Στην αρχή, το Σύμπαν επεκτάθηκε πολύ, πολύ γρήγορα.
(Εικόνα: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Ο Paul Sutter είναι αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο και επικεφαλής επιστήμονας στο επιστημονικό κέντρο COSI. Ο Sutter είναι επίσης οικοδεσπότης του Ask a Spaceman και του διαστημικού ραδιοφώνου, και ηγείται του AstroTours σε όλο τον κόσμο. Ο Sutter συνέβαλε αυτό το άρθρο στις εξειδικευμένες φωνές του Space.com: Op-Ed & Insights.
Στα 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, ολόκληρο το παρατηρήσιμο σύμπαν μας είχε το μέγεθος ενός ροδάκινου και είχε θερμοκρασία πάνω από ένα τρισεκατομμύριο βαθμούς.
Αυτή είναι μια πολύ απλή, αλλά πολύ τολμηρή δήλωση, και δεν είναι μια δήλωση που γίνεται ελαφριά ή εύκολα. Πράγματι, ακόμη και πριν από εκατό χρόνια, θα είχε ακουστεί εντελώς παράλογο, αλλά εδώ είμαστε, λέγοντας ότι δεν είναι μεγάλη υπόθεση. Αλλά όπως και στην επιστήμη, απλές δηλώσεις όπως αυτές κατασκευάζονται από βουνά πολλαπλών ανεξάρτητων σειρών στοιχείων που δείχνουν προς το ίδιο συμπέρασμα - σε αυτήν την περίπτωση, το Big Bang, το μοντέλο της ιστορίας του σύμπαντός μας. [The Universe: Big Bang to Now σε 10 εύκολα βήματα]
Αλλά, όπως λένε, μην πάρετε τα λόγια μου για αυτό. Ακολουθούν πέντε αποδεικτικά στοιχεία για το Big Bang:
# 1: Ο νυχτερινός ουρανός είναι σκοτεινός
Φανταστείτε για μια στιγμή ότι ζούσαμε σε ένα τέλεια άπειρο σύμπαν, τόσο στο χρόνο όσο και στο χώρο. Οι λαμπερές συλλογές των αστεριών συνεχίζονται για πάντα σε κάθε κατεύθυνση, και το σύμπαν απλώς ήταν πάντα και θα είναι πάντα. Αυτό θα σήμαινε οπουδήποτε κοιτάζατε στον ουρανό - απλά διαλέξτε μια τυχαία κατεύθυνση και κοιτάξτε - θα είστε υποχρεωμένοι να βρείτε ένα αστέρι εκεί έξω, κάπου, σε κάποια απόσταση. Αυτό είναι το αναπόφευκτο αποτέλεσμα ενός άπειρου σύμπαντος.
Και αν αυτό το ίδιο σύμπαν υπήρχε για πάντα, τότε υπήρχε αρκετός χρόνος για το φως από αυτό το αστέρι, που σέρνεται στον κόσμο με μια σχετικά αργή ταχύτητα c, για να φτάσει στα μάτια σας. Ακόμη και η παρουσία οποιασδήποτε παρεμβαλλόμενης σκόνης δεν θα μειώσει το συσσωρευμένο φως από το άπειρο των αστεριών που απλώνονται σε έναν απέραντα μεγάλο κόσμο.
Έργο, ο ουρανός θα πρέπει να φωτίζεται με το συνδυασμένο φως ενός πλήθους αστεριών. Αντίθετα, είναι κυρίως σκοτάδι. Κενότητα. Κενός. Μαυρίλα. Ξέρετε, χώρο.
Ο Γερμανός φυσικός Heinrich Olbers μπορεί να μην ήταν το πρώτο άτομο που σημείωσε αυτό το φαινομενικό παράδοξο, αλλά το όνομά του κολλήθηκε στην ιδέα: Είναι γνωστό ως παράδοξο του Olbers. Η απλή ανάλυση; Είτε το σύμπαν δεν έχει άπειρο μέγεθος είτε δεν είναι άπειρο στο χρόνο. Ή ίσως δεν είναι ούτε.
# 2: Υπάρχουν κβάζαρ
Μόλις οι ερευνητές ανέπτυξαν ευαίσθητα ραδιοτηλεσκόπια, στη δεκαετία του 1950 και του '60, παρατήρησαν περίεργα δυνατά ραδιοφωνικά πηγές στον ουρανό. Μέσω σημαντικών αστρονομικών διακοπών, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι αυτές οι οιονεί αστρικές ραδιο πηγές ή «κβάζαρ» ήταν πολύ μακρινές, αλλά ασυνήθιστα φωτεινοί, ενεργοί γαλαξίες.
