Zanik vesmiru?
Zanik vesmiru?
Zanik vesmiru je velmi rozsiahla tema a preto pre nedostatok miesta sa jej budem venovat len strucne.
Astronomovia dlho verili, ze vesmir je staly, ze nema v case zaciatok ani koniec, ze existuje vecne. V dvadsiatych rokoch nasho storocia vsak rusky matematik A. Fridman a belgicky kozmolog G. Lamaitre na zaklade riesenia rovnic vseobecnej teorie relativity poukazali na to, ze vesmir jednoducho nemoze byt staticky - musi sa alebo rozpinat alebo zmrstovat. V tom pripade vsak musi mat v case svoj zaciatok a mozno i koniec. Ich teoriu podporil aj objav E. Hubbla z roku 1929, kei Hubble objavil cerveny posun v spektrach vzdialenych galaxii. Kei totiz rozlozime hranolom svetlo nejakej hviezdy alebo galaxie, uvidime tam spektralne ciary. Je to podobne, ako kei dame za jasneho slnecneho dna pohar k oknu a na obruse sa nam objavi duha. Vtedy vidime rozlozene biele slnecne svetlo na rozlicne farby od cervenej, cez zltu a zelenu az po modru. Hviezda, ktora sa od nas nevzialuje a ani nepriblizuje ma "normalne" spektralne ciary, napriklad absorbcne ciary vodika (na vlnovej dazke, ktoru vodik obsorbuje je prazdna ciara) vidime tam, kde maju byt. Ale galaxia, ktora sa od nas vzialuje, ma ciary posunute k cervenemu koncu spektra. Toto si vysvetlujeme doplerovym javom. Je to podobne tomu ako kei sa k nam priblizuje nejake auto, tak pocujeme jeho hlas na vyssej frekvencii ako kei sa od nas vzialuje. Keby sa k nam galaxie priblizovali, tak by boli ich spektralne ciary posunute k modremu koncu spektra. Modre svetlo ma vyssiu frekvenciu ako cervene. E. Hubble tak objavil, ze sa galaxie od nas vzialuju. Objavil, ze cerveny posun v spektrach galaxii je umerny ich vzdialenosti. Nespravne sa mu vsak podarilo zmerat konstantu do svojho vztahu urcujuceho vek vesmiru - takzvanu Hubblovu konstantu. Z jeho vztahu vychadzal tak strasne nizky vek vesmiru (2 miliardy rokov), ze to bolo v rozpore s geologickymi udajmi o veku Zeme (4,5 miliardy rokov). Vacsina astronomov tak ani po tomto objave nedoverovala teorii rozpinania vesmiru a verila si ialej na svoj staticky vesmir.
Americky fyzik ruskeho povodu George Gamow vsak hnei rozpoznal dosledky Hubbloveho objavu a celkom odmietol myslienku statickeho vesmiru. Gamow rozpracoval teoriu big bangu alebo po Slovensky velkeho tresku (nazov big bang vymyslel anglicky fyzik Fred Hoyle, velky priaznivca teorie statickeho vesmiru) a spravne predpovedal pomer vodika k heliu vo vesmire 3:1 a existenciu reliktoveho ziarenia.
Gamow spravne predpovedal, ze z chladnucej a stale redsej pociatocnej hmoty vesmiru vznikli takmer len jadra dvoch prvkov - jadra vodika a helia, pricom vzniklo trikrat viac vodika ako helia. Vsetky ostatne prvky vznikli pri termonuklearnych reakciach vo vnutri hviezd. Dnes tvoria len asi 2% hmoty vo vesmire. Pomer vodika a helia bol na konci sedemdesiatych rokov potvrdeny aj astronomickymi pozorovaniami.
