Czy Wielki Wybuch był naprawdę?
W świecie naukowym już chyba powszechnie akceptuje się pogląd, że standardowy model gorącego Wielkiego Wybuchu daje bardzo spójny i zgodny z prawdą opis ewolucji (obserwowalnego) Wszechświata od temperatur tak wysokich jak T ≈ 1012 K (t ≈ 10–4 s po „wybuchu”) aż do chwili obecnej epoka (t ≈ 10–20 miliardów lat). Model ten ma wiele dalekosiężnych implikacji nie tylko w kosmologii i fizyce cząstek, ale także w fizyce jądrowej wysokich energii (jak na przykład relatywistyczna fizyka ciężkich jonów w odniesieniu do przejścia fazowego kwark-hadron), niskoenergetycznej fizyce jądrowej (np. fizyka szybkości reakcji termojądrowych w odniesieniu do pierwotnego epizodu nukleosyntezy) oraz w astrofizyce (poprzez problematykę powstawania i początkowego składu galaktyk). Uważa się również, że są trzy fakty obeserwacyjne, które razem stanowią bardzo mocne wskazanie za słusznością podstawowych elementów modelu Wielkiego Wybuchu.
(1) Uniwersalna ekspansja odkryta przez Edwina Hubble'a w 1929 roku: wszystkie galaktyki, z wyjątkiem tych które należą do Grupy Lokalnej (grawitacyjnie związana grupa około 20 galaktyk, do której należy nasza Droga Mleczna), oddalają się od nas (i od siebie nawzajem) z prędkościami proporcjonalnymi do ich odległości. Współczynnikiem proporcjonalności jest parametr Hubble'a H(t), którego aktualna wartość to stała Hubble'a H0. Dokładna wartość H0, kluczowa do określenia wieku Wszechświata, nie jest jeszcze dokładnie znana ale autorzy klasycznych monografii podają, że z dużą wiarygodnością wartość stałej, że leży w przedziale od 50 do 100 km/s/ Mpc, chociaż wiele ostatnich ustaleń (na pomiarów odległości do cefeid, pomiarów odległości do supernowych typu Ia i pomiarów mikrofalowego promieniowania tła) wskazuje, że wartość H0 leży najprawdopodobniej w przedziale od 65 do 75 km/s/Mpc (przy założeniu liniowej ekspansji Wszechświata pozwala to oszacować jego wiek w przedziale od 13,3 do 15,4 miliarda lat).
W ostatnich latach XX wieku pojawiły się rezultaty pomiarów odległości na podstawie supernowych typu Ia, które wskazują, że Wszechświat nie rozszerza się liniowo, ze stałą szybkością, ale wkracza delikatnie w fazę przyspieszania, czyli szybkość ekspansji zaczyna zmieniać się nieliniowo. Szacuje się, że przy takiej nieliniowej ekspansji każdej wartości stałej Hubble'a mniejszej niż H0 = 70 km/s/Mpc, odpowiada wiek Wszechświata większy niż 13 miliardów lat, co daje wystarczająco dużo czasu na ewolucję najstarszych gwiazd w gromadach kulistych. Przyspieszającą ekspansję wyjaśnia się korzystając z koncepcji stałej kosmologicznej, Λ, niezależnej od czasu i przestrzeni czyli rzeczywiście STAŁEJ. Stałą kosmologiczną utożsamia się z czymś co nazywa się energią próżni, która zachowuje się analogicznie do stałej kosmologicznej: ciśnienie jest równe minus gęstości energii. Efektem działania stałej kosmologicznej jest więc rozpychanie przestrzeni Wszechświata. Od początku Wielkiego Wybuchu gęstości energii i materii maleją, fakt że od wartości niewyobrażalnie wielkich, podczas gdy stała kosmologiczna była cały czas była właśnie stała, fakt że bardzo mała. Dwa, może trzy miliardy lat temu sytuacja zaczęła się zmieniać gęstości materii i energii spadły tak bardzo, że stała kosmologiczna stała się od nich większa; zaczęła więc dominować we Wszechświecie i powodować, a może umożliwiać (?), jego przyspieszającą ekspansję.
