Każdą historię chyba najlepiej zacząć od samego początku. A trudno o bardziej znaczący początek niż sam Wielki Wybuch, moment w którym narodził się wszechświat.

Miał on miejsce prawie 14 miliardów lat temu, trzeba przyznać, że to znaczny okres czasu. Jednak patrząc z perspektywy tego, ile wszechświat będzie jeszcze istniał, nie jest to wcale tak dużo.

Ale na razie skupmy się na początku. Istnieje wiele ciekawych pytań: Jak powstał wszechświat? Jak ewoluował? Skąd wzięły się gwiazdy? A skąd planety? Zadziwiające jest to, że dzisiejsza nauka na wiele z nich daje konkretną odpowiedź.

Ten tekst, będzie punktem wyjścia do rozważań o ewolucji wszechświata.

Teoria Wielkiego Wybuchu jest uważana przez środowisko naukowe, jako coś pewnego. Warto dowiedzieć się dlaczego tak jest. Skąd wiadomo, że Wielki Wybuch rzeczywiście nastąpił?

Rozszerzający się Wszechświat

Jest rok 1923. Pewien amerykański prawnik, sportowiec, a przede wszystkim astronom - Edwin Hubble, kieruje swój teleskop na obiekt, zwany w tych czasach jako Wielka Mgławica Andromedy.

Trzeba wiedzieć, że wiedza astronomiczna na początku 20 wieku nie była zbyt imponująca. Przynajmniej patrząc z naszej perspektywy.

Uważano, że wszystkie obiekty widoczne na niebie znajdują się naszej galaktyce - Drodze Mlecznej. A ta, jest jedyną we wszechświecie. Pozą nią istniała tylko pusta przestrzeń. Obiekty takie jak Wielka Mgławica Andromedy postrzegano jako obłoki gazu, unoszące się gdzieś w przestrzeni międzygwiezdnej.

Hubble miał inne zdanie. Podejrzewał, że ta niezbyt jasna rozmazana plamka, ledwo widoczna na nocnym niebie może być galaktyką. Podobną do naszej. Tylko znajdującą się znacznie dalej. Niestety same podejrzenia to za mało, potrzebował jeszcze dowodu.

Ówczesne teleskopy były zbyt słabe, by rozróżnić pojedyncze gwiazdy w odległej galaktyce. Także w dzisiejszych czasach taka obserwacja jest niezwykle trudna. Dlatego dość naturalnym rozwiązaniem wydaje się pomiar odległości. Mierzymy jak daleko obserwowany obiekt się znajduje i określamy czy mieści się w granicach naszej galaktyki czy nie.

Jak to zrobić? Hubble wykorzystał do tego obiekty, które nazywamy świecami standardowymi. Zwykle są to gwiazdy, o znanej oraz stałej jasności. Coś jak żarówka, której moc znamy. Każda tego samego typu żarówka świeci tak samo.

100 watowa żarówka widziana z bliska, daje po oczach. Ale widoczna z odległości kilometra, staje się ledwo widocznym punktem. Na podstawie tego, jaką pozorną jasność takiej żarówki obserwujemy, możemy dość precyzyjnie ustalić jej odległość od nas.

Ta sama historia jest z gwiazdami. Jeśli znamy absolutną jasność gwiazdy, to łatwo obliczyć odległość do niej.

Problem jest jeden, trzeba wypatrywać klasy gwiazd, co do których jasności jesteśmy pewni. Hubble znalazł takie, a właściwie wykorzystał coś co zostało już odnalezione wcześniej.

Cefeidy, to sporawe gwiazdy, które okresowo zmieniają jasność. Pełen cykl trwa od 1 do 50 dni. U jaśniejszych cefeid cykl ten trwa długo, podczas gdy słabszych krócej. Znając okres, pozorną jasność oraz odległość (obliczoną dla gwiazd w naszej galaktyce), można ustalić pewien punkt odniesienia i wykorzystać go do pomiaru odległości do takiej gwiazdy. Brzmi skomplikowanie. I takie jest.

Taka trochę większa stuwatowa żarówka. Tak naprawdę, to znacznie większa, cefeidy w szczytowym momencie mogą świecić nawet 10 tysięcy razy mocniej niż Słońce.

Pozwala to prowadzić ich obserwacje nawet w pobliskich galaktykach. I to właśnie zrobił Hubble.

Dodał dwa, odjął trzy, cztery w pamięci, oraz wykonał parę równie prostych obliczeń i co wyszło?

