Pierwsze kilka sekund Wielkiego Wybuchu: co wiemy a czego nie

Wierzcie lub nie, ale fizycy próbują zrozumieć wszechświat, gdy miał zaledwie kilka sekund.

Ale sytuacja tutaj jest co najmniej złożona i chociaż poczyniliśmy znaczne postępy, wciąż na wiele pytań nie znamy odpowiedzi. Od miniaturowych czarnych dziur po egzotyczne interakcje – “niemowlęcy wszechświat” był ruchliwym miejscem.

To co wiemy

Zacznijmy od ogólnego schematu: 13,77 miliarda lat temu nasz wszechświat był niesamowicie gorący (temperatura ponad biliarda stopni) i niewiarygodnie mały (mniej więcej wielkości brzoskwini). Astronomowie podejrzewają, że kiedy nasz kosmos miał mniej niż sekundę, przeszedł przez okres niewiarygodnie szybkiej ekspansji, zwany inflacją.

To wydarzenie inflacyjne było prawdopodobnie najbardziej transformacyjną epoką, jaka kiedykolwiek miała miejsce w historii naszego wszechświata. W niecałym mgnienie nasz wszechświat stał się niewiarygodnie większy (co najmniej 10 ^ 52). Kiedy ta faza szybkiej ekspansji dobiegła końca, wszystko, co spowodowało inflację w pierwszej kolejności (nie jesteśmy pewni co), uległo rozkładowi, zalewając wszechświat materią i promieniowaniem (nie jesteśmy pewni jak).

Kilka minut później (dosłownie) pojawiły się pierwsze elementy. Wcześniej wszechświat był zbyt gorący i zbyt gęsty, aby cokolwiek stabilnego mogło się uformować – była to po prostu gigantyczna mieszanka kwarków (podstawowych elementów budulcowych jąder atomowych) i gluonów (nośników silnych sił jądrowych). Ale kiedy wszechświat miał już kilkanaście minut, rozszerzył się i ostudził na tyle, że kwarki mogły się związać, tworząc pierwsze protony i neutrony. Te protony i neutrony stworzyły pierwszy wodór i hel (i trochę litu), które setki milionów lat później zbudowały pierwsze gwiazdy i galaktyki.

Od momentu powstania pierwszych pierwiastków wszechświat rozszerzył się i ochłodził, ostatecznie stając się plazmą, a następnie neutralnym gazem.

Chociaż wiemy, że ta ogólnikowa historia jest poprawna, wiemy również, że brakuje nam wielu szczegółów, zwłaszcza w okresie przed powstaniem pierwszych elementów. Pewna dziwaczna fizyka mogła działać, gdy Wszechświat miał zaledwie kilka sekund i obecnie przekracza to nasze teoretyczne zrozumienie – ale to nie powstrzymuje nas przed próbami.

Ta grafika przedstawia oś czasu wszechświata opartą na teorii Wielkiego Wybuchu i modelach inflacji. (Zdjęcie: NASA / WMAP)

Znane niewiadome

Artykuł, który niedawno ukazał się w czasopiśmie preprint arXiv i zaakceptowany do publikacji w The Open Journal of Astrophysics, przedstawia niektóre z bardziej egzotycznych scenariuszy z bardzo wczesnego wszechświata.

Nie wiemy, z czego składa się ciemna materia, ale wiemy, że odpowiada za ponad 80% materii we wszechświecie. Mamy dobrze poznaną historię o tym, jak normalna materia powstała w gorącej, gęstej zupie wczesnego kosmosu, ale nie mamy pojęcia, kiedy i jak ciemna materia pojawiła się na scenie. Czy pojawił się w ciągu pierwszych kilku sekund? Albo dużo później? Czy ciemna materia zepsuła kosmiczną chemię, która doprowadziła do pierwszych pierwiastków, czy pozostała w tle?

Nie wiemy.