Gamow taktiez predpovedal existenciu mikrovlnneho ziarenia kozmickeho pozadia, pozostatku po horucej rannej faze rozpinania vesmiru, ktore uz odvtedy vychladlo na zhruba 5 kelvinov. Tuto jeho predpovei potvrdil objav americkych radioastronomov A. Penziasa a R. Wilsona, ktori v roku 1965 objavili ziarenie pozadia, ktore malo teplotu 2,75 Kelvina, cize - 270,5 oC. Tato hodnota je v uspokojivej zhode s predpoveiou Gamowa. Koncom sestdesiatych a v sedemdesiatych rokoch sa stala teoria velkeho tresku vseobecne uznavanou. Aj Hubblovu konstantu sa dovtedy podrilo upravit tak, ze z nej vychadzala rozumna hodnota veku vesmiru - 15 miliard rokov.
Zo serioznych astronomov uz nepochybuje o spravnosti teorie velkeho tresku takmer nikto. Ale nejasnosti okolo niektorych veci pretrvavaju dodnes. Hlavne otazky, na ktore chcu najst astronomovia a astrofyzici odpovei su nasledovne: Aka je presna hodnota Hubblovej konstanty, pomocou ktorej mozme zistit vek vesmiru? Bude sa vesmir rozpinat vecne alebo sa raz rozpinanie zastavi a prejde do zmrstovania, na konci ktoreho nastane takzvany big crunch? Vesmir by sa tak zrutil sam do seba.
Astronomovia vkladali obrovske nadeje do Hubblovho kozmickeho teleskopu. cakali, ze tento ialekohlad im pomoze urcit presny vek vesmiru a mozno aj predpovedat jeho osud. Na urcenie Hubblovej konstanty potrebujeme poznat presnu vzdialenost nejakej vzdialenej kopy galaxii. Kei budeme poznat jej vzdialenost, tak uz pomocou jej cerveneho posunu budeme vediet urcit aj Hubblovu konstantu. Presnu vzdialenost vzdialenych galaxii vieme urcit podla cefeid, ktore sa v nich nachadzaju. Cefeidy su pulzujuce premenne hviezdy a medzi ich svietivostou a periodou je vztah, ktory nam umoznuje urcit ich absolutnu hviezdnu velkost. Potom uz podla zdanlivej hviezdnej velkosti vieme urcit jej vzdialenost. Pred vypustenim HST- cka sme vedeli odhalit cefeidy len do vzdialenosti 12 milionov svetelnych rokov. V roku 1994 vsak HST-cko odhalilo cefeidy v kope galaxii v suhvezdi Panny, ktora je od nas vzdialena 50 milionov svetelnych rokov. Tym sa podarilo spresnit hodnotu Hubblovej konstanty, ktora sa tak zvacsila takmer o polovicu a predpokladany vek vesmiru klesol na 8 miliard rokov. Dovtedy sa predpokladalo, ze vesmir ma minimalne 15 miliard rokov. Mame vsak dokazy o tom, ze niektore hviezdy v gulovych hviezdokopach okolo nasej Galaxie maju 12 a mozno az 15 miliard rokov. Su teda starsie ako vesmir? To je nezmysel! Aky stary je teda nas vesmir? Niektori astronomovia tvrdia, ze urcovanie vzdialenosti podla cefeid nie je az take presne ako sme si doteraz mysleli.
