Šiandien matoma Visata – kupina galaktikų, žvaigždžių, planetų ir galimybės egzistuoti gyvybei – atsirado iš pradinės būsenos, kuri prieštarauja įprastinei mūsų intuicijai. Tai nebuvo paprasčiausiai „labai tankiai suslėgta medžiaga“, bet veikiau sritis, kurioje ir materija, ir energija egzistavo visiškai kitokiomis formomis, nei mums įprasta Žemėje. Ankstyvosios Visatos tyrimai leidžia atsakyti į fundamentalius klausimus:
- Iš kur atsirado visa materija ir energija?
- Kaip Visata iš beveik tolygios, karštos, tankios būsenos išsiplėtė ir tapo milžinišku kosminiu galaktikų tinklu?
- Kodėl materijos yra daugiau nei antimaterijos ir kas nutiko kadaise gausiai egzistavusiai antimaterijai?
Tyrinėdami kiekvieną svarbų etapą – nuo pirminės singuliarios būsenos iki vandenilio rejonizacijos – astronomai ir fizikai atkuria Visatos kilmės istoriją, nusitęsiančią 13,8 mlrd. metų atgal. Didžiojo sprogimo teorija, paremta daugybe tvirtų stebėjimų duomenų, šiuo metu yra geriausias mokslinis modelis, paaiškinantis šią didžią kosminę evoliuciją.
2. Singuliarumas ir kūrimo momentas
2.1. Singuliarumo samprata
Pagal standartinius kosmologinius modelius, Visatą galima atsekti iki tokio ankstyvo laikotarpio, kai jos tankis ir temperatūra buvo itin kraštutiniai, tad mums žinomi fizikos dėsniai ten „nebepaklūsta“. Terminas „singuliarumas“ dažnai vartojamas apibūdinti šią pradinę būseną – tašką (ar sritį) su begaliniu tankiu ir temperatūra, iš kur galėjo kilti pats laikas ir erdvė. Nors šis terminas rodo, kad dabartinės teorijos (pvz., bendroji reliatyvumo teorija) negali iki galo jo apibūdinti, jis taip pat išryškina kosminę paslaptį, slypinčią mūsų kilmės pamatuose.
2.2. Kosminė infliacija
Neilgai trukus po šio „kūrimo momento“ (vos per dalį sekundės), hipotetiškai įvyko itin trumpas, bet nepaprastai intensyvus kosminės infliacijos laikotarpis. Infliacijos metu:
- Visata plėtėsi eksponentiškai, daug greičiau nei šviesos greitis (tai neprieštarauja reliatyvumui, nes plėtėsi pati erdvė).
- Mažytės kvantinės fluktuacijos – atsitiktiniai energijos svyravimai mikroskopiniu mastu – buvo išdidintos iki makroskopinių mastų. Būtent jos tapo visos būsimos struktūros – galaktikų, galaktikų spiečių ir didžiojo kosminio tinklo – užuomazgomis.
Infliacija išsprendžia keletą svarbių kosmologijos mįslių, pavyzdžiui, plokštumo problemą (kodėl Visata atrodo geometriškai „plokščia“) ir horizonto problemą (kodėl skirtingi Visatos regionai turi beveik vienodą temperatūrą, nors, rodos, niekada neturėjo laiko „pasikeisti“ šiluma ar šviesa).
3. Kvantinės fluktuacijos ir infliacija
Dar prieš pasibaigiant infliacijai, kvantinės fluktuacijos pačiame erdvėlaikio audinyje įsirėžė į materijos ir energijos pasiskirstymą. Šie mažyčiai tankio skirtumai vėliau, veikdami gravitaciją, susijungė ir pradėjo formuoti žvaigždes bei galaktikas. Šis procesas vyko taip:
- Kvantinės perturbacijos: sparčiai besiplečiančioje Visatoje menkiausi tankio netolygumai buvo ištęsti per milžiniškas erdvės sritis.
- Po infliacijos: kai infliacija baigėsi, Visata ėmė plėstis lėčiau, tačiau šios fluktuacijos išliko, sudarydamos planą didelio masto struktūroms, kurias matome praėjus milijardams metų.
Ši kvantinės mechanikos ir kosmologijos sankirta yra viena įdomiausių ir sudėtingiausių šiuolaikinės fizikos sričių, iliustruojanti, kaip patys mažiausi masteliai gali lemiamai paveikti didžiausius.
4. Didžiojo sprogimo nukleosintezė (BBN)
Per pirmąsias tris minutes po infliacijos pabaigos Visata nuo nepaprastai aukštos temperatūros atvėso iki tokios ribos, kurioje protonai ir neutronai (dar vadinami nukleonais) galėjo pradėti jungtis branduolinėmis jėgomis. Ši fazė vadinama Didžiojo sprogimo nukleosinteze:
- Vandenilis ir helis: būtent šių pirmųjų minučių metu susidarė didžioji dalis Visatos vandenilio (apie 75 % masės) ir helio (apie 25 % masės), taip pat nedidelis kiekis ličio.