Mgławica Andromedy była o wiele dalej niż ktokolwiek mógł wcześniej przypuszczać. Stało się jasne, że nie może znajdować się w naszej galaktyce. Tylko daleko poza nią.

Zmiany wymagała także nazwa, od tej pory obiekt ten nazywamy Galaktyką Andromedy, swoją drogą, to nasza najbliższa galaktyczna sąsiadka.

Później wszystko potoczyło się szybko. Odkryto wiele innych galaktyk. A status naszej galaktyki został zdegradowany, nie była jedyną, tylko jedną z setek miliardów. W ciągu kilku lat nasz wszechświat powiększył się zdecydowanie.

Okresowe zmiany jasności cefeidy RS Puppis.

No dobra, ale co to ma do Wielkiego Wybuchu?

Wróćmy do Hubble`a. Nie spoczął na laurach, chciał wiedzieć trochę więcej. Czy galaktyki się poruszają? Jeśli tak, to jak szybko i w którą stronę?

Przez długi czas, wraz ze swoimi asystentami prowadził obserwacje. Zauważył pewną zależność. Otóż prawie wszystkie galaktyki oddalają się od nas. Może nie tyle od nas, tylko każda od każdej.

Co więcej, im dalej jakaś galaktyka się znajdowała, tym szybciej uciekała od pozostałych.

Wnioski prosto wyciągnąć. Wszechświat się rozszerza. Skoro wszystko się od siebie oddala, to kiedyś musiało się znajdować bardzo blisko siebie. Innymi słowy, miał wtedy miejsce Wielki Wybuch.

Mamy pierwszy dowód na prawdziwość teorii Wielkiego Wybuchu. Ważny ale nie jedyny.

Kosmiczne promieniowanie tła

Co to takiego? Jest to promieniowanie elektromagnetyczne które w dość jednorodny sposób wypełnia cały wszechświat. Zostało one – jak wiele ważnych odkryć w fizyce – przewidziane najpierw teoretycznie, a dopiero po wielu latach, faktycznie wykryte.

Tutaj sprawa jest nieco bardziej skomplikowana

W 1931 roku rosyjski fizyk George Gamow udał się do Ameryki, by tam kontynuować swoją karierę naukową. Miał dość szerokie zainteresowania, ale największą sławę przyniosły mu osiągnięcia w dziedzinie kosmologii.

W tamtych czasach teoria Wielkiego Wybuchu była dość świeża. Minęło dopiero 5 lat od momentu kiedy odkryto, że galaktyki mają tendencje do oddalania się od siebie. Większość naukowców akceptowała pogląd, że wszechświat powstał w wyniku gigantycznej eksplozji, w dość jasny sposób wynikało to z poprzedniego odkrycia. Mimo to, nikt nie starał się bardzo zagłębiać w temat. Wybuchło to wybuchło, po co dalej drążyć :)? Nie wiadomo dokładnie z czego taka postawa mogła wynikać. Chyba nikt po prostu nie wierzył, że można na ten temat coś więcej powiedzieć.

Gamowa interesowała kwestia istnienia pierwiastków. Skąd się one wzięły? Wiedziano już co nieco na temat reakcji jądrowych. W 1932 roku dokonano pierwszego sztucznego rozczepienia atomu. Wiadomo było, że atomy składają się z protonów, neutronów i elektronów. Pod wpływem działania dużej energii, zdolnej pokonać siły jądrowe, można w sztuczny sposób doprowadzić do zmiany jednego pierwiastka w drugi: do jego rozpadu, lub do fuzji, czyli połączenia lżejszych pierwiastków w cięższy. Kiedyś alchemicy szukali kamienia filozoficznego dzięki któremu mogliby zamienić ołów w złoto. Dziś już istnieje takie urządzenie, nazywa się reaktor jądrowy. Niestety koszty wykonania sztucznej reakcji jądrowej są dość wysokie. W praktyce jest to zamiana złota, w mniej złota.

Gamow domyślał się, że podobny proces, jaki zachodzi w reaktorach jądrowych, mógł mieć miejsce także w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu.

Załóżmy, że przestrzeń wypełniona jest swobodnymi protonami i elektronami, poruszającymi się z niewielką prędkością. Jedyny pierwiastek jaki może powstać samoczynnie z tych składników to wodór. Protony (o dodatnim ładunku elektrycznym) przejmują ujemnie naładowane elektrony. Ładunki różnoimienne się przyciągają.

