Jak powstał wszechświat

WSZECHŚWIAT

Dla filozofów, Wszechświat to wszystkie obiekty materialne i energia, które nas otaczają.
Dla naukowców, Wszechświat to czasoprzestrzeń, która zawiera wszystkie obiekty materialne i energię, dostępne do obserwacji metodami bezpośrednimi lub pośrednimi poprzez teleskopy i inne przyrządy obserwacyjne. W tej chwili słowo wszechświat jest dla naukowców dwuznaczne. Dla niektórych kosmologów obserwacyjnych, jest to tylko sfera o promieniu około 4*1026m (50 mld lat świetnych), z nami w centrum, a pojęcie ogólnej czasoprzestrzeni nie ma sensu. Dla niektórych fizyków teoretycznych, Wszechświat jest czasoprzestrzenią według modelu Wielkiego Wybuchu w małej skali (8*1026m), i być może jest 1000 lub 1055 lub 101029 razy większy niż sfera obserwacyjna. Obecne pomiary niejednorodności promieniowania tła wskazują, że Wszechświat jest prawdopodobnie płaski i będzie rozprzestrzeniał się w nieskończoność. Pomiary te pozwoliły także na uściślenie oceny wieku Wszechświata na 13.7 mld lat, co pozostaje w zgodzie z dotychczasowymi ocenami: 13-15 mld lat. Wiek Wszechświata określa też jednoznacznie jego rozmiar (promień) do wielkości – promień jest iloczynem wieku i prędkości światła

Jak powstał Wszechświat?


Wszystko co istnieje we wszechświecie - mnóstwo galaktyk i miliardy gwiazd w każdej z nich, niemożliwa do oszacowania liczba planet, w tym Ziemia i każdy najmniejszy kwant, było kiedyś skupione w obiekcie o wymiarach znacznie mniejszych od ziarenka piasku. To tylko obrazowe porównanie. Trudno sobie wyobrazić ten obiekt o nieskończenie małych rozmiarach, jednak bardzo poważni naukowcy stworzyli taką właśnie teorię powstania wszechświata, która została nazwana teorią Wielkiego Wybuchu.
Zgodnie z tą teorią wszechświat nie istniał od zawsze (jak uważali starożytni greccy filozofowie), lecz powstał w pewnym momencie w przeszłości i nie jest statyczny ani nieskończony. Uważano tę teorię tak niezwykłą, że nawet po uzyskaniu poważnych dowodów na jej potwierdzenie świadomie naginano fakty do powszechnego przekonania (które miała ogromna większość naukowców jeszcze sto lat temu), że jest inaczej. Dopiero odkrycia z początku XX wieku sprawiły, że teorie o pełnym ruchu we wszechświecie zaczęły przybierać realne kształty.

Największy błąd Einsteina

Już Isaac Newton (1642-1727), autor prawa powszechnej grawitacji, miał wątpliwości. Zgodnie z jego odkryciem dwa dowolne ciała we wszechświecie przyciągają się z siłą, która jest tym większa, im większe są masy tych ciał i im mniejsza jest odległość między nimi. A zatem gwiazdy powinny przyciągać się wzajemnie - nie mogłyby więc pozostawać w spoczynku. Idea jednak tak bardzo kłóciła się z ogólnie przyjętymi poglądami, że Newton i jego następcy woleli tworzyć wymyślne koncepcje (np. o równoważących się siłach przyciągania przez bliskie gwiazdy i odpychania przez dalekie, by potwierdzić wygodną teorię, że wszechświat jest statyczny), niż szukać racjonalnego wytłumaczenia tej zagadki. Wątpliwości dotyczące niezmienności wszechświata miał również niemiecki astronom Heinrich Wilhelm Olbers (1758-1840). Postawił pytanie: skoro wszechświat rozciąga się w nieskończoność w przestrzeni, a gwiazdy są równomiernie rozłożone, to dlaczego niebo jest ciemne? Patrząc niemal w każdym kierunku, obserwator powinien dostrzec światło gwiazd. Zagadkę, którą zadał Niemiec, nazwano paradoksem Olbersa. Sam twórca starał się wytłumaczyć ją w sposób typowy dla zwolenników statyczności wszechświata, że w kosmosie znajduje się materia, która pochłania część światła. Nawet Albert Einstein (1879-1955), twórca szczególnej i ogólnej teorii względności, obawiał się ośmieszenia i mimo że jego matematyczny model uzasadniał przekonanie, iż wszechświat kurczy się lub rozszerza, wolał go zmodyfikować. Wymyślił więc tak zwaną stałą kosmologiczną - siłę nie związaną z żadnym konkretnym źródłem, równoważącą przyciąganie materii znajdującej się we wszechświecie. Dzięki niej udało mu się dopasować wzory do idei wiecznego i nieskończonego wszechświata. Później, kiedy uzyskano materialne dowody na nieprawdziwość wielowiekowej koncepcji, Einstein przyznał, że włączenie stałej kosmologicznej do równań było największym błędem jego życia. Dowody podważające założenia o statycznym wszechświecie i potwierdzające prawdziwość teorii o jego rozszerzaniu się dostarczył w latach dwudziestych XX wieku amerykański astronom Edwin Powell Hubble (1889-1953).