Moze to byt naozaj pravda, urcovanie vzdialenosti podla cefeid ma tiez svoje slabe miesta. Kopa galaxii v suhvezdi Panny je tiez kozmologicky priliz blizko, takze to moze byt ialsia pricina preco vysla taka vysoka hodnota Hubblovej konstanty. Vacsina astronomov si naialej mysli, ze vesmir ma okolo 15 miliard rokov. Ja si myslim, ze presny vek vesmiru nebudeme poznat skor ako o 10 az 20 rokov a dovtedy nam musia stacit nase doterajsie spekulacie. Zakladna otazka znie, ci je vesmir dostatocne tazky na to, aby sa raz posobenim svojej vlastnej gravitacie rozpinanie zastavilo a preslo do zmrztovania. Hmoty, ktoru sme schopni vo vesmire priamo pozorovat je velmi malo. Ta by nikdy nedokazala rozpinanie zastavit, dokonca keby okrem priamo pozorovatelnej hmoty vo vesmire ziadna ina neexistovala, tak by sa uz nas hmotny vesmir bol davno "rozptylil do nekonecna". To, ze vesmir obsahuje ovela viac hmoty ako sme schopni pozorovat priamo, vieme uz davno. Kopy galaxii by sa totiz pri svojej hmotnosti a rychlosti pohybu boli uz davno rozpadli, keby obsahovali len tolko hmoty, kolko sme schopni priamo pozorovat. Gravitacia priamo pozorovanej hmoty by ich nebola schopna udrzat pokope. Pozorovania spiralovych galaxii, kde rotuju vonkajsie casti ramien rovnako rychlo ako vnutorne casti okolo jadra galaxii, naznacili, ze tu naozaj nie je cosi v poriadku. Ako to, ze sa tieto galaxie nerozpadnu? Podla sucasnych pozorovani je pomer skrytej a pozorovanej hmoty 100:1. Ale co tu skrytu hmotu tvori? Existuju dve teorie. Podla jednej ju tvoria takzvani cerveni trpaslici (male cervene slabo ziariace hviezdy), hnedi trpaslici - prechodne utvary medzi hviezdami a planetami, ktore maju vacsiu hmotnost ako planety, ale nedostatocnu na zapalenie termonuklearnych reakcii, cierne diery, neutronove hviezdy, planety alebo ine hmotne objekty lubovolnej hmotnosti a velkosti. Tieto objekty volame MACHO (Massive Comact Halo Objects - masivne kompaktne objekty hala). Podla niektorych astronomov by MACHO mohli tvorit tmave halo nasej galaxie. Podla pozorovani vsak MACHO tvori najviac 5% skrytej hmoty. coraz viac kozmologov sa dnes priklana k nazoru, ze vacsinu tmavej hmoty tvoria elementarne castice, ktore maju strasne malu hmotnost a je ich strasne vela. Jednou z tychto castic by mohli byt male vsetkym prenikajuce castice neutrina. Cez nasu Zem napriklad preletia, akoby tu bolo vakum. Na kazdu jednu zrazku neutrina s casticou Zeme pripada jeden miliard neutrin, ktore cez Zem bez problemov preletia. Dodnes vsak nevieme, ci neutrina maju nejaku aj kei nami nemeratelnu hmotnost alebo su to castice pohybujuce sa rychlostou svetla ako foton. Vacsina fyzikov sa dnes priklana k nazoru, ze neutrina predsa len maju nejaku hmotnost. Bezpocet neutrin vznikol hnei po big bangu a neutrina vznikaju aj dnes. Vznikaju pri termonuklearnych reakciach vo vnutri hviezd, pri vybuchoch supernov a aj pri radioaktivnom rozpade. Na kazdy jeden proton a elektron vo vesmire pripada miliarda neutrin. Najnovsie merania v Los Angeles National Laboratory v Novom Mexiku vsak ukazuju, ze aj kei neutrina maju pokojovu hmotnost, tvoria nanajvys 30% skrytej hmoty.
Dalsou skupinou castic, ktore by mohli tvorit cast skrytej hmoty su WIMPy (Weakly Interacting Massiv Particles). Existuju vsak este len vo fantazii teoretikov. Su to supersymetricki
partneri dodnes znamych castic. Najtazsie WIMPy sa vytvorili hnei po big bangu, ale potom sa postupne rozpadli na lahsie WIMPy, ktore su este stale 10 az 100 krat tazsie ako proton. Keize su tieto zahadne castice take tazke, pohybuju sa ovela pomalsie ako svetlo. Podla teoretikov sa tieto castice mozu viaka gravitacii spajat do obrovskych oblakov, okolo ktorych sa potom zoskupuje baryonicka hmota. Ak je to pravda, potom aj nasa Galaxia sa nachadza v takomto oblaku WIMPov a nasa Zem sa kazdu sekundu stretava s miliardami a miliardami WIMPov. castice WIMP vsak bude velmi tazke zachytit, lebo len slabo interaguju s pre nas tak dobre znamou - takzvanou baryonickou hmotou. Napriek tomu sa uz podla niektorych vedcov vyskytli aj v urychlovacoch Fermilabu v state Illinois a vo svajciarskom CERNe. Bolo to pri experimentoch na urovni vysokych energii, pri ktorych sa napodobnuju podmienky kratko po big bangu. Boli to vsak len ojedinele pripady, ktore sa potom nepodarilo zopakovat, preto sa nemozu oznacit za dokaz ich existencie. Mohlo ist aj o nejaky omyl, ktory v tom momente vyzeral ako WIMP. Ak WIMPy naozaj existuju, potom sa ich v blizkej buducnosti podari vytvorit a definitivne dokazat v nasich urychlovacoch. A kei ich vytvorime v urychlovacoch, potom nemame dovod domnievat sa, ze v prirode neexistuju.
