V minulém díle jsme se zaměřili zejména na objev expanze vesmíru, který ve svém důsledku vedl k teorii Velkého třesku. Ukázali jsme si, že situace nebyla jednoduchá, a označit za objevitele expanze pouze jednoho muže by nebylo spravedlivé. Samotná expanze probíhá současně ve všech místech vesmíru, nikde neexistuje nějaký jediný střed expanze, ze kterého by vesmír vznikl. Počáteční singularita je pravděpodobně pouhou iluzí. V poslední části jsme se zabývali viditelností ve vesmíru a zjistili, že většina vesmíru je ukryta za horizontem. Jsou to ty části, z nichž za dobu existence vesmíru nemělo světlo čas dolétnout k nám. V dnešním pokračování se zaměříme na další omyly, které se v souvislosti se vznikem vesmíru běžně tradují.

Expanze probíhá z každého bodu a rychlost vzdalování objektů roste lineárně se vzdáleností. Zdroj: Larry McNish, 2012.

6. Vesmír je vnitřek černé díry

Často se objevuje tvrzení, že celý vesmír je vlastně obří černou dírou a my žijeme uvnitř ní. Takové tvrzení je krásnou ukázkou zmatení pojmů. Když v roce 1915 představil Albert Einstein světu obecnou relativitu, která je postavena na zakřivení času a prostoru v okolí hmotných těles, snažili se vědci nejprve nalézt pokřivení kolem obyčejné kuličky. Jako prvnímu se to podařilo Karlu Schwarzschildovi už v roce 1916. Prostor a čas v okolí kuličky je zakřivený tak, že se většinou tělesa v okolí pohybují po stejných drahách jako v newtonovské teorii. Z řešení ale vyplývá, že pokud by centrální těleso při dané hmotnosti bylo extrémně malé (Slunce by muselo mít poloměr tři kilometry a Země devět milimetrů), začnou se dít zajímavé věci. Zakřivení bude natolik veliké, že z objektu nemůže uniknout žádné těleso, ani světlo. A právě takový objekt se dnes nazývá černou dírou. Schwarzschildovo řešení, včetně černé díry, popisuje zakřivení prostoru a času vně sféricky symetrického tělesa. Vesmír nemusí být sféricky symetrický a už vůbec se nenacházíme jako statický pozorovatel někde mimo vesmír, abychom toto řešení mohli použít. Naopak, jsme uvnitř vesmíru, jsme jeho nedílnou součástí a pohybujeme se spolu s jeho časoprostorem. Řešení rovnic obecné relativity v takovém případě (pro homogenní rozložení látky ve vesmíru) vede na tzv. Fridmanovo řešení a to nemá s černými děrami nic společného.

Černé díry nám ale před několika lety přece jen do kosmologie vstoupily. Niayesh Afshordi, Robert Mann a Razieh Pourhasan z Univerzity ve Waterloo a z Kanadského institutu pro teoretickou fyziku představili světu v roce 2014 zajímavou představu o zrodu vesmíru. Celý vesmír by mohl vzniknout v důsledku interakce černé díry přilétající z extradimenzí (tedy dalších dimenzí, které nevnímáme) v mnohorozměrném vesmíru. Životaschopnost modelu je těžko odhadnutelná. V budoucnu by mnohé o původu vesmíru mohlo napovědět zachycení gravitačních vln z období počátku vzniku světa. Jejich analýza by měla vyloučit modely, které nejsou v souladu s naměřeným spektrem těchto vln.

Vesmír vznikající z černé díry. Extravagance, nebo použitelný model? Zdroj: University of Waterloo.

7. Všechny prvky vznikly při Velkém třesku

To, že v průběhu Velkého třesku vznikaly prvky, je jen částečná pravda. Prvky ve vesmíru vznikaly a vznikají minimálně třemi způsoby. Prvním z nich je tzv. primordiální nukleosyntéza. Ta skutečně probíhala v prvních minutách Velkého třesku, řádově od jedné do deseti minut. V divokém reji srážek se spolu s protony – jádry vodíku – začala objevovat jádra deuteria, nestabilního tritia, hélia 3, hélia 4, lithia 6 a lithia 7. Nestabilní jádra tritia a volné neutrony se postupně rozpadala na jiné částice. Toto prvkotvorné období trvalo jen velmi krátce. V časech menších než minuta byl každý nově vzniklý celek rozbit v dalších prudkých srážkách. V čase pozdějším než deset minut pravděpodobnost srážek díky expanzi razantně klesala a navíc ubývalo volných neutronů, které se rozpadaly na protony, elektrony a neutrina s poločasem rozpadu 10 minut (jejich střední doba života je cca 15 minut). V tak krátkém období mohla vzniknout jen jádra těch nejlehčích prvků. Jejich atomární podoba, tj. atomy i s elektronovými obaly, vznikala až v samotném závěru Velkého třesku, v období cca 400 000 let po vzniku vesmíru.