Prosta sprawa, wytłumaczyliśmy jak powstał wodór. Jednak nie jest to jedyny pierwiastek obecny we wszechświecie. Skąd się wzięła reszta?

W ziemskich warunkach potrafimy z wodoru otrzymać hel. Wodór ma jeden proton, hel dwa. Niestety jeśli zbliżymy dwa atomy wodoru do siebie, to nie powstanie hel. Jądra atomowe wodoru, zbliżone do siebie, odpychają się. Mają przecież takie same, dodatnie ładunki elektryczne.

Trzeba im nieco pomóc, w praktyce trzeba nadać atomom wodoru bardzo wysoką prędkość i zderzyć je ze sobą. Impet uderzenia przełamie barierę siły elektromagnetycznej. Jądra (protony) zbliżą się do siebie na tyle, by mogły je związać siły jądrowe. Silniejsze niż elektryczne, ale działające na niewielkich dystansach. Natomiast elektrony podzielą się wspólną orbitą. Powstał nam atom helu, o dwóch protonach.

Czyli utworzenie cięższych pierwiastków jest możliwe, tylko wymaga dużej energii (prędkości atomów), którą utożsamiamy z wysoką temperaturą.

Analogicznie możliwe jest powstanie jeszcze cięższych pierwiastków, zderzając ze sobą lżejsze.

Jaki z tego wniosek? Skoro we wszechświecie istnieją inne pierwiastki niż tylko wodór, to musiały powstać podczas Wielkiego Wybuchu. We wczesnym wszechświecie musiała panować bardzo wysoka temperatura. Taka, by umożliwić fuzję wszystkich pierwiastków, które dzisiaj obserwujemy.

Tak przynajmniej twierdził Gamow.

Niestety mylił się. W rzeczywistości w wyniku Wielkiego Wybuchu powstała ogromna ilość wodoru, trochę helu oraz nieliczne atomy litu i berylu. Wszystkie cięższe pierwiastki powstały znacznie później, w toku ewolucji gwiazd.

Ale mimo to, z nie do końca prawdziwej teorii Gamowa rodzą się ważne wnioski. Do powstania nawet helu, potrzebna jest ogromna energia. Ogromna energia wiąże się wysokoenergetycznym promieniowaniem. Odpowiednio gorące ciało emituje promieniowanie gamma, czyli bardzo energetyczne fotony. Wszechświat musiała wypełniać olbrzymia ilość wysokoenergetycznego promieniowania.

Ciekawa historia, ale co z tego?

Dobra, trochę za daleko idziemy, poukładajmy wiedzę.

Wielki Wybuch sobie wybucha. Wszechświat jest malutki, wypełnia go zupa wysokoenergetycznych cząsteczek, których nazwy są teraz nieistotne.

Wszechświat rośnie, a jednocześnie się ochładza. Część tych dziwnych cząstek zaczyna tworzyć protony oraz neutrony. Jednocześnie w pobliżu wesoło latają sobie elektrony.

Cześć protonów łączy się ze sobą w pary, energia protonów jest dostatecznie wysoka by przełamać siły elektromagnetyczne, a jednocześnie na tyle niska by te się od siebie nie odbiły. Dołączają do nich neutrony, mające ułatwione zadanie, bo nie mają ładunku elektrycznego. Mogą zostać łatwo przechwycone przez siły jądrowe.

Jest kilka minut po Wielkim Wybuchu. Stan na tę chwilę przedstawia się tak:

  • Dużo swobodnych protonów (jądra wodoru)
  • Cztery razy mniej jąder helu
  • Elektrony
  • Promieniowanie (fotony)
  • Trochę innego śmiecia, nieistotnego w tej chwili

Energia protonów i elektronów choć spada, nadal jest bardzo wysoka. Poruszają się z wielką prędkością. Wcześniej opisywałem proces powstawania atomów wodoru. Proton przejmował elektron i powstawał atom.

Jest to możliwe, tylko wtedy gdy protony i elektrony poruszają się powoli. W przeciwnym wypadku, siła przyciągania ładunków elektrycznych protonu i elektronu jest zbyt słaba. Elektron zahacza o proton, ale ten go nie łapie.

Spróbujcie złapać szybko lecący ciężki kamień. Urwie wam rękę, a jeszcze sąsiadowi okno wybije. Może lepiej nie próbujcie.

