensiivsed, nii hullud, et isegi prootoneid ja neutroneid pole olemas. See on lihtsalt nende põhiosade, kvarkide ja gluonide supp. Kuid jällegi, kui universum avardus ja jahutas oma eksistentsi esimestest minutitest alates, siis kergeimad tuumad, nagu vesinik ja heelium, koonesid ja moodustasid.
Tänapäeval on meil tuumafüüsika osas üsna korralik käepide ja me saame neid teadmisi kasutada meie universumi kõige kergemate elementide suhtelise koguse ennustamiseks. Prognoos: see hõrgutav supp oleks pidanud tekitama umbes kolm neljandikku vesinikku, ühe neljandiku heeliumi ja "muu" jaotust.
Seejärel lähevad väljakutsed astronoomidele ja mida nad leiavad? Universum, mis koosneb umbes kolmest neljandikust vesinikust, ühest neljandikust heeliumist ja väiksemast protsendist "muust". Bingo.
Muidugi on ka rohkem tõendeid. Kuid see on vaid lähtepunkt meie tänapäevasele Suure Paugu kosmosepildile. Mitu sõltumatut tõendusliini viitavad kõik samale järeldusele: Meie universum on umbes 13,8 miljardit aastat vana ja korraga oli see virsiku suurune ning selle temperatuur oli üle triljoni kraadi.
Lisateavet saate kuulates osa "Mis juhtub, kui galaktikad kokku põrkuvad?" taskuhäälingus Ask A Spaceman, mis on saadaval iTunesis ja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com. Tänu Mike D.-le, Tripp B.-le, Sedas S.-le, Islale ja Patrick D.-le küsimuste eest, mis selle tüki juurde viisid! Esitage Twitteris oma küsimus, kasutades #AskASpaceman või järgides Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Jälgige meid @Spacedotcom, Facebook ja Google+. Originaalartikkel Space.com-is.