Αυτό που είναι πιο σημαντικό για αυτήν τη συζήτηση είναι το "πολύ μακρινό" μέρος αυτού του συμπεράσματος.
Επειδή το φως χρειάζεται χρόνο για να ταξιδέψει από το ένα μέρος στο άλλο, δεν βλέπουμε τα αστέρια και τους γαλαξίες όπως είναι τώρα, αλλά όπως ήταν πριν από χιλιάδες, εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι το να κοιτάς βαθύτερα στο σύμπαν είναι επίσης πιο βαθύ στο παρελθόν. Βλέπουμε πολλά κβάζαρ στον μακρινό κόσμο, που σημαίνει ότι αυτά τα αντικείμενα ήταν πολύ κοινά πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά δεν υπάρχουν καθόλου κβάζαρ στην τοπική, ενημερωμένη γειτονιά μας. Και είναι αρκετά κοινά στο μακρινό (δηλαδή, νεαρό) σύμπαν που πρέπει να δούμε πολύ περισσότερα στην περιοχή μας.
Το απλό συμπέρασμα: Το σύμπαν ήταν διαφορετικό στο παρελθόν του από ό, τι είναι σήμερα.
# 3: Μεγαλώνει
Ζούμε σε ένα διευρυνόμενο σύμπαν. Κατά μέσο όρο, οι γαλαξίες απομακρύνονται μακρύτερα από όλους τους άλλους γαλαξίες. Σίγουρα, μερικές μικρές τοπικές συγκρούσεις συμβαίνουν από τις εναπομείναντες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις, όπως πώς ο Γαλαξίας θα συγκρούσει με την Ανδρομέδα σε λίγα δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά σε μεγάλες κλίμακες, αυτή η απλή, επεκτατική σχέση ισχύει. Αυτό ανακάλυψε ο αστρονόμος Edwin Hubble στις αρχές του 20ού αιώνα, αμέσως μετά τη διαπίστωση ότι οι "γαλαξίες" ήταν πράγματι πράγμα. [Head-On Crash του Γαλαξία μας με τον Andromeda: Artist Images]
Σε ένα διευρυνόμενο σύμπαν, οι κανόνες είναι απλοί. Κάθε γαλαξίας υποχωρεί (σχεδόν) από κάθε άλλο γαλαξία. Το φως από μακρινούς γαλαξίες θα μετατοπιστεί με κόκκινο χρώμα - τα μήκη κύματος του φωτός που απελευθερώνουν θα μεγαλώνουν, και επομένως θα είναι πιο κόκκινα, από την οπτική γωνία των άλλων γαλαξιών. Ίσως να μπείτε στον πειρασμό να σκεφτείτε ότι αυτό οφείλεται στην κίνηση των επιμέρους γαλαξιών που κινούνται γύρω από το σύμπαν, αλλά τα μαθηματικά δεν αυξάνονται.
Η ποσότητα της ερυθράς αλλαγής για έναν συγκεκριμένο γαλαξία σχετίζεται με το πόσο μακριά είναι. Οι πιο κοντινοί γαλαξίες θα έχουν μια ορισμένη ποσότητα ερυθρών μετατοπίσεων. Ένας γαλαξίας δύο φορές πιο μακριά θα έχει διπλάσια μετατόπιση. Τέσσερις φορές την απόσταση; Αυτό είναι σωστό, τέσσερις φορές το κόκκινο. Για να το εξηγήσουμε αυτό με απλούς γαλαξίες, πρέπει να υπάρξει μια πραγματικά περίεργη συνωμοσία όπου όλοι οι γαλαξιακοί πολίτες του σύμπαντος συμφωνούν να κινηθούν σε αυτό το πολύ συγκεκριμένο σχέδιο.
Αντ 'αυτού, υπάρχει μια πολύ απλούστερη εξήγηση: Η κίνηση των γαλαξιών οφείλεται στο τέντωμα του χώρου μεταξύ αυτών των γαλαξιών.
Ζούμε σε ένα δυναμικό, εξελισσόμενο σύμπαν. Ήταν μικρότερο στο παρελθόν και θα είναι μεγαλύτερο στο μέλλον.
# 4: Η ακτινοβολία λειψάνων
Ας παίξουμε ένα παιχνίδι. Ας υποθέσουμε ότι το σύμπαν ήταν μικρότερο στο παρελθόν. Αυτό σημαίνει ότι θα ήταν και πιο πυκνό και πιο ζεστό, σωστά; Δεξιά - όλο το περιεχόμενο του σύμπαντος θα είχε συσσωρευτεί σε μικρότερο χώρο και οι υψηλότερες πυκνότητες σημαίνουν υψηλότερες θερμοκρασίες.