Potem jest sama inflacja. Nie wiemy, co zapewniło źródło zasilania niesamowitej ekspansji, nie wiemy, dlaczego trwało to tak długo, jak trwało, i nie wiemy, co ostatecznie ją zatrzymało. Być może inflacja trwała dłużej, niż zakładaliśmy – być może trwała przez całą sekundę, a nie tylko jej ułamek, który zakładamy.

Istnieje ogromny cierń w boku każdego kosmologa, znany jako asymetria materii i antymaterii. Na podstawie eksperymentów widzimy, że materia i antymateria są doskonale symetryczne: dla każdej cząsteczki materii powstałej w wyniku reakcji w całym wszechświecie istnieje również odpowiednia cząstka antymaterii. Ale kiedy rozglądamy się po kosmosie, widzimy stosy normalnej materii, a ani kropelki antymaterii. Coś wielkiego musiało się wydarzyć w ciągu pierwszych kilku sekund istnienia wszechświata, aby zburzyć tę równowagę. Nie jesteśmy jednak pewni, kto lub co było za to odpowiedzialne oraz jaki był dokładny mechanizm.

A jeśli ciemna materia, inflacja i antymateria nie wystarczały, istnieje również możliwość, że wczesny Wszechświat mógł wytworzyć ogromną ilość małych czarnych dziur. Wszystkie czarne dziury we współczesnym kosmosie (tj. w ciągu ostatnich 13 miliardów lat) powstały w wyniku śmierci masywnych gwiazd. To jedyne miejsca, w których gęstość materii może osiągnąć krytyczne progi niezbędne do wywołania powstawania czarnej dziury. Ale we wczesnym egzotycznym wszechświecie losowe obszary kosmosu mogły osiągnąć wystarczającą gęstość, wyzwalając tworzenie się czarnych dziur bez konieczności uprzedniego przechodzenia przez cały proces formowania się gwiazd. Może.

Kopać głębiej

Chociaż nasza teoria Wielkiego Wybuchu jest poparta bogactwem danych obserwacyjnych, istnieje wiele tajemnic, które mogą zaspokajać ciekawość pokoleń kosmologów. Na szczęście nie jesteśmy całkowicie ślepi, kiedy próbujemy studiować tę wczesną epokę.

Na przykład, nawet jeśli nie możemy bezpośrednio zobaczyć stanu wszechświata, który miał zaledwie kilka sekund, możemy spróbować odtworzyć te warunki w naszych potężnych zderzaczach cząstek. Nie jest to doskonałe narzędzie, ale może przynajmniej nauczyć nas fizyki tego rodzaju środowisk.

Możemy również poszukać wskazówek, które pozostały z pierwszych kilku sekund. Wszystko, co się wtedy działo, odcisnęłoby piętno na późniejszym wszechświecie. Zmiana ilości ciemnej materii lub utrzymująca się inflacja zakłóciłaby tworzenie wodoru i helu, czyli coś, co możemy zmierzyć dzisiaj.

A wszechświat przeszedł z plazmy w neutralny gaz, gdy miał 380 000 lat. Uwolnione wtedy światło utrzymało się w postaci kosmicznego mikrofalowego tła. Gdyby wszechświat wyskoczył z kilku małych czarnych dziur, wpłynęłyby one na wzór poświaty wszechświata.

Możemy nawet mieć nadzieję, że będziemy bezpośrednio obserwować tę epokę. Nie światłem, ale falami grawitacyjnymi. To chaotyczne piekło musiało wyzwolić strumień zmarszczek w strukturze czasoprzestrzeni, które – podobnie jak kosmiczne mikrofalowe tło – przetrwałyby do dnia dzisiejszego. Nie mamy jeszcze możliwości technologicznych, aby bezpośrednio obserwować te fale grawitacyjne, ale każdego dnia zbliżamy się coraz bliżej.

A kiedy to zrobimy, może będziemy mogli rzucić okiem na nowonarodzony wszechświat.

Źródło: Paul Sutter

The First Three Seconds: a Review of Possible Expansion Histories of the Early Universe

Zdjęcie: NASA/JPL-Caltech and NSF/AUI/GBO

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x