Czyli mamy wszechświat, który wypełniają swobodne protony (niektóre w parach ) i elektrony, ale jeszcze nie atomy.

Cząsteczki te, jak już pisałem, nie są obojętne elektrycznie. A trzeba wiedzieć, że coś nieobojętnego elektrycznie jest bardzo trudną przeszkodą dla promieniowania elektromagnetycznego.

Foton takiego promieniowania „odbija” się od elektronów. Jak pijany człowiek wracający do domu. Zamiast iść prosto odbija się od latarni, samochodów i znaków drogowych, błądząc bez sensu. Promieniowanie nie może się rozchodzić, bo przeszkadzają mu w tym elektrony, a te nie mogą "schować" się w atomie, bo zbyt szybko się poruszają.

Ale wszechświat się rozszerza i ochładza. W miarę upływu czasu cząsteczki znajdujące się w nim mają coraz mniejszą energię.

Datą graniczną jest 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.

Wszechświat ochłodził się na tyle (3000 kelwinów), by jądra atomowe mogły przechwycić elektrony, mające już mniejszą energię. Tworzą się atomy, a te, jako całość, są obojętne elektrycznie. Wśród obojętnych elektrycznie atomów, promieniowanie może się już swobodnie rozchodzić. Zniknęły wszystkie „latarnie” i „znaki drogowe”, nasz pijak ma prosty chodnik do domu.

Fotony promieniowania elektromagnetycznego nie rozpadają się w miarę upływu czasu, raz uwolnione mogą przemierzać Wszechświat przez wieczność. A to oznacza, że powinny być obserwowane nawet dzisiaj.

Jeśli udałoby się wykryć to promieniowanie, byłby to kolejny mocny dowód na prawdziwość teorii Wielkiego Wybuchu.

Ale czego właściwie szukać?

Promieniowanie elektromagnetyczne nie jest niczym tajemniczym.

Jego przykładem jest światło widzialne. Podobnie jak promieniowanie radiowe czy podczerwone. Wszystko to przejawy tego samego zjawiska, różniące się tylko długością fali.

Promieniowanie o krótkiej długości fali jest wysokoenergetyczne, na przykład promieniowanie gamma. Podczas gdy promieniowanie radiowe niesie ze sobą niewielka ilość energii.

Ustaliliśmy już, że we wczesnym wszechświecie promieniowanie było niezwykle mocne. W miarę rozszerzania się wszechświata długość fali samego promieniowania ulegała zwiększeniu. Rosła razem z wszechświatem.

A ze wzrostem fali maleje jego energia, nie jest już tak wysoka by tworzyć promieniowanie gamma, którym było na początku, w miarę ochładzania staje się promieniowaniem rentgenowskim, światłem widzialnym, aż wreszcie jest tak słabe, że zostaje promieniowaniem mikrofalowym.

I jego właśnie szukały całe zastępy naukowców.

A potwierdzono je, jak wiele ważnych odkryć naukowych – przez przypadek. W 1964 roku Arno Penzias i Robert Wilson rozpoczęli pracę przy antenie w Laboratorium Bella, w stanie New Jersey. Urządzenie to miało wyłapywać sygnał odbity od sztucznej satelity Echo 1, była to wczesna wersja satelity telekomunikacyjnej. Niestety eksperyment nie szedł po myśli Penziasa i Wilsona. Nie byli w stanie wyeliminować niewielkiego, natrętnego szumu który zakłócał ich badania. Wydawało się, że dochodził zewsząd, nie miał żadnego wyraźnego źródła.

W ziemskich warunkach promieniowanie mikrofalowe dochodzi z wielu różnych sztucznych źródeł. Początkowo eksperymentatorzy myśleli, że wyeliminują wszystkie sztuczne źródła. Odhaczali z listy kolejne zakłócacze, mimo to niewielki jednorodny szum pozostawał. Przepędzili nawet stadko gołębi które zostawiały to i owo w okolicach anteny, myśląc (i słusznie), że to może być przyczyną problemu. Bez powodzenia.

Nie mieli oni pojęcia o teoriach Gamowa i jego ekipy. Nie przypuszczali, że szum który odbierają może być echem Wielkiego Wybuchu.

Dowiedzieli się o tym przez przypadek, w 1965 Arno Penzias zadzwonił do radioastronoma Berniego Burke`a, w sprawie niezwiązanej z eksperymentem. Niejako mimochodem wspomniał, że mają problem z nieustającym szumem, który zakłóca ich badania. Burke natychmiast skojarzył fakty, informując odkrywców o prawdziwym źródle owego dziwnego sygnału. W 1978 Penzias wraz z Wilsonem otrzymali za swoje przypadkowe odkrycie Nagrodę Nobla.

