Vývoj vesmíru ZMP Ondráček final_1 - MluvmeSpolu

Gymnázium, Brno, třída Kapitána Jaroše
VÝVOJ VESMÍRU
Závěrečná práce
Vedoucí práce: Mgr. Pavel Řehák
Autor: Petr Ondráček
Brno 2014
Rád bych poděkoval panu profesoru Pavlu Řehákovi, že vedl mou závěrečnou maturitní práci
a za odborné konzultace, poskytnutí studijního materiálu a veškerou pomoc s touto
závěrečnou maturitní prací.
Prohlašuji, že jsem tuto závěrečnou práci vyřešil samostatně s použitím zdrojů, které uvádím v
seznamu zdrojů na konci práce.
V Brně dne ……………………
………………………………
Klíčová slova
Velký třesk, periodická soustava prvků, hvězda, planeta, galaxie, černá díra, fyzikální
děj, rozpínání vesmíru, elektromagnetické záření
Abstrakt
Tato práce popisuje vývoj vesmíru, počínaje Velkým třeskem, vznikem všech prvků
obsažených v periodické soustavě prvků. Dále se práce zabývá vytvářením prvních hvězd a
dalších vesmírných objektů jako jsou planety, galaxie či černé díry. Práce se pozastavuje také
nad vysvětlením fyzikálních dějů, které se ve vesmíru odehrávají, jako je například rozpínání
vesmíru, Dopplerův efekt pro elektromagnetické záření či samotná úloha gravitace. Cílem
práce bylo seznámení veřejnosti s fyzikálními pravidly a principy našeho vesmíru a uvedení
do problematiky nejasnosti samotného počátku vesmíru.
Keywords
Big Bang, periodic table, star, planet, galaxy, black hole, physical process, expansion of
the Universe,
Abstract
This report describes the evolution of the Universe, starting with the Big Bang and the birth
of elements that are contained in the Periodic table. Furthermore, it also deals with the
creation of the first stars as well as other objects in the Universe, such as planets, galaxies or
black holes. The work aims to explain the physical processes, which occur or take place in the
Universe. For instance, the expansion of the Universe, The Doppler effect for electromagnetic
radiation or the role of gravity itself. The purpose of this work was to aquiant the public with
physical rules and principles of the Universe and to introduce them to the problem of
uncertainties of the beggining of the Universe.
Obsah
1. Úvod
2. Od velkého třesku po dnešní vesmír jaký ho známe
2.1. Vznik a původ prvků periodické tabulky, Atomy, hvězdy a galaxie
2.1.1. Hvězdný materiál a „Hvězdná alchymie“
2.1.2. Hvězdy, jejich životní cykly, atomy a gravitace
2.2. Teorie vzniku planet
2.2.1. Dopplerův efekt pro elektromagnetické záření
2.2.2. Jiné Země?
2.3. Extragalaktická perspektiva
2.3.1. Jiné galaxie
2.3.2. Velkorozměrová struktura a expanze
2.3.3. Teleskopy ve vesmíru a na povrchu Země
2.3.4. Ohlédnutí daleko zpět
3. Předgalaktická minulost vesmíru
3.1. Předgalaktická historie
3.1.1. Temná hmota
3.1.2. Úloha gravitace
3.1.3. Vesmírná textura
3.1.4. Nakolik je věrohodná teorie velkého třesku?
3.1.5. 3 éry kosmické historie
3.2. Černé díry - úplný gravitační kolaps
4. Budoucnost vesmíru
4.1. Zpomalování, či zrychlování?
4.1.1. Zrychlování?
4.1.1.1. Akcelerace
4.1.2. Důkazy pro „plochost“ souhlasná měření našeho vesmíru
4.2. Dlouhodobá budoucnost
4.2.1. Temnější budoucnost
5. Zpět k první milisekundě
5.1. Jak všechno začalo: První milisekunda
5.1.1. Proč rozpínání?
6. Zhodnocení práce
7. Seznam zdrojů
1. Úvod
Tato práce je zaměřená na popis vzniku, dávnou minulost, přítomnost a předpovídanou
budoucnost našeho vesmíru. V práci jsou osvětleny různé fyzikální zákonitosti a pravidla,
kterými se vesmír řídil po dobu své existence a prozatím i řídí. Dále jsou v práci zpracovány
procesy vzniku různých vesmírných objektů a průběh jejich životních cyklů. Této
problematice se věnovalo již mnoho slavných teoretických fyziků a astronomů, jako jsou
například Stephen Hawking nebo Albert Einstein. Proto by cíl této práce neměl být dokázat
něco nového ale spíše vytvořit jakýsi přehled této problematiky pro veřejnost, která má zájem
dozvědět nebo naučit se něco o vývoji našeho vesmíru a jeho zákonitostech. K vytvoření
práce mě vedl fakt, že v dnešní době se běžný nadšenec pro astronomii nemusí vyznat ve
sdělovacích prostředcích, kde jsou informace neuspořádány a někdy dokonce nepravdivé. Pro
tyto nadšence by měla má práce sloužit jako zdroj pravdivých a systematicky uspořádaných
informací pro jeho potřeby.
2. Od velkého třesku po dnešní vesmír jaký ho známe
2.1. Vznik a původ prvků periodické tabulky, Atomy, hvězdy a galaxie
2.1.1. Hvězdný materiál a „Hvězdná Alchymie“
Víme, že po velkém třesku vesmír obsahoval především Vodík a Hélium (98%). Prozatím se
spokojíme s tímto faktem, a velký třesk jako takový budeme analyzovat v pozdějších
kapitolách.
Když se podíváme na tabulku, která zobrazuje poměr prvků v naší sluneční soustavě
(obr.3.1), tak zjistíme, že se tento stav se značně liší od stavu poměru prvků z doby, když byl
náš vesmír starý jen „pár“ miliónů let.
Odkud se vzaly ostatní prvky?
Odpověď se skrývá ve hvězdách. Rozdělme si je na 2 typy – Hvězdy tak těžké, že z nich při
zániku vznikají neutronové hvězdy či dokonce černé díry a méně hmotné hvězdy.
Hvězdy desetinásobné či vícekrát hmotnější než naše Slunce spotřebují vodík o hodně
rychleji což znamená, že září jasněji. Gravitace je pak dále stlačuje. Jejich jádra jsou stále
žhavější což má za následek, že se nakonec héliová jádra navzájem spojí a vytvoří jádra
atomů jež známe z naší PSP (periodické soustavy prvků). Uspořádání takovéto hvězdy mají
vnitřní uspořádání podobné cibuli – vrstva uhlíku obklopuje vrstvu kyslíku která zase
obklopuje vrstvu křemíku. Jádro je pak převážně železné. V Fe (železu) se atomová jádra
dotýkají nejtěsněji, takže jakmile se střed velké hvězdy přemění na železo nastává energetická
krize. Jádro hvězdy imploduje (exploduje do sebe sama; imploze = opak exploze). Zhustí se
biliardkrát více než běžná hmota a stane se z něj neutronová hvězda či dokonce černá díra.
Tento katastrofický kolaps uvolní dostatečné množství energie na to aby vyvolal kolosální
explozi což má za následek vznik Supernovy, která odmrští vnější vrstvy hvězdy jejíž
obsahem jsou produkty jaderné alchymie díky níž hvězda zářila po dobu existence.