Σε κάποιο σημείο, όταν το σύμπαν ήταν, ας πούμε, ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από αυτό που είναι τώρα, όλα θα είχαν συνθλιβεί τόσο πολύ ώστε θα ήταν πλάσμα. Σε αυτήν την κατάσταση, τα ηλεκτρόνια δεν θα δεσμεύονταν από τους πυρηνικούς ξενιστές τους και θα μπορούσαν να κολυμπήσουν, όλα αυτά τα θέματα λούστηκαν σε έντονη, υψηλής ενέργειας ακτινοβολία.
Αλλά καθώς το βρεφικό σύμπαν επεκτάθηκε, θα είχε κρυώσει σε σημείο όπου, ξαφνικά, τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να εγκατασταθούν άνετα γύρω από τους πυρήνες, κάνοντας τα πρώτα πλήρη άτομα υδρογόνου και ηλίου. Εκείνη τη στιγμή, η τρελή-έντονη ακτινοβολία θα περιπλανιζόταν ανεμπόδιστα στο νέο λεπτό και διαφανές σύμπαν. Και καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, το φως που ξεκίνησε κυριολεκτικά λευκό-ζεστό θα είχε κρυώσει, θα κρυώσει, θα κρυώσει σε γυμνούς λίγους βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, τοποθετώντας τα μήκη κύματος σταθερά στην περιοχή μικροκυμάτων.
Και όταν δείχνουμε τα τηλεσκόπια μικροκυμάτων στον ουρανό, τι βλέπουμε; Ένα λουτρό ακτινοβολίας υποβάθρου, που μας περιβάλλει από όλες τις πλευρές και σχεδόν τέλεια ομοιόμορφο (σε ένα μέρος στα 100.000!) Προς όλες τις κατευθύνσεις. Μια εικόνα μωρού για το σύμπαν. Μια καρτ ποστάλ από μια μακρά νεκρή εποχή. Φως από μια εποχή τόσο παλιά όσο το ίδιο το σύμπαν.
# 5: Είναι στοιχειώδες
Σπρώξτε το ρολόι ακόμη πιο πίσω από το σχηματισμό του κοσμικού φόντου μικροκυμάτων, και σε κάποιο σημείο, τα πράγματα είναι τόσο έντονα, τόσο τρελά που δεν υπάρχουν καν πρωτόνια και νετρόνια. Είναι απλώς μια σούπα με τα βασικά μέρη τους, τα κουάρκ και τα γλουόνια. Αλλά και πάλι, καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε από τα φρενήρη πρώτα λεπτά της ύπαρξής του, οι ελαφρύτεροι πυρήνες, όπως το υδρογόνο και το ήλιο, πήγαν και σχηματίζονται.
Έχουμε μια αρκετά αξιοπρεπή αντιμετώπιση της πυρηνικής φυσικής στις μέρες μας και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτήν τη γνώση για να προβλέψουμε τη σχετική ποσότητα των ελαφρύτερων στοιχείων στο σύμπαν μας. Η πρόβλεψη: Αυτή η παγωμένη σούπα έπρεπε να είχε γεννήσει περίπου τα τρία τέταρτα του υδρογόνου, το ένα τέταρτο ήλιο και ένα μικρότερο "άλλο".
Η πρόκληση στη συνέχεια πηγαίνει στους αστρονόμους και τι βρίσκουν; Ένα σύμπαν που αποτελείται από, περίπου, τα τέσσερα τέταρτα του υδρογόνου, το ένα τέταρτο ήλιο και ένα μικρότερο ποσοστό του "άλλου". Λοταρία.
Φυσικά, υπάρχουν και άλλα στοιχεία. Αλλά αυτό είναι μόνο το σημείο εκκίνησης για τη σύγχρονη εικόνα του Κόσμου στο Big Bang. Πολλές ανεξάρτητες αποδείξεις δείχνουν το ίδιο συμπέρασμα: Το σύμπαν μας είναι περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, και κάποτε, ήταν το μέγεθος ενός ροδάκινου και είχε θερμοκρασία πάνω από ένα τρισεκατομμύριο βαθμούς.
Μάθετε περισσότερα ακούγοντας το επεισόδιο "Τι συμβαίνει όταν οι γαλαξίες συγκρούονται;" στο podcast Ask A Spaceman, διαθέσιμο στο iTunes και στον Ιστό στη διεύθυνση http://www.askaspaceman.com. Χάρη στους Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla και Patrick D. για τις ερωτήσεις που οδήγησαν σε αυτό το κομμάτι! Κάντε τη δική σας ερώτηση στο Twitter χρησιμοποιώντας το #AskASpaceman ή ακολουθώντας τον Paul @PaulMattSutter και το facebook.com/PaulMattSutter. Ακολουθήστε μας @Spacedotcom, Facebook και Google+. Αρχικό άρθρο στο Space.com.