Widma Hubble'a

W 1924 roku Hubble przeprowadził obserwacje astronomiczne, które wykazały, że nasza Galaktyka nie jest jedyna we wszechświecie. Dowiódł on, że w rzeczywistości istnieje wiele innych, oddzielonych od siebie pustymi obszarami pustej przestrzeni. Przy okazji badania widma gwiazd w odległych galaktykach (dzięki czemu można wyznaczyć temperaturę gwiazdy oraz jej skład chemiczny) zauważył, że widać w nim dokładnie te same układy kolorów co w widmach gwiazd naszej Galaktyki. Z pewną różnicą: kolory te były przesunięte w kierunku czerwonego krańca widma o taką samą względną wartość długości fali. Hubble doszedł do wniosku, że docierające na Ziemię światło z ciał kosmicznych zawiera fale elektromagnetyczne o mniejszych częstotliwościach (czyli przesunięte w kierunku czerwonego krańca widma), niż należałoby tego oczekiwać, gdyby źródło światła było nieruchome. A zatem przesunięcie ku czerwieni świadczyło, że galaktyki oddalają się od Ziemi. Udowodnienie ruchu galaktyk względem siebie nie zakończyło badań ani nie rozwiało wątpliwości. Większość astronomów była przekonana, że poruszają się one zupełnie przypadkowo, w takim wypadku część widm powinna być przesunięta ku czerwieni (gdy obiekty oddalały się Ziemi), a część w stronę niebieskiego krańca (gdy się do niej przybliżały). Ku powszechnemu zdumieniu okazało się, że prawie wszystkie widma są przesunięte ku czerwieni, a zatem przeważająca część galaktyk oddala się od Ziemi. Jeszcze bardziej zaskoczyło naukowców następne odkrycie Hubble'a, zgodnie z którym wielkość przesunięcia widma ku czerwieni jest wprost proporcjonalna do odległości galaktyki. Im dalej znajduje się ona od Ziemi, tym większą ma prędkość i tym szybciej oddala się od obserwatora. A to już z całą pewnością oznaczało, że wszechświat nie pozostaje statyczny, lecz się rozszerza. Pojawiło się jednak kolejne pytanie: skoro wszystkie galaktyki oddalają się od Ziemi, to może nasza planeta zajmuje szczególne miejsce we wszechświecie? Myśl ta była przyjemna dla ludzkości, która przez wieki wierzyła w geocentryzm, jednak naukowcy wybrali postawę sceptyczną. Rosyjski fizyk Aleksander Friedmann stwierdził, że rozszerzanie się wszechświata przypomina nadmuchiwanie cętkowanego balonu: w miarę jego powiększania się odległość między dwiema dowolnymi cętkami wzrasta niezależnie od tego, w którym miejscu balonu się one znajdują; a zatem żadna z nich nie może być uznana za centrum. W dodatku im większa odległość między nimi, tym szybciej się od siebie oddalają. Było to obrazowe potwierdzenie przypuszczeń Hubble'a, jednocześnie wykluczające centralne miejsce Ziemi we wszechświecie. Belgijski uczony Georges Edouard Lematre (1894-1966), który prowadził badania dotyczące rozszerzania się wszechświata równolegle (choć niezależnie) z Friedmannem, twierdził, że skoro galaktyki się oddalają, to w przeszłości musiał istnieć stan, gdy znajdowały się blisko siebie. Było to bardzo dawno temu (zdaniem Friedmanna od ok. 10 do 20 mld lat temu); wtedy cała materia wszechświata koncentrowała się w jednym punkcie o ogromnej gęstości. Teorię tę nazwano Wielkim Wybuchem (ang. Big Bang - "Wielkie Bum"). Powstały dwa różniące się modele oparte na koncepcji rozszerzającego się wszechświata. Pierwszy z nich przewiduje, że wszechświat będzie rozszerzał się w nieskończoność. Zgodnie z drugim "ucieczka" galaktyk jest na tyle wolna, że grawitacja może zwolnić, a następnie zatrzymać ekspansję. W takim wypadku galaktyki zaczęłyby się zbliżać do siebie, a wszechświat zacząłby się kurczyć. Kiedy materia zostałaby ściśnięta w bardzo mały punkt o ogromnej gęstości, nastąpiłaby Wielka Zapaść. Wszechświat mógłby cyklicznie kurczyć się i rozszerzać.