Tímto jsme dostali částečnou odpověď na otázku odkud se vzaly prvky, které známe z PSP
ale odkud se vzaly prvky které jsou těžší než železo? (Fe zaujímá teprve 26. místo v PSP, jak
objasnit existence zbylých 92 prvků v přírodě?)
Prvky, které jsou těžší než železo musí projít ještě více energeticky náročnějšími procesy aby
mohli vzniknout.
Příklad vzniku některých prvků těžších než železo:
• Thorium a Uran vznikají ve výhni exploze supernovy
• Baryum a Vizmut vznikají při záchytu neutronů v rudých obrech
Méně hmotné hvězdy (hvězdy z kterých nevzniknou Supernovy) jsou hlavní zdroje uhlíku
ve vesmíru, protože když vzplanou vyhodí do prostoru množství zpracovaného materiálu (=
uhlík). Hvězda tohoto typu se na konci svého životního cyklu přemění na červeného obra a
následně na bílého trpaslíka.
Hlavní postavou těchto objevů byl ve 40. letech 20. století pan Fred Hoyle
2.1.2. Hvězdy, jejich životní cykly, atomy a gravitace
Vraťme se zpět k samotnému počátku zrození hvězdy. Pokud je hvězda gravitačně uzavřený
fúzní reaktor, kolik je nutno stlačit protonů k sobě aby hvězda vznikla? Gravitační síla mezi
dvěma protony je 1036 krát menší než síla elektrická. Ale u velkých objektů, složených s
velkého množství atomů se el. síla téměř vyruší, protože počet e- je roven počtu p+ ale
gravitační síla je vždy kladná. To znamená, že čím hmotnější je objekt tím je gravitace
významnější. Fakt, že je gravitace 1036 krát menší než el. sila u velkých předmětů má za
následek, že jsou hvězdy tak obrovské (například naše Slunce je typická hvězda, která
obsahuje 1057 protonů)
Hvězda je ohromná žhavá koule, která vzniká zhuštěním velkých oblaků plynu. V
mlhovinách můžeme pozorovat velmi mladé hvězdy (zvýrazněno na obrázku).
Obr. [1]
Zárodky hvězd se zde smršťují a produkují stále více tepelné energie díky působení gravitace.
Teplota uvnitř hvězdy stoupá, ve hvězdě započínají termonukleární reakce a hvězda začíná
zářit. Následuje relativně dlouhý klidný život hvězdy, která spaluje svůj vodík. Zakončení
životního cyklu hvězdy bylo popsáno v předešlé kapitole o vzniku prvků. Jen pro
připomenutí, existují zatím 3 známé scénáře zániku hvězd a to jsou: bílý trpaslík, neutronová
hvězda a černá díra. Shrnutí těchto životních cyklů je obsaženo na obrázku 3.2. a na obr. 1.1.
životní cyklus našeho Slunce.
- životní cykly různě hmotných hvězd
– životní cyklus našeho Slunce (každý
usek na obrázku znázorňuje 150 miliónů
let)
2.2. Teorie vzniku planet
Teď, když jsme si vysvětlili co jsou to hvězdy, povíme si něco o objektech, které jsou
s hvězdami úzce spjaty – planety. Astronomové a teoretici mají dvě teorie o jejich vzniku :
1.teorie – blízké setkání hvězd
Tato teorie předpokládá, že vznik planet je důsledek blízkého setkání hvězd či dokonce jejich
kolize. Při takovéto události by se z těchto dvou mohutných objektů uvolnil oblak plynu.
Tento oblak plynu by začal kroužit po orbitě hvězdy a postupem času by vznikla
protoplaneta. Tato teorie není špatná, jenomže kolize či blízké setkání dvou hvězd je ve
vesmíru tak vzácné, že se nedá prohlásit tento proces za hlavního tvůrce hvězd.
2.teorie – kondenzující protohvězda
Tato teorie popisuje proces, který se odehrává těsně po „zažehnutí“ hvězdy. Když ve hvězdě
započínají termonukleární reakce a hvězda začíná zářit, dojde k uvolnění obrovského
množství energie, což má za následek vymrštění zpracované hmoty této hvězdy. Tento
vedlejší produkt vzniku hvězdy vytvoří rotující prstenec (obsahující hvězdný plyn a prach).
Tyto prstence byly pojmenovány protoplanetární disky (zkráceně proplydy). V disku se v
průběhu miliónů let postupně začínají shlukovat a vzájemně srážet drobné částice, což vede
ke vzniku větších těles působících na sebe stále silnější gravitací. Z nich se pak vzájemnými
srážkami formují protoplanety a později vlastní planety.
Z protoplanetárního disku vznikla pravděpodobně i sluneční soustava před více jak 4,6
miliardami let.
Planety v jiných hvězdných soustavách než je naše Sluneční soustava nejdou pozorovat
z důvodu, že mají o několik řádů menší viditelnost než jejich mateřská hvězda. Proto museli
najít vědci důkaz o planetách nepřímou cestou.
Planety působí gravitační silou na svou mateřskou hvězdu. Toto působení má za následek
vychylování pohybu hvězdy.
2.2.1. Dopplerův efekt pro elektromagnetické záření
- působí analogicky jako Dopplerův efekt pro zvukové vlny: zvuk je vyšší pokud se k nám
zdroj přibližuje, slabší pokud se od nás zdroj oddaluje. Pro elektromagnetické záření to
znamená, že když se k nám přibližuje objekt vyzařující toto záření tak dochází ke zkracování
vlnové délky – tzn., že světlo které se k nám dostává je zabarveno do modra (modrý konec
spektra) , zatímco objekt který se od nás oddaluje je zabarvený do červena (červený konec
spectra).
Obr.[2]
První důkazy planety byl u hvězdy Pegasi 51 (která je přibližně stejně velká a hmotná jak
naše Slunce).Byl zde vypozorován zvláštní jev, při pozorování se jevila jako že mění barvy z
červené na modrou a znovu na červenou a znovu modrou. Toto byla jasná známka rotačního
pohybu. Toto byl důkaz „neviditelné planety“ přibližně o stejné velikosti jako Jupiter. Tato
planeta se pohybuje rychlostí 50 km / s, vychylují pohyb hvězdy o 50 m / s, jelikož je Pegasi
51 přibližně 1000x těžší než zmiňovaná planeta.
Toto zjištění znamenalo triumf pro vědu a techniku a tento způsob zjišťování planet se začal
používat i nadále. Roku 1999 byly zjištěny u hvězdy Andromedy nejméně 3 planety velikosti
Jupiteru + zatím nezjistitelné množství menších. Cílem tohoto vědeckého procesu je jednou
vytvořit snímek obíhající planety, což je dnes zatím jen hudba budoucnosti.
2.2.2. Jiné země?
Těmito objevy se astronomové a další začali zajímat o možnost existence planety, která by
byla vhodná pro vznik a existence života. Zatím hledáme planety o podobných podmínkách
jako je naše planeta. Např. přibližně stejná centrální hvězda (jako naše Slunce) a stejná
vzdálenost od hvězdy. Hledáme tyto planety z důvodu, že zatím neznáme jiné podmínky pro
život než jsou ty naše. V budoucnu bychom mohli hledat i jinde.
problém hledání: většinou jsou takovéto soustavy ovlivněné jiným velkým objektem (či
více objekty).Tento fakt je pro vědce frustrující ale hledání i přesto pokračuje.