- Kritinės sąlygos: kad nukleosintezė įvyktų, temperatūra ir tankis turėjo būti „kaip tik tinkami“. Jei Visata būtų vėsusi greičiau ar turėjusi kitokį tankį, lengvųjų elementų santykinė gausa būtų neatitikusi to, ką prognozuoja Didžiojo sprogimo modelis.
Empiriškai nustatyta lengvųjų elementų gausa puikiai sutampa su teorinėmis prognozėmis, o tai tvirtai pagrindžia Didžiojo sprogimo teoriją.
5. Materija vs. antimedžiaga
Viena didžiausių kosmologijos mįslių yra materijos ir antimedžiagos asimetrija: kodėl mūsų Visatoje vyrauja materija, jei teoriškai tiek materijos, tiek antimedžiagos turėjo atsirasti vienodais kiekiais?
5.1. Baryogenezė
Procesai, bendrai vadinami baryogeneze, siekia paaiškinti, kaip menkos netolygumų užuomazgos – galbūt kilusios iš CP simetrijos pažeidimo (dalelių ir antidalelių elgsenos skirtumų) – lėmė materijos perteklių po jos anihiliacijos su antimedžiaga. Būtent šis perteklius virto atomais, iš kurių susiformavo žvaigždės, planetos ir mes patys.
5.2. Išnykusi antimedžiaga
Antimedžiaga nebuvo visiškai sunaikinta: ji tiesiog daugiausia anihiliavo su materija ankstyvojoje Visatoje, išskirdama gama spinduliuotę. Likęs materijos perteklius (tie keli „laimingieji“ dalelės iš milijardų) tapo žvaigždžių, planetų ir visko, ką matome, statybine medžiaga.
6. Atvėsimas ir pagrindinių dalelių susidarymas
Visatai toliau plečiantis, jos temperatūra tolygiai krito. Šio atvėsimo metu įvyko keli svarbūs pokyčiai:
- Kvarkai į hadronus: kvarkai jungėsi į hadronus (pvz., protonus ir neutronus), kai temperatūra nukrito žemiau ribos, reikalingos kvarkams išlikti laisviems.
- Elektronų susidarymas: itin energingi fotonai galėjo spontaniškai formuoti elektronų ir pozitronų poras (ir atvirkščiai), tačiau vėstant Visatai, šie procesai tapo retesni.
- Neutrinai: lengvos, beveik bemasės dalelės, vadinamos neutrinomis, atsiskyrė nuo materijos ir skrieja per Visatą beveik nesąveikaudamos, nešdamos informacijos apie ankstyvąsias epochas.
Laipsniškas vėsimas sudarė sąlygas formuotis stabilioms, mums pažįstamoms dalelėms – nuo protonų ir neutronų iki elektronų ir fotonų.
7. Kosminis mikrobangų fonas (CMB)
Praėjus maždaug 380 000 metų po Didžiojo sprogimo, Visatos temperatūra nukrito iki maždaug 3 000 K, leisdama elektronams susijungti su protonais ir sudaryti neutralius atomus. Šis laikotarpis vadinamas rekombinacija. Iki tol laisvi elektronai išsklaidydavo fotonus, todėl Visata atrodė neperregima. Kai elektronai prisijungė prie protonų:
- Fotonai galėjo judėti laisvai: iki tol „įkalinti“, dabar jie galėjo sklisti dideliais atstumais, taip sukurdamas „fotografinę“ to meto Visatos momentinę nuotrauką.
- Šiandieninis aptikimas: mes fiksuojame tuos fotonus kaip kosminį mikrobangų foną (CMB), atvėsusį iki maždaug 2,7 K dėl nuolatinio Visatos plėtimosi.
CMB dažnai vadinamas „kūdikiška Visatos nuotrauka“ – menkiausios jame stebimos temperatūros svyravimo užuomazgos atskleidžia ankstyvąjį materijos pasiskirstymą ir Visatos sudėtį.
8. Tamsioji materija ir tamsioji energija: ankstyvos užuominos
Nors tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos prigimtis dar nėra iki galo suprantama, jų egzistavimą patvirtinantys duomenys siekia ankstyvuosius kosminius laikus:
- Tamsioji materija: tikslūs CMB matavimai ir stebėjimai apie ankstyvąsias galaktikas rodo egzistuojant medžiagos rūšį, kuri nesąveikauja elektromagnetiškai, tačiau turi gravitacinę įtaką. Ji padėjo tankesniems regionams formuotis greičiau, nei tai galėtų paaiškinti vien „įprasta“ materija.