Od tamtej pory, dokonano wielu dokładnych pomiarów promieniowania mikrofalowego tła. Najnowsze znajdziecie poniżej. Jest to mapa temperatury promieniowania tła wykonana przez satelitę Planck. Wykonana w 2013 roku. Promieniowanie w dość jednorodny sposób wypełnia Wszechświat, mimo to widać na mapie różnokolorowe plamy. Niektóre fragmenty są niebieskie inne pomarańczowe. Chociaż kolory są dość różne, to różnice temperatur między miejscami o wysokiej i niskiej temperaturze są minimalne, wynoszą ułamki stopni (Kelwina czy tam Celsjusza). Te odchylenia są dość ważne, świadczą o tym, że Wszechświat nie był doskonale jednorodny. Umożliwiło to, powstanie gwiazd, galaktyk i innych skomplikowanych struktur, a w wyniku tego – także życia.


Mapa promieniowania mikrofalowego tła wykonana przez satelitę Planck

Po tej przydługawej historyjce mamy już dwa mocne argumenty za tym, że Wielki Wybuch rzeczywiście nastąpił. Pierwszy to fakt, że Wszechświat się rozszerza, drugi to istnienie mikrofalowego promieniowania tła, echa Wielkiego Wybuchu, które nie mogło powstać w inny sposób. Oba te argumenty są ze sobą mocno związane, z rozszerzania (ochładzania) się Wszechświata wynika istnienie mikrofalowego promieniowania tła.

Dystrybucja pierwiastków we Wszechświecie

Jest jeszcze jeden argument, który bardzo krótko (co by nie męczyć) przedstawię. Trochę już o tym napisałem, jednak zaprowadziło to w ślepy zaułek.

Wspominałem o Gamowie i jego teorii o pochodzeniu pierwiastków, uważał on, że wszystkie powstały krótko po Wielkim Wybuchu. Mylił się w tej kwestii. Powstały wtedy tylko podstawowe pierwiastki, wodór w dużej ilości, trochę helu, oraz niewiele litu i berylu. Wszystkie cięższe pierwiastki powstały o wiele później, w wyniku reakcji jądrowych zachodzących w gwiazdach, bądź podczas ich eksplozji. Na podstawie obserwacji gwiazd (ich widma), można w dość dokładny sposób poznać ich skład chemiczny. Oraz ogólnie, dystrybucje pierwiastków we Wszechświecie. Na podstawie tego wiadomo, że atomy wodoru stanowią aż 74% wszystkich pierwiastków materii barionowej (czyli takiej zwykłej) we Wszechświecie. 24% to hel, pozostałe pierwiastki stanowią mniej niż 2%. Tak się składa, że obserwowana ilość pierwiastków lekkich, w doskonały sposób zgadza się z przewidywaniami jakie daje teoria Wielkiego Wybuchu.

Mamy trzy bardzo mocne podstawy by sądzić, że Wielki Wybuch rzeczywiście nastąpił. Za pomocą promieniowania tła można nawet określić kiedy to było – około 13,8 miliarda lat temu. Są jeszcze pewne kwestie, których teoria Wielkiego Wybuchu nie wyjaśnia. Np. stosunek materii do antymaterii (chociaż istnieją już pewne tropy), nie wiadomo jeszcze dokładnie skąd się wzięła ciemna materia i ciemna energia. Tajemnicą jest także owiany sam moment powstania Wszechświata, godzina zero. Co więcej nie wiadomo czy kiedykolwiek dowiemy się co wtedy nastąpiło. Mimo to teoria Wielkiego Wybuchu ma mocne podstawy. Dobrze się zgadza z prawie wszystkimi danymi doświadczalnymi. W dość prosty sposób tłumaczy proces ewolucji Wszechświata. To są dość dobre cechy teorii fizycznej. Wszystko powinno być tak proste jak to możliwe, ale nie bardziej.

Ilustracja tytułowa, zdjęcie Mgławicy Welon autorstwa Kena Crawforda

Film przedstawiający cefeidę RS Puppis. NASA, ESA, G. Bacon (STScI), the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration, and H. Bond (STScI and Pennsylvania State University)

Mapa kosmicznego promieniowania tła. ESA and the Planck Collaboration