2.3. Extragalaktická perspektiva
2.3.1. Jiné galaxie
Naše galaxie má diskový tvar, obsahuje 100 miliard hvězd, Slunce je od středu galaxie
vzdáleno 25 000 světelných let a 1 oběh Slunce okolo středu galaxie jí trvá 200 miliónů let.
Galaxie jsou základní prvky velkorozměrového vesmírů (jako hvězdy pro galaxie)
Proč mají galaxie diskový, eliptický nebo amorfní tvar?
Dominantní složkou je zde temná hmota o které toho zatím mnoho nevíme. Kromě toho, že
existuje a působí gravitací o ní nevíme nic. Galaxie nejsou rozesety náhodně. Většinou
vytvářejí shluky, které jsou svázány gravitací. Naší skupině vévodí 2 galaxie – Mléčná dráha
a galaxie v Andromédě.
2.3.2. Velkorozměrová struktura a expanse
Vesmír – někteří vědci dříve tvrdili, že se vesmír skládá z
objektů, které jsou podobjektem něčeho většího a tento
objekt je zase podobjekt něčeho ještě většího (tzn.
fraktálový vesmír)
Obr.4.2 hypotetický fraktálový vesmír
O této teorii dnes již víme že není pravdivá, ve vesmíru nejsou nekonečně velké objekty.
Největší známý objekt je Velká stěna což je krychle o straně 200 mil světelných let. Tento
objekt je dostatečně velký reprezentativní vzorek našeho vesmíru aby nám nebylo líto že větší
objekty vesmír neobsahuje. Jako by tomu bylo v hypotetickém fraktálovém vesmíru.
Obr.4.1 – Velkorozměrové shlukování galaxii: úseky severní a jižní polokoule, které byly
zmapované Anglo-australským teleskopem (jen půlka, protože druhá půlka byl den)
- Dnes jsme schopni pozorovat i objekty pohybující se 90% rychlostí světla.
2.3.3. Teleskopy: ve vesmíru a na povrchu Země
Astroláby, hodiny, dalekohledy – lidské vynálezy minulého století. Optické teleskopy – roku
1980 více jak tucet zrcadel o průměru větším jak 4 metry.
Když byl fotografický film vyměněn za modernější fotoelektronické a mikroelektronické čipy
zlepšila se detekce slabého světla z 1% na 80% (platí zde že čím větší zrcadlo tím více světla
zachytíme a o to nám jde). Nejmohutnější VLT (Very large teleskope) obsahuje 4 teleskopy
které jsou všechny s 8,2 metrovými zrcadli. Tento teleskop se nachází v chilských Andách.
Hubbleoův teleskop (ve vesmíru na oběžné dráze země ve výšce 600km) má zabudované
zrcadlo s průměrem 2,4 metru tedy menší než ve VLT ale jeho umístění ve vesmíru mu dává
značnou výhodu. Tento dalekohled nám v dnešní době poskytuje ty nejkrásnější snímky
našeho viditelného vesmíru. Ve vesmíru na rozdíl od povrchu země se vyskytuje celá
frekvence záření – radiové, rentgenové, ultrafialové atd. Umístění Hubbleova teleskopu nám
poskytuje celkový obraz našeho vesmíru (okem či čočkou jsou tyto frekvence
nepostřehnutelné).
2.3.4. Ohlédnutí daleko zpět
Díky gravitaci, atomům a jader můžeme vypočítat životní cyklus Slunce a hvězd jiných
galaxii. Ale odkud je onen původní vodík? Musíme se vrátit až k prvním minutám vesmírné
historie.
3. Předgalaktická minulost vesmíru
3.1. Předgalaktická historie
Dříve než vznikly galaxie – zpět k horkému počátku evoluce vesmíru (můžeme ho přirovnat
k obrazu právě skončeného ohňostroje). Toužíme si vybarvit bývalou nádheru počátku věků a
to se nám z části povedlo roku 1965 kdy byl zachycen odlesk horkého a hustého počátku
vesmíru. Tato událost je považována za nejdůležitější kosmologickou událost v posledních 50
letech. Dalo to teorii velkého třesku ustálený stav (učinili Arno Penzius a Robert Wilson
v New Jersey)
Mezigalaktický prostor není zcela chladný – zahříván všudypřítomnými mikrovlnami bez
zjevného zdroje. Má intenzitu v různých vlnových délkách zakreslená do grafu,určuje záření
„absolutně černého tělesa“ či „termální křivku“. Lze předpokládat v situaci kdy je radiace
v rovnováze se svým okolím např.: v hlubokém nitru hvězdy nebo ve vysoké peci
1990 John Mathor a kolegové pomocí družice COBE učinili pozoruhodné měření
s odchylkami menšími než je tloušťka samotné křivky grafu (obr 5.1)
Toto měření byl důkaz teorie, že všechno
(veškerý materiál) bylo kdysi jen stlačeným
plynem, žhavějším než jádro Slunce.
Expanze vesmíru záření ochladila, rozředila
a prodloužila jeho vlnovou délku – Ale
prvopočáteční teplo (= dosvit stvoření) je
stále všude kolem nás vyplňující každý cm3
prostoru, protože se nemůže jen tak ztratit.
(tento „dosvit stvoření“ vnímáme jako 1%
z rušení našich TV přijímačů)
Během prvních pár minut byl vesmír
žhavější než velké hvězdy, dostatečně žhavý
na spuštění jaderné fúze. Naštěstí teplota
klesla dřív než se všechen materiál stačil
přeměnit na železo (železo má nejtěsněji
vázané atomové jádra), kdyby teplota klesla
později, nezbylo by žádné palivo pro
pohánění hvězd. Avšak stalo se pouze to, že
se 23% vodíku přeměnilo na helium přičemž
jako meziprodukt vzniklo malé množství
těžkého vodíku (deuteria) – obr.5.2
Tento poměr prvků odpovídá astronomickým měřením. Kromě stopového množství lithia již
Žádné jiné prvky periodické tabulky (např. uhlík, kyslík apod.) – bezprostředně po velkém
třesku nevznikly.
Teplota klesala. Stovky tisíc let trvalo než se vesmír ochladil na teplotu povrchu Slunce.
Teprve poté se volné elektrony a ionty mohli spojit (a spojili se) v neutrální atomy, které již
rozptylovali záření. „Mlha“ se zvedla a vesmír se stal průhledným. Počáteční světlo se
posunulo v „infračervené záření“ a ve vesmíru zavládla „doba temna“ , která trvala dokud se
nezformovali 1. hvězdy. Mlhoviny křižující vesmírem od doby 1 tisíciny současného věku
vesmírů byly přímý „svědci“ éry před vznikem 1. hvězd a galaxii.
3.1.1 Temná hmota
Nevíme jestli je vesmír nekonečný, ale evidentně je nesmírně rozlehlý. Z počátku fáze ohnivé
koule se zrodilo dostatečné množství atomů Vodíku (H) a Hélia (He) na to aby se zformovali
všechny hvězdy a galaxie. V dosahu našich teleskopů je minimálně 1078 atomů.