- Tamsioji energija: stebėjimai atskleidė, jog Visata plečiasi greitėdama, ir tai dažnai aiškinama sunkiai apčiuopiamos „tamsiosios energijos“ poveikiu. Nors šis reiškinys buvo galutinai identifikuotas tik XX a. pabaigoje, kai kurios teorijos leidžia manyti, kad užuominų apie jį galima ieškoti jau ankstyvajame Visatos vystymesi (pvz., infliacijos fazėje).
Tamsioji materija išlieka kertiniu elementu aiškinant galaktikų sukimąsi ir spiečių dinamiką, o tamsioji energija daro įtaką Visatos plėtimosi ateičiai.
9. Rekombinacija ir pirmieji atomai
Rekombinacijos metu Visata perėjo iš karštos plazmos į neutralias dujas:
- Protonai + elektronai → vandenilio atomai: tai labai sumažino fotonų sklaidą, ir Visata tapo skaidri.
- Sunkesni atomai: Helis taip pat susijungė į neutralias formas, nors jo dalis (palyginti su vandeniliu) yra daug mažesnė.
- Kosminiai „tamsieji amžiai“: po rekombinacijos Visata „nutilo“, nes dar nebuvo žvaigždžių – CMB fotonai tik vėso, ilgėjo jų bangos ilgiai, o aplinka paniro į tamsą.
Šis laikotarpis itin svarbus, nes materija dėl gravitacijos pradėjo telktis į tankesnius telkinius, vėliau suformavusius pirmąsias žvaigždes ir galaktikas.
10. Tamsieji amžiai ir pirmosios struktūros
Visatai tapus neutraliai, fotonai galėjo sklisti laisvai, bet žymesnių šviesos šaltinių dar nebuvo. Šis etapas, vadinamas „tamsiaisiais amžiais“, tęsėsi iki pirmųjų žvaigždžių užsidegimo. Tuo metu:
- Gravitacija ima viršų: menkiausi materijos tankio skirtumai tapo gravitaciniais šuliniais, „įtraukiančiais“ vis daugiau masės.
- Tamsiosios materijos vaidmuo: tamsioji materija, nesąveikaudama su šviesa, jau seniau ėmė telktis į sankaupas, tarsi paruošdama „karkasą“, prie kurio vėliau galėjo jungtis barioninė (paprastoji) materija.
Galiausiai šie tankesni regionai dar labiau sugriuvo, formuodami pačius pirmuosius šviečiančius objektus.
11. Rejonizacija: tamsiųjų amžių pabaiga
Kai susiformavo pirmosios žvaigždės (o galbūt ir ankstyvieji kvazarai), jos skleidė intensyvią ultravioletinę (UV) spinduliuotę, galinčią jonizuoti neutralų vandenilį ir taip „rejonizuoti“ Visatą. Šiame etape:
- Skaidrumas atkurtas: UV spinduliuotė išsklaidė neutralų vandenilį, todėl galėjo sklisti dideliais atstumais.
- Galaktikų pradžia: manoma, kad šie ankstyvi žvaigždžių susibūrimai – vadinamosios protogalaktikos – ilgainiui susijungė ir išaugo į didesnes galaktikas.
Maždaug po milijardo metų nuo Didžiojo sprogimo Visatoje buvo užbaigta rejonizacija, ir tarpgalaktinė erdvė pasidarė panaši į šiandien matomą – daugiausia sudaryta iš jonizuotų dujų.
Žvilgsnis į ateitį
Pirmojoje temoje apibrėžiamas pamatinis Visatos raidos laiko rėmas. Visi šie etapai – singuliarumas, infliacija, nukleosintezė, rekombinacija ir rejonizacija – rodo, kaip Visata, plėsdamasi ir vėsdama, padėjo pamatus vėlesniems įvykiams: žvaigždžių, galaktikų, planetų ir net gyvybės atsiradimui. Tolesniuose straipsniuose bus nagrinėjama, kaip susidarė didelio masto struktūros, kaip formavosi ir vystėsi galaktikos, bei kokie dramatiški žvaigždžių gyvavimo ciklai, ir dar daugybė kitų kosminių istorijos skyrių.
Ankstyvoji Visata – tai ne vien istorijos smulkmena, o tikra kosminė laboratorija. Tyrinėdami tokius „reliktus“ kaip kosminis mikrobangų fonas, lengvųjų elementų gausa ir galaktikų pasiskirstymas, mes sužinome apie fundamentaliuosius fizikinius dėsnius – nuo materijos elgsenos itin ekstremaliomis sąlygomis iki erdvės ir laiko prigimties. Ši didi kosminė istorija atskleidžia pagrindinį šiuolaikinės kosmologijos principą: norint atsakyti į didžiausias Visatos mįsles, privalu suvokti jos ištakas.