Wybuch, którego nie było

Kiedy uznano teorię Wielkiego Wybuchu (ang. Big Bang) za prawdopodobną (w nauce żadne prawo nie jest uznawane za niezmienne, istnieje więc możliwość, że pojawią się nowe dowody, które obalą tę koncepcję), zaczęto badać teoretycznie jego strukturę w przeszłości, cofając się aż do chwili tuż przed początkiem ekspansji. George Anthony Gamow (1904-1968), amerykański fizyk pochodzenia rosyjskiego, uważał na przykład, że wczesny wszechświat był bardzo gorący, gęsty i wypełniony promieniowaniem o bardzo wysokiej temperaturze. Według niego sekundę po Wielkim Wybuchu wszechświat miał 10 miliardów kelwinów, a trzy minuty później jego temperatura spadła do 1 miliarda. Koledzy Gamowa, Ralph Alpher i Robert Herman, obliczyli, że promieniowanie wczesnego wszechświata powinno przenikać cały kosmos i temperatura tego promieniowania powinna wynosić obecnie 5 kelwinów. Wysunęli przypuszczenie, iż takie szczątkowe promieniowanie nadal istnieje i jest możliwe do wykrycia. Mieli rację. W 1965 roku dwaj amerykańscy fizycy: Arno Allan Penzias i Robert Woodrow Wilson, wypróbowywali bardzo czuły detektor mikrofalowy. Mieli z nim kłopot, ponieważ rejestrował on dziwny szum, który nie pochodził z żadnego konkretnego kierunku. Nie wykryli źródła zakłóceń - ani w małej odległości (szukali odchodów gołębi na antenie), ani w dużej (w obszarze gwiazd naszej Galaktyki) nie było nic, co można by obarczyć odpowiedzialnością za szum. Szczątkowego promieniowania poszukiwali również dwaj inni fizycy z USA: Robert Dicke i James Peebles, ale dopiero budowali własny detektor, gdy dowiedzieli się odkryciu Penziasa i Wilsona. To oni domyślili się, że szum był reliktowym promieniowaniem kosmicznym, udowadniającym prawdziwość teorii Friedmanna. Dalsze badania przeprowadzone przez innych uczonych potwierdziły, że promieniowanie to jest pozostałością po kosmicznym wydarzeniu, które dało początek wszechświatowi, a fotony składające się na nie są najstarsze w kosmosie i istnieją od ponad 10 miliardów lat. Wszystkie obserwacje pozwoliły określić wiek wszechświata na 15-20 miliardów lat. Ten skończony czas tłumaczy wątpliwość Olbersa dotyczącą światła gwiazd: niebo nie jest rozjarzone, gdyż do Ziemi dociera światło z ograniczonej wiekiem wszechświata liczby tych ciał niebieskich. Wczesny wszechświat był wypełniony promieniowaniem i materią, którą początkowo stanowiły wodór i hel utworzone z cząsteczek elementarnych w gęstej pierwotnej kuli ognistej. Potem zaczęły narastać niejednorodności, czyli niewielkie zagęszczenia gazu, i to one przyczyniły się do pojawienia się galaktyk. Wielkiego Wybuchu nie należy wyobrażać sobie jako eksplozji z błyskiem światła i hukiem pędzącego powietrza. Nie istniały bowiem fale akustyczne ani świetlne, nie było również czasu ani przestrzeni (powstały właśnie w momencie Wielkiego Wybuchu), a zatem wraz z rozszerzaniem się wszechświata rozszerzała się czasoprzestrzeń.