Záření či fotonů bylo daleko více, asi 2 miliardy fotonů na atom. Po rané fázi zůstalo ještě
něco – záhadná temná hmota. Galaxie a kupy galaxií musí držet něco pohromadě. Něco
s přitažlivostí 5 – 10x větší hmotností než vidíme. Jinak by se galaxie a kupy galaxii
rozpadly. Tento fakt byl potvrzen mnoha pozorováním. Uvedu zde 1 příklad:
Důkaz u diskovité galaxie (př. Mléčná dráha; galaxie v Andromédě): Hvězdy a plyn krouží
kolem středu jádra těchto galaxií rychlostí při níž se odstředivé síly vyrovnají síle gravitační
(směr do středu). Vysoká rychlost mračen napovídá, že existuje více hmoty než kolik víme
(vidíme). Musí být obklopeno několikrát těžším temným halo (galaktické halo je oblast
obklopující spirální galaxie včetně Mléčné dráhy). Nutno zmínit, že hvězdy a plyn v
galaxiích se nepohybují rychleji než jednou tisícinou rychlosti světla.
Temná, skrytá hmota je všudypřítomná v ještě větších měřítkách. Existence temné hmoty je
odvozována na základě aplikace Newtonova gravitačního zákona v obrovských měřítkách.
Vědci mají podezření, že jsme se dostali na scestí. Gravitace je mnohem silnější na větší
vzdálenost než jsme předpokládali. Tento efekt gravitační čočky je důležitý, podpíra se o
jiný důkaz a je založen na Einsteinově fyzice namísto Newtonovy.
Je také nutné zmínit, že 90% vesmíru nebylo doposud vysvětleno. Podezření, že temná
hmota je tvořena částicemi co nám zatím unikají, protože nemají žádný elektrický náboj.
Proniknou skrz naskrz libovolným materiálem téměř bez jakékoliv interakce. (spousta
neověřených teorii...) Snaha vědců je temnou hmotu detekovat, avšak musíme ji ještě
dlouho zkoumat. Je to nutné pro dlouhodobé prognózy budoucnosti vesmíru např. jak se
bude rozpínat.
3.1.2. Úloha gravitace
Gravitace – rozpínání vesmíru –
umocňuje počáteční rozdíly hustoty,
oblast s počáteční větší hustotou
nebo se rozpíná pomaleji je vlivem
větší gravitace více zpomalována.
Intenzita rozpínání je nižší a nižší
dokud se úplně nezastaví. Tímto
vznikne gravitačně svázaný systém.
Díky tomu asi miliardu let po velkém
třesku bylo možné aby vznikly
hvězdy a galaxie.
Astrofyzikové mohou tento proces
sledovat pomocí simulací virtuálních
vesmírů ve svých počítačích, které
ukazují jak se původní entity o mírně
vyšší hustotě vyvinuly působením
gravitace v galaxie, jež se zformovali
do kup. (obr.5.3– 6 filmových
okének, krychle dost velké nato aby
pojaly tucty galaxií, rozpínání se
nebere v potaz = krychle jsou stejně
velké)
Jasně vidíme jak se struktury
rozšiřují a vyvíjejí. Obrázky
znázorňují pouze temnou hmotu
(která má dominantní gravitační vliv)
menší struktury splývají a vytváří
protogalaxie. Plyn by byl vtahován
do těchto shluků temné hmoty
galaktických rozměrů, kde by se
zchladil a zkondenzoval do
„kapiček“ , které by se následně
zformovali ve hvězdy. Nové galaxie by se pak shlukly do kup (filmy tohoto procesu jsou 1016
rychlejší než ve skutečnosti)
Už Newton uvažoval nad vznikem vesmírných struktur. Jeho domněnka, kterou vyslovil
v dopise pro Richarda Bentleye zněla takto: „ Kdyby byla hmota rovnoměrně rozptýlena
napříč nekonečným prostorem… trocha by se zformovala v 1 těleso trocha v 2. a vznikl by
nekonečný počet ohromných těles, jež by byly rozesety po celém nekonečném prostoru
daleko od sebe. Takto se tedy mohlo utvořit Slunce a stálice. Za předpokladu, že hmota by
měla zářivou povahu.“
Počítačové simulace napodobují vlastnosti skutečných galaxií (zadány skutečné rozměry
atomy, kolik galaxií je diskových a kolik eliptických atd.). Předpokládají další důvod, proč
věřit v temnou hmotu: pokud počítáme s tím, že se vše skládá jen z atomů a neexistuje žádná
temná hmota jako zdroj dodatečné gravitace potom výsledek neodpovídá našemu skutečnému
vesmíru.
Jakmile se zformovali hvězdy a planety mohly by následné události (na planetách) mnohem
složitější povahy než cokoliv předtím. Fyzika říká, že žádný „tepelný stroj“ nemůže pracovat
pokud je vše v teplotní rovnováze. Biosféry čerpají energii ze světla centrální soustavy. Tato
energie pohání fotosyntézu a zbytkové teplo je vyzařováno do mrazivého mezihvězdného
prostoru. Biologická evoluce je velmi citlivá vůči změnám – například změny klimatu, dopad
asteroidu, různé epidemie atd. -> mohlo to být všechno jinak a život nemusel na naší planetě
vůbec vzniknout. Totéž platí pro kteroukoli jinou planetu.
„Evoluce“ hvězd a galaxií. Entity které astronomové studují – hvězdy, galaxie apod. – mají
sklon k větší komplexitě a diferenciaci.
3.1.3. Vesmírná textura
Vesmír nevznikl dokonale hladký ani uniformní (kdyby ano nic by nevzniklo, všechno by
bylo rovnoměrně rozeseto po vesmíru (H a He)). Ale díky „růstu kontrastů“, který při
rozpínání způsobuje gravitace, by všechno mohlo změnit i jen nepatrná nerovnoměrnost.
Amplituda těchto nerovnoměrností může být označena číslem Q – energetický rozdíl mezi
nejvyššími a nejnižšími hodnotami hustoty děleným celkovou energií hmoty (Einsteinovo
mc2 ). Q udává měřítko největších struktur ve vesmíru, přičemž vyšší hodnoty Q vedou k
„hrudkovatějšímu“ vesmíru. Počítačové modely ukazují, že Q odpovídajícím současným
galaxiím a kupám musí být asi 0,00001. Takto nízká hodnota znamená, že náš vesmír je tak
hladký jako Země, kdyby její hory či vlny měřily pouze 50 metrů. Tyto nepravidelnosti se
projevují i jinak. Pozadí oblohy je díky nim někde mírně teplejší a někde mírně chladnější.
Satelit COBE zjistil kolísání v rozmezí 1 stotisíciny. Další triumf techniky. Reliktní zařízení o
teplotě menší než 30C nad absolutní nulou je 100x chladnější než Země a její atmosféra,
přičemž družici změřené teplotní rozdíly mezi teplými a studenými částmi oblohy jsou ještě
100 000x menší.
COBE taky potvrdila domněnku o vzniku kosmických struktur v důsledku gravitační
nestability. Ukázala, že horký ranný vesmír byl čeřen vlněním o právě takové amplitudě jaká
podle počítačových modelů vedla k současnému vesmíru.
Tyto fluktuace a specifické složení prvků museli být vtisknuty našemu vesmíru velmi brzy.
Ať způsobilo velký třesk cokoliv, ozvěny či vibrace této události se vesmírem nesou dodnes.
Stále nevíme co ustálilo amplitudu těchto vibrací (= co určilo hodnotu Q)
Ale kdyby byl vesmír hladší či členitější nikdy by nenabídl tak „vlídné prostředí“.
Kdyby bylo Q o mnoho menší než 10 -5 tak by galaktické „ekosystémy“ nikdy nevznikly.
Déle by vznikali seskupení hmoty, a gravitace by byla příliš slabá na to aby udržela plyn.