Okrem WIMPov by podla fyzikov mohli v prirode existovat aj takzvane axiony. Tieto by mali len triliontinu hmotnosti protonu, ale v kazdom kubickom centimetri priestoru by ich existovalo priblizne 100 trilionov. Ak je to pravda, tak axiony tvoria dominujucu formu skrytej hmoty. Axiony sa podla teorie vytvorili hnei po big bangu. Vedci sa teraz pokusaju stavat na axiony vseliake pasce, ktore by ich mohli zachytit a tak ich existenciu definitivne dokazat. Napriek tomu sa nazdavaju, ze na odpovei, ci axiony skutocne existuju alebo nie, budu vediet odpovedat najskor za desat rokov.
To, ci skrytu hmotu tvoria objekty MACHO, WIMPy, ci axiony, je predmetom mnohych polemik. Ja sa vsak nazdavam, ze skrytu hmotu tvoria objekty MACHO a WIMPy spolocne. Je vsak tolko skrytej hmoty, aby jej gravitacia bola schopna rozpinanie vesmiru zastavit a premenit na zmrstovanie? Aky by bol zivot vo vesmire, ktory sa navzdy rozpina? Aky ma nas zivot zmysel, kei po velkom krachu na konci vesmiru po nas nezostane vobec nic? Alebo mame sancu prezit aj big crunch?
Otazok je vela, ale ani na jedna z nich sa neda jednoznacne zodpovedat. Na tu prvu sa pokusaju astronomovia najst odpovei pozorovanim vybuchov velmi vzdialenych supernov typu Ia. Tieto supernovy vybuchuju v sustavach dvoch hviezd, pricom jedna z nich je cerveny obor a druha biely trpaslik. Kei na povrch bieleho trpaslika dopadne velke mnozstvo hmoty z cerveneho obra, tak sa na povrchu bieleho trpaslika zapalia silne termonuklearne reakcie, coho dosledkom je totalna destrukcia. Zaciatkom tohto roku (1998) prezentovala svoje vysledky skupina astronomov, ktorej sa podarilo pozorovat vybuchy 15 vzdialenych supernov, pricom jedna z nich bola vzdialena na 7,7 miliardy a dve ialsie na 5,5 miliardy svetelnych rokov. Vzdialenost urcovali porovnavanim spektra vzdialenych supernov so spektrami blizkych, podobnych supernov, ktorych vzdialenost vieme urcit s dostatocnou presnostou. Tato metoda je vsak dost nepresna, chyba merania moze byt aj niekolko desiatok percent. Pre hruby odhad to vsak staci. Zo vzdialenosti miesta vybuchu supernovy a z jej cerveneho posunu tak vieme urcit rychlost rozpinania vesmiru v case vybuchu. Z pozorovani vyplyva, ze vo vesmire je predsa len malo hmoty na to, aby sa dnesne rozpinanie raz zastavilo a preslo do zmrstovania. Su to vsak este velmi neiste vysledky. Dnes este nemame k dispozicii dostatok napozorovanych dat na to, aby sme vedeli dat jednoznacnu odpovei na najvacsiu otazku dnesnej astronomie.