...inne teorie...

Czasem astronomowie mówią również o wielu wszechświatach (jedynym domniemanym empirycznym potwierdzeniem ich istnienia jest funkcja falowa Hawkinga), chociaż z punktu widzenia pierwszej definicji, jest to absurdalne. Mają wtedy na myśli twory, które (być może) istnieją w innej czasoprzestrzeni niż nasza (np. jest hipoteza, że każda czarna dziura jest zalążkiem nowego wszechświata). W tym sensie można więc mówić również o meta-Wszechświecie (lub wszech-wszechświecie) zawierającym wszystkie wszechświaty. O tę hipotezę oparty jest jeszcze jeden model powstania naszego Wszechświata, zwany teorią Wielkiej Kraksy.

Poza Wszechświatem nie istnieje czas, ani przestrzeń.



Tajemnice Wszechświata:

Największa struktura we Wszechświecie

Największą strukturą wykrytą we Wszechświecie jest kokonowa warstwa galaktyk o średnicy 650 min lat świetlnych, otaczająca Lokalną Supergromadę. Odkrycie to, dokonane przez zespół francuskich astronomów kierowanych przez Georgesa Paturela, zostało ogłoszone w czerwcu 1994 r

Najdalszy widoczny obiekt

Najbardziej oddalonym ciałem niebieskim widocznym z Ziemi gołym okiem jest Wielka Galaktyka w Andromedzie (o wielkości gwiazdowej 3,47), znana również jako obiekt Messier 31. Jest to wielka wirująca mgławica w kształcie spirali, znajdująca się w odległości ok. 2 310 000 lat świetlnych od Ziemi i poruszająca się w jej kierunku. Przy dobrych warunkach gołym okiem można zaobserwować Messier 33, Galaktykę Spiralną w Gwiazdozbiorze Trójkąta (o wielkości gwiazdowej 5,79), oddaloną o 2 530 000 lat świetlnych.

Najdalszy obiekt

Kwazary (ich masy ocenia się na miliard razy większe od masy Słońca), wysyłające silne promieniowanie radiowe, są uważane za aktywne centra odległych galaktyk. Interpretacja stopnia ich poczerwienienia (przesunięcia linii widmowych promieniowania ku czerwieni) jako miary odległości, jest ograniczona przez brak wiedzy o stałych uniwersalnych. Rekordowe poczerwienienie wynosi 4,897 i określili je w lutym i marcu 1991 r. Donald P. Schneider, Maarten Schmidt i James E. Gunn. Jeśli przyjąć, że istnieje obse/wowa/ny horyzont, którego prędkość ucieczki równa się prędkości światła, byłby on oddalony o 14 mld lat świetlnych. Kwazar PC 1247+3406 jest, jak wynika z interpretacji danych, oddalony o 94,4 % tej wartości czyli 13,2 mld lat świetlnych.


Najjaśniejszy obiekt

Jest nim kwazar HS1946+7658, który jest co najmniej 1,5 x 1015 razy jaśniejszy niż Słońce. Jego odkrycie zostało ogłoszone w lipcu 1991 r. Posiada on poczerwienienie 3,02, a więc jego odległość od Ziemi ocenia się na 12,4 mld lat świetlnych.