Hladký kosmos by byl temný a nevýrazný.
Kdyby bylo Q naopak o mnoho větší než 10 -5 tak by byl kosmos neklidný a bouřlivý.
V raném stádiu by se zformovala tělesa daleko větší než galaxie. Nerozdělila by se na
hvězdy, místo toho by se zhroutila a vytvořila gigantické černé díry těžší než celá
současná kupa galaxií. I kdyby se galaxie přece jen zformovaly, hvězdy by byly
natěsnány tak blízko sebe, že každý případný planetární systém by byl brzy rozvrácen
prolétající hvězdou.
3.1.4. Nakolik věrohodná je teorie velkého třesku?
Zatím je to velice věrohodná teorie, i kdyby jen z toho důvodu, že nebyla až do posud
vyvrácena. Kdyby byl objeven objekt jehož obsah helia by byl nulový nebo značně nižší než
23% pro teorii velkého třesku by to mělo fatální následky. Hélium vyprodukované ve
hvězdách by podíl totiž rychle zvýšilo. Zatím nevíme o způsobu jak přeměnit hélium zpátky
na vodík. Pro teorii velkého třesku by mělo taky fatální kdyby bylo naměřeno lišící se
spektrum od obr.5.1
Teorie velkého třesku přežila až do posud. Je tedy na 99% jisté, že při extrapolování vesmírné
historie zpět až k jeho prvním sekundám to platilo tak jak teorie říká.
Obr. 5.4 chronologický přehled znázorňující velký třesk od samotného pořádku (časový
diagram vesmíru)
3.1.5. 3 éry kosmické historie
1. První milisekunda. Zde se v základní fyzice vyskytuje mnoho nejasností, které jsou tím
závažnější, čím více se blížíme k počátku, jelikož se můžeme stále méně opírat o
experimenty.
2. Od milisekundy k několika milionům let. Tato část je snadná. Fyzika je dobře známa a vše
se stále plynule rozpíná. Ovšem jednoduchost končí ve chvíli, kdy zkondenzuje první
struktura.
3. „Nedávný“ vesmír. Tato éra je velkou neznámou. Ne snad proto, že bychom nerozuměli
fyzice, ale ze stejných důvodů, proč jsou složité i ostatní enviromentální vědy jako třeba
meteorologie. Vývoj celé struktury každopádně závisí na tom, jaké podmínky byly nastaveny.
Klíčové údaje jako Q a zastoupení atomů, záření a temné hmoty jsou odkazem exotické a
neurčité fyziky první éry.
3.2. Černé díry - úplný gravitační kolaps
Od počátku vesmíru je vesmír díky gravitaci měně uniformní. Tzn., že vznikají stále větší
kontrasty hustoty a teploty. Nakonec převládne gravitace nad ostatními silami ve hvězdách a
všech větších strukturách (rotace a jaderné energie její vítězství oddalují).
Entity ve kterých gravitace triumfovala nad ostatními silami se nazývají tzv. černé díry. Jejich
zhroucení bylo tak úplné, že z nich neunikne žádné světlo ani jiný signál.
Ale nějakou stopu po sobě přece jenom zanechávají – deformace času a prostoru, jež
„zamrzly“ v místě, jež opustily. (Cokoliv zde uvízne v čase).
Ruští teoretikové Jakov Zeldovič a Igor Novikov, kteří studovali deformaci času poblíž
zhroucených objektů, dali těmto objektům název „zamrzlé hvězdy“.
Černé díry, nejpozoruhodnější důsledek Einsteinovi teorie, nejsou pouze teoretické. V naší
Mléčné dráze existuje ohromné množství pozůstatků hvězd, které vážili několikanásobně více
než naše Slunce. Ve středech galaxií existují i větší exempláře. Poblíž našeho galaktického
jádra obíhají hvězdy 10x rychleji než v ostatních částech galaxie. Zblízka na ně působí
gravitace temného objektu, pravděpodobně černá díra o hmotnosti 2,6 miliónů Sluncí.
Prozrazuje je jejich ohromná přitažlivá síla, která způsobuje velmi rychlý pohyb okolních
hvězd a plynu. Černé díry patří k nejexotičtějším, přesto však k nejlépe poznaným entitám ve
vesmíru. Stavební materiál je prostor samotný a z hlediska struktury jsou stejně prosté jako
elementární částice. Nově zformované hvězdy se rychle ustáli ve svém standardizovaném
stacionárním stavu, charakterizovatelným pouze 2 čísly - hmotnost a rotace (teoreticky 3. co
udává jeho elektrický náboj, který by byl při skutečných kolapsech relevantní). Deformovaný
prostor a čas okolo Černé díry je přesně charakterizován řešením rovnic Einsteinovy obecné
relativity s niž 1. přišel v roce 1963 Roy Kerr. Obecně se makroskopické objekty při bližším
pohledu jeví více a více komplikované. Nemůžeme vysvětlit každý detail, ovšem černá díra je
výjimka potvrzující pravidlo. Při pohledu z vnějšku nelze pozorovat jak se daná černá díra
zformovala či jaké objekty již pohltila. Na indického astrofyzika Subrahmanyana
Chandrasekhara toto hluboce zapůsobilo: „V celém svém vědeckém životě mnou nejvíc
otřáslo poznání, že přesné řešení Einsteinových rovnic obecné relativity, které nalezl
novozélandský matematik Roy Kerr, s naprostou přesností popisují ohromná počet masivních
černých děr, jež se nacházejí ve vesmíru.“ Roger Penros, teoretik, poznamenal:“Je ironií, že
nejpodivnější a nejcizejší astrofyzikální objekt – černá díra – je teoreticky úplně popsán.“
Objev černých děr vedl k nejpozoruhodnějšímu testování důsledků Einsteinovy teorie.
Ambiciózní projekt NASA s názvem
Terrestrial Planet Finder – soustava
zrcadel ve vesmíru – schopna nalézat
planety pozemského typu obíhajících
okolo jiných hvězd. Až bude tento objev
učiněn, další cíl NASA by mohl být
vyfotografování vířícího plynu který je
vtahován do černé díry. (obr.6.1. umělecké ztvárnění takového)
Černé díry jsou v popředí zájmu
astronomů, protože proudění hmoty,
magnetického pole okolo vytváří jedny
z nejspektakulárnějších pyrotechnických
efektů ve vesmíru. Každou černou díru
obklopuje horizont zastírající pohled do nitra, kde neunikne ani světlo. Velikost černé díry je
přímo úměrné její hmotnosti. Kdyby se Slunce přeměnilo na černou díru mělo by poloměr
pouhé 3 kilometry . Ale některé supermasivní černé díry jsou velké jako naše celá Sluneční
soustava.
Kdybychom spadli do černé díry, několik hodin by jste strávili pohodlným pozorováním
cestou do středu kde by vás roztrhali rostoucí slapové síly. Přímo uprostřed by vaše
pozůstatky narazily na singularitu, kde fyzika přesahuje naše poznatky. Tato fyzika, která je
zapotřebí je stejná jako ta, která ovládala 1. okamžiky bezprostředně po velkém třesku.
4. Budoucnost vesmíru
4.1. Zpomalování, či zrychlování?
Dlouhodobá předpověď vesmíru?
Za 5 miliard let zanikne Slunce, tím i Země a taky za 5 miliard let plus minus miliarda let
“narazí do naší galaxie, galaxie v Andromedě”. Bude se ale vesmír rozpínat do nekonečna?