W ostatnich latach XX wieku pojawiły się rezultaty pomiarów odległości na podstawie supernowych typu Ia, które wskazują, że Wszechświat nie rozszerza się liniowo, ze stałą szybkością, ale wkracza delikatnie w fazę przyspieszania, czyli szybkość ekspansji zaczyna zmieniać się nieliniowo. Szacuje się, że przy takiej nieliniowej ekspansji każdej wartości stałej Hubble'a mniejszej niż H0 = 70 km/s/Mpc, odpowiada wiek Wszechświata większy niż 13 miliardów lat, co daje wystarczająco dużo czasu na ewolucję najstarszych gwiazd w gromadach kulistych. Przyspieszającą ekspansję wyjaśnia się korzystając z koncepcji stałej kosmologicznej, Λ, niezależnej od czasu i przestrzeni czyli rzeczywiście STAŁEJ. Stałą kosmologiczną utożsamia się z czymś co nazywa się energią próżni, która zachowuje się analogicznie do stałej kosmologicznej: ciśnienie jest równe minus gęstości energii. Efektem działania stałej kosmologicznej jest więc rozpychanie przestrzeni Wszechświata. Od początku Wielkiego Wybuchu gęstości energii i materii maleją, fakt że od wartości niewyobrażalnie wielkich, podczas gdy stała kosmologiczna była cały czas była właśnie stała, fakt że bardzo mała. Dwa, może trzy miliardy lat temu sytuacja zaczęła się zmieniać gęstości materii i energii spadły tak bardzo, że stała kosmologiczna stała się od nich większa; zaczęła więc dominować we Wszechświecie i powodować, a może umożliwiać (?), jego przyspieszającą ekspansję.
(2) Kosmiczne (mikrofalowe) promieniowanie tła (promieniowanie reliktowe), odkryte przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona w 1965 roku, które jest unikalnym laboratorium do badania warunków początkowych, które doprowadziły do powstania obserwowanego Wszechświata. Ma widmo, które z zadziwiającą precyzją pasuje do ciała doskonale czarnego o temperaturze T0 ≈ 2,7 K, a jego jednorodność kątowa (ΔT/T <10−4) w połączeniu z domniemaną jednorodnością („zasada kosmologiczna”) zdecydowanie przemawia za gorącym i jednorodnym wczesnym Wszechświatem, w którym materia i promieniowanie były w równowadze. Przewiduje się, że materia i promieniowanie „rozprzęgły się” około 105 lat po „wybuchu”, kiedy temperatura obniżyła się do około 3 000 K (mikrofalowe promieniowanie tła zmierzone przez sondę Planck). Po tej epoce, podczas powszechnej ekspansji Wszechświata promieniowanie ochłodziło się do obecnej wartości około 2,7 K szybciej niż materia.
Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła to prawie jednorodne tło fal radiowych wypełniających Wszechświat. Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła jest w istocie ciepłem pozostałym po samym Wielkim Wybuchu – zostało uwolnione, gdy Wszechświat stał się wystarczająco chłodny, aby stał się przezroczysty dla światła i innego promieniowania elektromagnetycznego, 300 000 lat po jego narodzinach. W tym czasie Wszechświat był wypełniony gorącym, zjonizowanym gazem. Ten gaz był prawie całkowicie jednolity, ale miał niewielkie odchylenia – plamy, które były nieznacznie (1 część na 100 000) mniej lub bardziej gęste. Niewielkie zmiany intensywności kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła na niebie (odchylenia tylko o 1 część na 100 000) dają nam mapę wczesnego Wszechświata (mikrofalowe promieniowanie tła zmierzone przez Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)). Studiując tę mapę, astrofizycy uzyskali ogromną ilość informacji o ewolucji i składzie Wszechświata. Znajomość temperatury promieniowania reliktowego daje, między innymi, możliwość oszacowania, że masa pierwotnej materii, w momencie oddzielania się promieniowania reliktowego od materii, to w około 75% 1H i 25% 4He, co zgadza się z występowaniem tych pierwiastków w obecnym Wszechświecie.
Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła to prawie jednorodne tło fal radiowych wypełniających Wszechświat. Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła jest w istocie ciepłem pozostałym po samym Wielkim Wybuchu – zostało uwolnione, gdy Wszechświat stał się wystarczająco chłodny, aby stał się przezroczysty dla światła i innego promieniowania elektromagnetycznego, 300 000 lat po jego narodzinach. W tym czasie Wszechświat był wypełniony gorącym, zjonizowanym gazem. Ten gaz był prawie całkowicie jednolity, ale miał niewielkie odchylenia – plamy, które były nieznacznie (1 część na 100 000) mniej lub bardziej gęste. Niewielkie zmiany intensywności kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła na niebie (odchylenia tylko o 1 część na 100 000) dają nam mapę wczesnego Wszechświata (mikrofalowe promieniowanie tła zmierzone przez Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)). Studiując tę mapę, astrofizycy uzyskali ogromną ilość informacji o ewolucji i składzie Wszechświata. Znajomość temperatury promieniowania reliktowego daje, między innymi, możliwość oszacowania, że masa pierwotnej materii, w momencie oddzielania się promieniowania reliktowego od materii, to w około 75% 1H i 25% 4He, co zgadza się z występowaniem tych pierwiastków w obecnym Wszechświecie.
(3) Obserwowane obfitości lekkich pierwiastków (wodoru, heli i litu). Model Wielkiego Wybuchu przewiduje, że większość, jeśli nie cała, obserwowana we Wszechświecie zawartość deuteru, D, i helu, 4He, pochodzi z etapu gęstego i gorącego wczesnego Wszechświata. Jest to chyba słuszne również w przypadku litu, 7Li, obserwowanego w starych, nierozwiniętych gwiazdach, które są prawdopodobnie dobrymi miejscami do zachowania sygnatury zawartości 7Li w formujących się galaktykach. Sytuacja helu 3He wydaje się być mniej jednoznaczna; część może pochodzić bezpośrednio z Wielkiego Wybuchu, inne pochodzą z gwiezdnej transformacji pierwotnego deuteru D, a niektóre pochodzą z wodoru H spalanego w gwiazdach. Oczekuje się, że epoka nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu zakończyła się, gdy temperatury spadły do wartości w przybliżonym zakresie od 109 do 108 K (co odpowiada czasowi od 102 do 103 s). Przewidywane przez model Wielkiego Wybuchu masowe obfitości pierwiastków wynoszą około 75% wodoru-1, około 25% helu-4, około 0,01% deuteru i helu-3, ilości śladowe (rzędu 10 −10) litu. Oprócz tych stabilnych jąder powstawały również dwa niestabilne lub radioaktywne izotopy: ciężki izotop wodoru tryt (3H lub T); oraz izotop berylu beryl-7 (7Be); ale te niestabilne izotopy później rozpadły się na znane już jądra helu i litu, 3He i 7Li.To, że obserwowane obfitości we Wszechświecie są ogólnie zgodne z tymi liczbami obfitości, jest uważane za mocny dowód wskazujący na słuszność teorii Wielkiego Wybuchu. Teoria Wielkiego Wybuchu daje więc szczegółowy opis matematyczny produkcji lekkich „pierwiastków” deuteru, helu-3, helu-4 i litu-7. W szczególności teoria dostarcza precyzyjnych prognoz ilościowych dla mieszaniny tych pierwiastków, czyli pierwotnych obfitości pod koniec Wielkiego Wybuchu.
Jeśli Wielki Wybuch był naprawdę to możemy powiedzieć, że: w historii Wszechświata był moment gdy był on niesłychanie mały, niesłychanie gęsty i niesłychanie gorący. Później zaczął się rozszerzać; gęstość stawała się coraz mniejsza a temperatura coraz niższa. Zawarte w nim energia i materia ewoluowały według własnych praw.
A jeśli spytamy "dlaczego i jak rozpoczął się Wielki Wybuch?" to jest już inna bajka; na szczęście (?) jeszcze nie napisana. Zabierajmy się więc do pracy!