Druhá vlna vzniku prvků probíhala (a stále probíhá) v nitru hvězd. Za extrémního tlaku a teploty se zde zpočátku slučují jádra vodíku na mimořádně stabilní jádra hélia. V pozdějších fázích života hvězd dochází k vytváření ještě těžších jader až po železo, které má jádro s nejvyšší vazebnou energií na nukleon . Těžší jádra nemohou samovolně vznikat, k tomu by se zvenku musela dodat energie. První generace hvězd se objevovala od 200 milionů roků a jejich vlna kulminovala v období 550 milionů roků, kdy svým svitem ionizovaly okolí a vzniklé plazma polarizovalo reliktní záření. Tyto hvězdy byly obrovské (s hmotností řádově sto Sluncí) a tlak a teplota v nitru natolik extrémní, že tvorba prvků probíhala jak ve zrychleném filmu. Doba života těchto gigantů činila pouze desítky či stovky milionů let. Dnes vznikající hvězdy mají mnohem menší hmotnosti a jejich životní osudy se počítají na miliardy až desítky miliard let. V závěru vývoje některé hvězdy odhazují obálky či dokonce explodují jako supernovy a těžkými jádry obohatí okolní mlhoviny, které se stanou zárodečnou polévkou pro vznik dalších generací hvězd. Proces smrti a stvoření probíhá po šroubovici zatím nekončícího vývoje.

Kde se ale vzala jádra zlata, olova a dalších těžkých prvků, která jsou hmotnější než jádra železa, a nemohla vznikat fúzí v nitru hvězd? Odpověď je jednoduchá. Tato hmotná jádra vznikají při explozích supernov, kdy je dostatek energie, při níž jsou neutrony vtlačovány do již stávajících jader a vytvářejí se obří a často nestabilní (radioaktivní) jádra. K obdobnému procesu dochází i při sloučení dvou neutronových hvězd. V obou případech hrají velmi důležitou roli neutrina, která běžně považujeme za jakési podivné fluidum prostupující celým vesmírem. Neutrina odnášejí z kolabujících objektů podstatnou část energie.

Prvky ve vesmíru tedy vznikají průběžně, a to i v současnosti. V průběhu Velkého třesku vznikala jen ta nejjednodušší jádra, v nitrech hvězd se slučují jádra až po železo a ještě těžší jádra vznikají při explozích supernov a fúzích neutronových hvězd (takový děj se někdy označuje jako kilonova a byl poprvé prokazatelně pozorován v roce 2017, viz AB 36/2017).

Těžká jádra vznikají při explozích supernov. Zdroj: Toshitaka Kajino.

8. Našimi přístroji dohlédneme na počátek vesmíru

Lidské technologie jsou stále důmyslnější a umožňují člověku hluboké poznání přírodních zákonů. V astronomii jsme ale většinou odkázáni na elektromagnetické záření, které v průběhu Velkého třesku intenzivně interagovalo se zárodečným plazmatem. Zkrátka pro elektromagnetický signál je počátek vesmíru zcela neprůhledný. Pokud se budeme dívat do velmi velké vzdálenosti, narazíme na neproniknutelnou stěnu konce Velkého třesku, z níž k nám putuje téměř 14 miliard roků reliktní záření, které dnes díky expanzi vesmíru, při níž se prodlužuje i vlnová délka záření, vidíme v mikrovlnném oboru. Tuto neproniknutelnou stěnu někdy nazýváme sférou posledního rozptylu (posledního rozptylu světla na volných elektronech, které se záhy staly součástí atomárních obalů).