Nebo se vesmír zbortí zpět ve velký křach?
Obr.7.1 – 3 možné trajektorie galaxií ve vzdálené budoucnosti.
Odpověď záleží na zpomalování rozpínání vesmíru – to závisí na temné hmotě (kterou
musíme lépe poznat). Domníváme se, že Temná hmota je pravděpodobně hmota tvořena
neznámými částicemi bez el. náboje, který přetrval z éry raného vesmíru. Je to důležité,
jelikož je to jeden z faktorů na kterém závisí osud našeho vesmíru.
Ω - (omega) – číslo vyjadřující průměrnou hustotu vesmíru dělenou kritickou hustotou
( kritická hustota vesmíru je 5 atomů na m3 ). Kdyby Ω > 1, gravitace by mohla nakonec vést
k zpětnému zhroucení. Podle našich znalostí se běžné atomy podílejí na kritické hustotě z 4%
(Ω=0,04). Temná hmota přispívá 5 – 10x větší mírou, stále nečiní více jak 0,3 hustoty
potřebné k zastavení rozpínání. To svědčí o tom, že vesmír nezpomaluje dostatečně na to aby
se vůbec kdy zastavil.
4.1.1. Zrychlování?
Jiný způsob předpovědi je prostější – porovnání tempa rozpínání před několika miliardami let
a dnes plus následná extrapolace budoucího trendu. Je to možné, protože rudý posuv nám říká
jak rychle se objekty pohybovali v době když vyzařovali světlo, které jsme schopni vidět
dnes. Problém: nutnost dostatečně jasných objektů a dostatečně vzdálených. Galaxie jsou na
toto špatní kandidáti, protože jsou příliš proměnlivé (hvězdy vznikají, zanikají apod.)
Nejvhodnějším „majákem“ pro pozorování jsou Supernovy, které vznikají jadernou explozí
tzn. typ supernovy 1A. V podstatě jsou to termojaderné bomby, neboli explodující hvězdy se
standardizovanou hodnotou uvolněné energie.
První výsledek 1998 – rozruch, nepotvrdili tím zpomalování Ω = 1 (logicky, nebylo to
překvapením) ale překvapením však nepochybně bylo to, že rozpínání se nejspíš naopak
zrychluje či akceleruje.
4.1.1.1. Akcelerace
Implikuje působení další kosmické síly – jakési vesmírné odpuzování, které převažuje nad
gravitací. Toto zjištění nebylo nic nového. 1917 Albert Einstein sice předpokládal, že se
vesmír nerozpíná ale uvědomil si, že v takovém stavu nemůže zůstat není-li gravitace
vyvažována jinou silou. Do svých rovnic zapracoval další číslo, které nazval “kosmologickou
konstantou” značené písmenem λ (lambda) – tím se zrodila odpudivá síla – jakási
„antigravitace“ -> připouštěla existenci statického vesmíru, jenž byl konečný ale bez hranic.
Paprsek světla v Einsteinově vesmíru, který by jste vyslali by se vám vrátil a udeřil by vás do
zátylku. Později Einstein označil λ jako svůj největší omyl, protože kdyby s touhle konstantou
nepřišel mohl předpovědět rozpínání vesmíru ještě před objevem Edwina Hubblea v roce
1929.
Z moderního pohledu se neptáme zda je λ důvěryhodná či ne, spíše si lámeme hlavu proč je
její hodnota tak malá. Pokud prázdný prostor skutečně obsahuje energii, která se rovná
hmotnosti (v Einsteinově rovnici E = mc2 ) proč má rozpínání vesmíru opační účinek než
atomy, záření, temná hmota, které expanzi naopak zpomalují? Odpověď závisí na jedné,
nikoliv zřejmě vlastnosti Einsteinovy teorie podle rovnic obecné relativity gravitace nezávisí
pouze na energii (a hmotě), ale rovněž na tlaku.
Vakuum má vlastnost, že pokud je energie pozitivní tak je tlak negativní. Vyznačuje se
„tenzí“ jako stlačená guma. To znamená, že výsledný efekt energie vakua je zrychlování
expanze. Vyznačuje se ohromným negativním tlakem, tudíž netáhne, nýbrž tlačí.
Pokud λ představuje energii skrytou v prostoru, která je vytvářena komplikovanou strukturou
v subatomárních měřítkách pak nejlepší odkaz praví, že by měla vyvolávat 10120 silnější
odpuzování než jaké je nyní připisováno.
Teorie zvaná „inflace“ popisuje, že ve velmi raném vesmíru tato síla zvaná odpudivá síla
skutečně existovala. Pokud je to pravda, jak by mohla být „vypnuta“ (či neutralizována s tak
ohromující přesností)? Většina vědců pojala v podezření, že nějaký neznámy proces vedl
k výsledné nulové energii vakua (stejně jako např. u celkového el. náboje)
Nedávné výzkumy prokázali že λ ≠ 0 ale je stále velmi nízká.
Proč? Muselo dojít k impozantní anulaci, která byla natolik přesná, že vyústila ve 119 nul
v řadě za desetinou čárkou. Proč né třeba 120 nebo více?
Jiná teorie říká že, odpuzování nemá na svědomí vakuum, ale že ve vesmíru existuje
všudypřítomné fluidum s negativním tlakem, které je skutečným zdrojem odpudívé síly, které
se při rozpínaní tak rozptýlilo a prořídlo, že má dnes velice slabý účinek. Tato záhadná
substance dostala přezdívku „kvintesence“.
4.1.2. Důkazy pro „plochost“ souhlasná měření našeho vesmíru
I další údaje, nezávislé na zrychlování vesmíru založeného podle supernov typu 1A potvrzují
existenci λ či kvintesence. Výsledkem měření „dosvitu“ velkého třesku: nerovnoměrně
rozprostřeno.
Teorie: existuje vlnová délka, na níž by fluktuace (akustické vibrace vesmíru) byly
maximální. Jak velké se tyto vlny na obloze jeví závisí na geometrii vesmíru tzn., že závisí na
celkové hmotě a energii.
Obr.7.2. - amplituda různých kmitočtových modů raného vesmíru: malé úhly napravo, velké
(nižší harmonické) nalevo. Přesnost je více než 10% (měřeno na Antarktidě a ve
vysokohorských oblastech)
Výsledky těchto měření byl tzn. „plochý“ vesmír: Vztah mezi vzdáleností a úhly je stejný
jako v euklidovském prostoru.
To bychom předpokládali kdyby množství temné hmoty stačilo na Ω =1. Ale jak již víme
Ω = 0,3 (pokud ve vesmíru není jiná energie), což znamená, že by měl být úhel 2x menší
což je v rozporu s pozorováním. Nicméně pokud se energie vakua (lambda) či λ (kvintesence)
podílí na zbývajících 7/10 dostaneme se do souladu s získanými údaji. I takové exotické
formy energie mohou modifikovat geometrii vesmíru a učinit jej plochým. Jelikož přispívají
k negativnímu tlaku (i když mají pozitivní energii) jsou zdrojem antigravitace (kosmického
odpuzování), a mohou stát v pozadí důkazu zrychlování expanze (jenž je založeno na
supernovách)
Mezi roky 1998 – 2000 byly výsledky nezávislých metod měření klíčových charakteristik,
které popisují náš vesmír, pozoruhodně shodující. Zdá se, že vesmír je plochý. Jeho obsah je
však směsicí prapodivných ingrediencí. Běžné atomy (Baryony), což jsou hvězdy, mlhoviny,
plyn, se podílejí na celkové hmotnosti (energii) z pouhých 4%. Temná hmota z 30% a temná
energie zbytek (tzn. asi 66%). Rozpínání se zrychluje, protože převládá složka: temná energie
(s negativním tlakem)
Ze všech atomů je asi ½ v galaxiích a zbytek je rozptýlen napříč mezigalaktickým prostorem.