Najbardziej gwałtowny wybuch w kwazarach

13.11.1989 r. zespół japońsko-amerykański zaobserwował, że energia emitowana przez kwazar PKS0558-504 (znajdujący się w odległości ok. 2 mld lat świetlnych) zwiększyła się o dwie trzecie w przeciągu trzech minut. Wypromieniowana energia jest równowartością energii wytwarzanej przez Słońce w ciągu 340 000 lat.

Najstarsza galaktyka

W kwietniu 1992 r. ogłoszono, że satelita COBE, wystrzelony przez NASA 18.11.1989 r., odkrył niewielkie fluktuacje temp. mikrofalowego tła Kosmosu(-270,424C). Zinterpretowano to jako ślad początku tworzenia się galaktyk w obrębie Wszechświata, już w pierwszym miliardzie lat po Wielkim Wybuchu (Big Bang).


Najbliższa gwiazda

Pomijając Słońce, najbliższa nam jest słaba Proxima Centaur!, odkryta w 1915 r. a oddalona o 4,225 lat świetlnych (4 x 1013 km). Najbliższą obserwowaną okiem nie uzbrojonym jest gwiazda podwójna Alfa Centaura widoczna na półkuli płd. nieba i odległa o 4,35 lat świetlnych.

Największa gwiazda

Nadolbrzym klasy M, Betelgeuse -a Oriona (górna lewa gwiazda w gwiazdozbiorze Oriona), odległy o 310 lat świetlnych, ma średnicę 70 min km, 500 razy większą niż Słońce. Otoczony jest warstwą pyłową oraz halo rozrzedzonego gazu o łącznej średnicy 8,5x10" km.

Najmniejsza gwiazda

Neutronowe gwiazdy, które mogą mieć masę równą trzykrotnej masie Słońca, posiadają średnicę tylko 10-30 km.



Najcięższa gwiazda

Zmienna ti Carinae (eta Kila), odległa o 9100 lat świetlnych posiada masę 150 do 200 razy większą niż Słońce.

Najjaśniejsza gwiazda

Gdyby obserwować gwiazdy z tej samej odległości, to najjaśniejszą byłaby ti Carinae (eta Kila), której całkowita jasność jest 6,5 min razy większa od Słońca. W 1843 r. jej absolutna jasność była 60 min razy większa niż jasność Słońca. Jednakże wizualnie najjaśniejszą jest hiperolbrzym Cygnus OB2 nr 12, oddalony o 5900 lat świetlnych. Posiada absolutną wielkość gwiazdową -9,9 (jest 810 000 razy jaśniejszy od Słońca). Jasność ta może być porównywalna z jasnością nadolbrzyma IVb 59 pobliskiej galaktyki Messier 101.

Najjaśniejsza gwiazda widziana z Ziemi

Syriusz A (alfa Wielkiego Psa) oddalony o 8,64 lat świetlnych, jest najjaśniejszą gwiazdą na niebie. Jego wielkość gwiazdowa wynosi obecnie -1,46, maks. wzrośnie do -1,67 do 61 000 r. Ma średnicę 233 min km i masę 2,14 razy większą od masy Słońca.


Gwiazdozbiory

Największym spośród 88 gwiazdozbiorów jest Hydra (Wąż Wodny), która pokrywa 3,16 % całego nieba i liczy co najmniej 68 gwiazd widocznych okiem nieuzbrojonym. Gwiazdozbiór Centaur, dziewiąty pod względem zajmowanej powierzchni, obejmuje co najmniej 94 takie gwiazdy. Najmniejszym gwiazdozbiorem jest Krzyż Południa zajmujący tylko 0,16% całego nieba.

Zodiak

Największym gwiazdozbiorem zodiakalnym jest gwiazdozbiór Panny o pow. 1294,428 stopni kwadratowych, a najmniejszym Koziorożec o pow. 413,947 stopni kwadratowych. Gwiazdozbiór Byka posiada największą liczbę 125 jasnych gwiazd (do 6 wielkości), podczas gdy Baran, Koziorożec i Waga mają ich najmniej, bo tylko po 50 każdy.




Bibliografia:

• „Księga GUINESSA 1997”

• strony internetowe poświęcone astronomii

• ENCYKLOPEDIA PWN

• Encyklopedia OXFORD