Máme nějaké šance se dozvědět informace o průběhu samotného Velkého třesku, nahlédnout do jeho kuchyně? Ano a dokonce nemalé. Především se leccos dozvíme z analýzy fluktuací reliktního záření, které pozorujeme na oné neproniknutelné stěně – sféře posledního rozptylu. Ale můžeme provádět i přímé experimenty. Pokoušíme se zachytit reliktní neutrina (viz AB 40/2014), která se měla podle našich představ uvolnit ze zárodečné pralátky kolem jedné sekundy po počátku, a budujeme přístroje (eLISA, SKA), které by mohly zachytit gravitační vlny ze samotného vzniku vesmíru. Pokud se to někdy podaří, přestanou mít diskuze o vzniku světa charakter lidových bajek a povedou ke skutečným hypotézám a teoriím.

Neproniknutelná stěna reliktního záření nám umožňuje analyzovat jak podmínky za ní, v průběhu Velkého třesku, tak před ní, kdy ze šíření reliktního záření určujeme vlastnosti prostředí mezi stěnou a námi. Zdroj: E. M. Huff, Z. Rostomian, SDSS III, South Pole Telescope.

9. Velký třesk se podobal explozi

Občas se v médiích dočteme, že Velký třesk byl obrovskou explozí či výbuchem, což evokuje dojem velké rány doprovázené zvukovými vlnami. Tato představa není úplně ideální, zejména proto, že dodnes nevíme, co přesně Velký třesk odstartovalo. Pokud to byl fázový přechod z kvantové pěny, při němž se mikroskopické kvantové fluktuace zvětšily do makroskopických chuchvalců, byl tento jev spíše doprovázen vznikem tzv. reliktních gravitačních vln než vln zvukových. Nicméně i zvukové vlny mají v průběhu Velkého třesku své místo. Různé nehomogenity zárodečného plazmatu lze skutečně v pozdějších fázích chápat jako zvukové vlny a dokonce metodami analýzy zvukových vln, zejména rozvojem do harmonických frekvencí, lze zjišťovat vlastnosti prostředí, v němž se tyto „vlny“ pohybují. Někdy jim dokonce říkáme baryonové akustické oscilace.

Pokud se v závěru Velkého třesku baryony (neutrony a protony) rozvlnily do pravidelných obrazců (baryonových akustických oscilací), měly by se tyto oscilace v průběhu vývoje vesmíru přeměnit ve velkorozměrové struktury, v nichž jsou korelovány vzdálenosti mezi jednotlivými galaxiemi. K potvrzení této domněnky bude třeba pečlivých analýz velkorozměrových struktur ve vesmíru. Zdroj: Z. Rostomian, LBNL, SDSS III, BOSS.

10. Název „Velký třesk“ pochází od tvůrců teorie

Předobrazem dnešní teorie Velkého třesku byly Lemaîtrovy úvahy o prvotním atomu (viz AB 45/2018). První realistický průběh procesů v horkém zárodečném plazmatu provedl americký fyzik ruského původu George Gamow se svými spolupracovníky – Ralphem Alpherem a Robertem Hermanem na konci čtyřicátých let dvacátého století. Z tehdy dostupných účinných průřezů interakcí elementárních částic počítali, jak ze zárodečné polévky vznikala lehká atomová jádra a jak se na konci Velkého třesku oddělilo záření od látky. Jejich teorie horkého původu světa nebyla ale všemi fyziky přijímána. Velmi známý anglický astronom Fred Hoyle ve svém pravidelném popularizačním pořadu rozhlasové stanice Rádio 3 společnosti BBC (bylo to 28. března 1949 v 18:30 hodin) označil Gamowovu teorii horkého původu světa jako Big Bang (Velký třesk). V žádném případě ale nezamýšlel dát této teorii přitažlivý název. Jeho označení bylo pejorativní, měl na mysli velké plácnutí, velký nesmysl. Džina vypuštěného z láhve už nelze nikdy vrátit zpět, a tak se tento původně posměšný název ujal.

Konec

Odkazy

1. Jan Tauber, Markus Bauer: From an almost perfect Universe to the best of both worlds; Science Springs/ESA/Planck, 17 Jul 2018

2. Matthew R. Francis: Five facts about the Big Bang; Symmetry, 23 Aug 2016

3. Petr Kulhánek: Milníky kosmologie; AB 7/2018

4. Petr Kulhánek: Moderní kosmologie aneb Jak přednášet o kosmologii?; Projekt příhraniční spolupráce SR–ČR 2007–2013

5. Petr Kulhánek: Kilonova – sloučení dvou neutronových hvězd v přímém přenosu; AB 36/2017

6. Petr Kulhánek: Reliktní neutrina; AB 40/2014

Převzato z Aldebaran.cz