Nejviditelnější objekty (hvězdy a zářící plyn v galaxiích ) tvoří pouze 2% z celkové
hmoty(energie).
4.2. Dlouhodobá budoucnost
4.2.1. Temnější budoucnost
Za 5 miliard let až naše Slunce zanikne, budou galaxie navzájem ještě vzdálenější a méně
svítivé, starší a k vzniku nových hvězd bude méně plynu. Zanikne život nebo převládne
natolik, že bude ovlivňovat chod celého vesmíru?(druhá možnost zní spíše jako scénář
z nějakého sci-fi filmu).
Navzdory těmto nepředvídatelným okolnostem můžeme vytvořit předběžný hrubý
dlouhodobý odhad vývoje charakteristik vesmíru. Zdá se, že je odsouzen k rozpínání a pokud
se současné poznatky potvrdí tak i k zrychlování. Nakonec vychladnou i ty nejpomaleji hořící
hvězdy a všechny galaxie naší místní skupiny (Mléčná dráha, Andromeda a tucty dalších
menších galaxií) splynou v 1 soustavu. Většina původního plynu bude přetaveno na
pozůstatky hvězd, část uvězněného v černých dírách a zbytek budou tvořit chladné
neutronové hvězdy nebo bílí trpaslíci.
V ještě vzdálenější budoucnosti si přijdou na své úkazy, příliš vzácné na to abychom je měli
dnes možnost zaznamenat, např.: srážky hvězd. Hvězdy jsou rozesety velice řídce. Galaxie
v závěrečném stádiu sem tam osvětlí, když dojde pravě ke srážce mezi dvěma mrtvými
hvězdami.
Další velmi pomalý proces je gravitační záření, což je jemné čeření prostoru, vyvoláváno
jakýmkoliv velkým objektem, který se pohybuje a mění tvar. Tyto gravitační vlny z něj
odčerpávají energii. Vliv sotva postřehnutelný. Ale za dostatečný čas však nakonec „obrousí“
všechny hvězdné i planetární orbity.
Nakonec se rozpadnou i černé díry. Působením kvantových efektů je povrch černých děr
mírně rozostřený, což má za důsledek to, že vydává záření. Tento efekt by byl dnes
významný, kdyby se v něm nacházeli minidíry o velikosti jednoho atomu. Takovéto černé
díry by vyzařováním radiace a částic erodovaly. Čím menší tím vyzařování silnější a
energetičtější až by nakonec explodovaly a zanikly. Ale pravděpodobné minidíry neexistují.
Pokud by měli vzniknout dnes: musel by být asteroid o kilometrovém průměru (nebo
podobně hmotné těleso) stlačen na velikost atomového jádra.
Vypařování černých děr jako kvantový proces má pro velké díry mnohem menší význam. Čas
k erodování černých děr závisí na její hmotnosti. Černé díry o hmotnosti hvězdy žijí
průměrně 10 66 let. Ale ty největší (hmotné jako miliarda Sluncí) by se vypařili až by uběhlo
10100 let.
Asymptotická budoucnost života
- 2 nedávné změny – ještě chmurnější budoucnost
1) většina fyziků se domnívá, že atomy nežijí věčně. Proto bílí trpaslíci a neutronové hvězdy
zřejmě za 10 35 let podlehnou erozi.
2) nevíme co se nakonec stane s kvintesencí – záhadnou energií prostoru, která pohání
akceleraci vesmírného rozpínání. Tato energie by se mohla přeměnit na nový druh částic.
Kdyby tato konverze proběhla hladce tak by zavládla ve vesmíru absolutní tma. Ale zbytková
energie by se mohla rozpadat v bublinách, jejíž povrchy by do sebe narážely. Zde by se
atomy možná i regenerovaly.
Ale navzdory těmto předpovědím naše potomky zřejmě čeká věčná budoucnost
(nepočítáme-li různé pády meteoritů a ostatních vnějších jevů).
Vraťme se nyní zpět k samotnému počátku vesmíru a pokusíme se vysvětlit problematiku
nejasnosti této doby.
5. Zpět k první milisekundě
5.1. Jak to všechno začalo: První milisekunda
Dnes již dokážeme nastínit všechno až k první sekundě velkého třesku. Ale proč byl vesmír
ve věku pouhých několika sekund nastaven na rozpínání určitým tempem a s určitým podílem
různých ingrediencí?
Recept, který popisuje náš vesmír starý 1 sekundu, je dostatečně jednoduchý na to aby jej
bylo možno shrnout do několika bodů:
1. Vzájemný poměr běžných atomů, temné hmoty a záření
2. Rychlost rozpínání vesmíru
3. Jak hladké je rozpínání – v podstatě hodnota čísla Q (určující texturu a měřítko struktur)
4. Základní vlastnosti atomů a atomových jader
Toto je výsledkem toho co se odehrálo ještě dříve v prvním nepatrném zlomku sekundy
existence vesmíru. Z jistotou se nemůžeme vrátit až k prvním sekundám vesmírné expanze.
Jediné prostředky, které nám napomáhají tomuto okamžiku porozumět jsou fosílie této éry:
Reliktní záření, hélium a deuterium
Jdeme-li ještě blíže k počátku nabývají podmínky extrémnější a neznámější povahy. Prvních
10-5 sekund byl materiál hustší než atomové jádro, protony a neutrony se prakticky rozpadly
na samostatné kvarky.
V CERNu napodobili tyto podmínky v miniaturních měřítkách prostřednictvím uměle
vyvolané srážky atomových jader olova a zlata, urychlených téměř na rychlost světla.
Ještě blíže k počátku je energie a hmota natolik extrémní, že experimenty poskytují ještě
chatrnější oporu. Teorie popisující tento raný vesmír jsou velmi provizorní. Přesto jsme
učinili ohromný pokrok a posunuli hranici známého počátku zase o něco více nazpět.
Nepřekonatelnou mez jakékoliv spolehlivé zpětné extrapolace stanovuje kvantová teorie.
Základní hypotéza této teorie je Heisenbergův princip neurčitosti, který říká: „čím přesněji
chcete něco lokalizovat či naměřit tím energetičtější jsou kvanta (balíčky energie), která
k tomu potřebujeme. Existuje určitý limit, kdy je energie tak koncentrována, že hrozí imploze
do černé díry -> tzv. Planckova délka s hodnotou 10-35 m -> 1019 x menší než proton -> tato
délka dělená rychlostí světla, vymezuje nejmenší změřitelný časový interval tzv. Planckův
čas – asi 10-44 sekund
V první biliontině sekundy by každá částice nesla více energie než jakou dokáží udělit
nejvýkonnější urychlovače. Ovšem jedna biliontina sekundy překračuje Planckův čas více než
1030 krát. Tudíž existuje mnoho logaritmických dekád času, během nichž je mikrofyzika
v důsledku vysokých energií a hustot nejistá ale zároveň nepanují tak extrémní podmínky
abychom si dělali starosti s kvantovou gravitací a možná s nespojitou strukturou času a
prostoru.