Na obrazku vidite zabery troch supernov typu Ia z Hubblovho vesmirneho ialekohladu, pomocou ktorych sa pokusali astronomovia najst odpovei na to, akou rychlostou sa vesmir rozpinal pred miliardami rokov. Celkom na lavo je supernova 1997cj (na dolnom obrazku je zvacsena), ktora vzplanula v suhvezdi Velkej medvedice zhruba pred 5,5 miliardami rokov. V strede je zhruba tak isto stara supernova 1997ce. Najstarsia je supernova 1997ck na pravej strane. Jej vek odhadli odbornici na 7,7 miliard rokov. Nachadza sa v suhvezdi Herkula a ma cerveny posun 0,97. Naprek tomu, ze vznikli vtedy, kei nasa slnecna sustava este ani neexistovala alebo este vznikala, ich svetlo doleteko na Zem len teraz. Tieto obrazky nam mozu pomoct najst odpovei na otazku, ci sa bude vesmir rozpinat vecne.
Ako vsak bude vyzerat nas vesmir, ked sa bude navzdy rozpinat? Velmi smutne! Hviezdy, ktore mozeme dnes noc co noc obdivovat na oblohe raz vyhasnu a ostanu po nich len biele trpasliky, neutronove hviezdy a cierne diery. Pravdaze v obrovskych medzihviezdnych mracnach sa rodia aj nove hviezdy a tak obloha neostane bez hviezd. Raz sa vsak vycerpa aj vodik v medzihviezdnych mracnach a coraz zriedkavejsie sa budu rodit nove hviezdy, az raz pride cas, kei vyhasne aj posledna hviezda na oblohe. Vesmir sa medzitym bude naialej rozpinat a tak bude hustota hmoty velmi mala. Pozostatky po galaxiokopach pravdaze ostanu spolu, ale od ialsich galaxiokop ich budu delit nesmierne vzdialenosti. Vo vesmire budu plavat osamotene obrovske cierne diery, neutronove hviezdy, vyhasnute cierne trpasliky a planetoidy roznych velkosti. Kei budeme nesmierni optimisti a budeme predpokladat, ze sa nasa civilizacia dozije tejto doby, tak ma sancu sa v takomto vesmire ialej vyvijat? Ja si myslim, ze vtedajsia civilizacia bude na takej urovni, ze si s tym urcite poradi. Bude to vsak civilizacia, ktora s nasou terajsou uz nebude mat nic spolocne. Nebudu to len ludia, ale budu to obyvatelia roznych svetov, s ktorymi sa stretneme pri dobyvani vesmiru. Vtedajsie civilizacie budu pravdepodobne zit v okoli obrich ciernych dier a energiu budu tazit z ich gravitacie. cierne diery sa vsak za tisicky miliard rokov "vyparia" a co bude potom?
Mnoho odbornikov sa vsak skor priklana k nazoru, ze sa rozpinanie raz zastavi a nastane zmrstovanie, na konci ktoreho bude velky kolaps. To, kedy by sa mohlo rozpinanie zastavit nevie nikto. Urcite vsak nie skor ako o 30 - 40 miliard rokov. Moze sa vsak zastavit aj v obdobi temna, kei uz oblohu nebudu zdobit hviezdy. Ma v takomto pripade sancu civilizacia prezit? Na prvy pohlad tato otazka nedava ziadny zmysel, vei odpovei by mala byt jednoznacne NIE. Vei, kei vo velkom krachu zanikne cely vesmir, tak zaniknu aj jeho obyvatelia, doknca aj cas, vsetko! Ale niektori teoretici tvrdia, ze to "nie" nie je az take jednoznacne. Vei co, kei existuje velke mnozstvo paralelnych vesmirov a kei ich je velmi vela, mozno az nekonecne vela, tak v niektorom z nich by mohli panovat aj podmienky take iste ako v nasom vesmire. cize, mohli by tam vladnut rovnake fyzikalne zakony. A kei raz budeme vediet s nejakym takym vesmirom "naviazat kontakt" a dostat sa tam, tak prezijeme! Dokonca je mozne, ze raz budeme vediet takyto vesmir stvorit aj sami. Tieto teorie su vsak uz velmi blizke Sci-Fi.