Věříme, že některé z tvořivých procesů v našem vesmíru se udály v době stomilionkrát starší
než Planckův čas, avšak měli za sebou stále pouze 10-36 sekund. Právě tehdy se ustanovil
poměr atomů a záření (nejpočetnější entity ve vesmíru – fotony – tvoří zbytkové teplo po
velkém třesku. Atomy – základní stavební prvek nás, planet, hvězd, galaxií atd. – jsou i přesto
2-miliardkrát méně početné než fotony.) Ale je tu otázka a zároveň překvapení : Jakto, že zde
není pouze záření? Jakto, že atomy existují? Kdybychom chtěli namíchat nejjednoduší
vesmír: vzali bychom stejné množství hmoty a antihmoty, tolik protonů jako antiprotonů,
kvarku a antikvarků ale v takovém vesmíru se veškerá hmota a antihmota anihiluje a přemění
v záření (převážně gama).
Co umožnilo existenci alespoň nějaké hmoty, nikoliv však antihmoty?
Odpověď vychází z myšlenek (disidenta Andreje Sacharova) doplněnými experimentálními
důkazy, že hmota a antihmota nejsou svými přesnými zrcadlovými obrazy.
V raných fázích kosmické expanze tato asymetrie zvýhodňovala mírně hmotu před
antihmotou. Díky tomuto rozdílu (na 9. desetinném místě) vděčíme za svou vlastní existenci.
Na každou miliardu anihilovaných párů (jež se přeměnily na fotony) zůstal jeden přebytečný
kvark.
Oproti elektrickému náboji 1 důležitý rozdíl: kladně nabitá částice vytvářena přesně nabitou
částicí záporně. Ovšem počet baryonů – počet protonů mínus počet antiprotonů – není stále
stejný. Tato převaha byla ustanovena v ranném vesmíru. Ovšem za vše se platí nějaká daň.
Jelikož počet protonů není zachován, mohou se rozpadnout, aniž by anihilovali s nějakou
antičásticí. Problém kterým budou čelit naši potomci za 1035 let (když protony podlehnou
erozi)
Běžně se předpokládá, že má hmota navch nad antihmotou všude ve vesmíru, ale jsou
důkazy? Antihmota může přetrvat jen když je důsledně oddělena od normální hmoty (jinak
anihiluje a přemění se na záření (hlavně paprsky gama) ) . Vesmír může být plný „panství“
hmoty a antihmoty, které sou rozděleny na škálách větších než stovky miliónů světelných let.
5.1.1. Proč rozpínání?
Víme, že vesmír je jakási směs atomů (baryonů) a záření. Ale jedna otázka zbývá stále ještě
nezodpovězena: Jak vůbec vesmír vznikl a proč se rozpíná tak jak se rozpíná?
Na začátek můžeme s jistotou prohlásit, že velký třesk nebyla exploze, neboť definice
exploze zní : „Vyvrhnutí materiálu do prostoru kde je tlak nižší při působení vnitřního tlaku.“
Tzn., že exploze je vyrovnávání tlaku.
V raném vesmíru byl tlak všude stejný – žádné prázdné vnější okolí neexistovalo. Navíc
gravitace vyvolané tlakem a tep. E. naopak explozi ještě zpomalovalo.
Potřebujeme vysvětlení toho co třesklo a proč to třesklo.
Příprava na rozpínání vesmíru :
Trajektorie závisí na počátečním
impulzu.
- moc prudký – příliš energetická
expanze -> gravitace by nebyla
schopna soustředit materiál a tím
pádem by nevznikly žádné hvězdy
apod.
- moc malý podnět – předčasný
velký krach by evoluci zarazil hned
v zárodku.
Tehdy, jednu sekundu po začátku se kinetická a gravitační energie musela lišit nejméně o 1
biliardtinu (1 / 1015 )
Proč je náš vesmír tak rozsáhlý? A jakto, že se vůbec rozpíná? Nejpřijatelnější a
nejvěrohodnější teorie je zatím tzv. inflační fáze.
Podle této teorie všechno co dnes pozorujeme mělo mikroskopické rozměry nebyly
dominantním materiálem, nýbrž koncentrovaná temná energie skytá v původním prostoru.
Vlastnosti této teorie: Vyvolává negativní gravitaci – odtlačuje namísto přitahování stejně
jako velmi velká λ převládla tato temná energie nad gravitací a vyvolala antigravitaci
(kosmické odpuzování). Expanze narůstala exponenciálně (2, 4, 8, 16…). Potom se bouřlivá
expanze zastavila. Část temné energie se přeměnila na běžnou energii a ta se přeměnila na
teplo žhavé prvopočáteční ohnivé koule a dále následuje už pro nás známé rozpínání.
Během asi 10-36 sekundy (biliontiny biliontiny biliontiny sekundy) mohl mikroskopický bod
expandovat do rozměrů, který obsáhl vše co dnes vidíme a nastolit jemnou rovnováhu mezi
gravitační a kinetickou energii.
Možná to trvalo dlouho, než fáze exponenciálního rozpínání skončilo – tzv. problém
„elegantního ukončení“.
Vesmír se nakonec napnul tak, že je zcela plochý. Vesmír má vlastnost „plochost“.
V plochém vesmíru existuje vztah mezi úhlovými rozměry vzdálených objektů a jejich
vzdáleností od nás.
Mechanismus, který poháněl inflaci, je totožný s tím, který způsobuje akceleraci rozpínání až
na to, že odpudivá síla byla 10120 větší.
Je možné, že když začala inflace, pokračovala tak dlouho, že plochá oblast se rozprostřela
mnohem dále, než je současný rozměr 10 miliard světelných let našeho vesmíru. Rozdíl 1060
mezi Plackovou délkou a rozměrem našeho horizontu je obrovské množství prostoru. Není
tedy pochyb, že zde vzniklo určitě několik biosfér jako našich a dokonce miliardy galaxií,
které leží v dosahu našich teleskopů.
A co víc – takto obrovský vesmír nemusí být vše. Některé teorie tvrdí, že velký třesk nebyl
jediný. Prostor se rozpíná tak rychle, že je tady dostatek „místa“ k započetí série velkých
třesků. Vědci se rozhodli držet se teorie inflace do té doby dokud někdo nepřijde s nějakou
lepší teorii.
Proto je potřeba nových myšlenek. Začala bitva teorií, v budoucnu se snad dočkáme
konečného vítěze.
6. Zhodnocení práce
Cílem práce bylo popsat vývoj prvků, objektů a různých systémů ve vesmíru. Dále byl cíl
práce seznámit veřejnost s fyzikálními pravidly a principy našeho vesmíru a uvedení do
problematiky nejasnosti samotného počátku vesmíru. Práce byla sepsána takovým
způsobem aby jí porozuměl i člověk, který toho o vesmíru jako takovém mnoho neví.
Na závěr přikládám seznam zdrojů.
7. Seznam zdrojů
Literatura:
“Rees, Martin J. (2002). Náš neobyčejný vesmír. Praha : Dokořán.“
“Teilhard de Chardin, Pierre. (1990). Vesmír a lidstvo. Praha : Vyšehrad.“
“Kelczek, Josip. (2002). Velká encyklopedie vesmíru. Praha : Academia.“
Obrázky z internetu:
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Eagle_nebula_pillars.jpg
[2] http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Redshift_blueshift.svg