Hungary

Az emberiséget mindig is foglalkoztatta, hogy a Világegyetem hogyan jött létre és hogyan ér majd véget a története. Az ókori görögök és számos más civilizáció hitt abban, hogy a Világegyetem örök. Arisztotelész volt az első, aki másként gondolta, szerinte a Világegyetem véges és az úgynevezett "isteni gömbbe" van zárva. Mindenki legnagyobb meglepetésére 1930-ban kiderült, hogy a Világegyetem nem végtelenül öreg, hanem éveinek száma véges. A csillagász, Edward Hubble égi megfigyelései által arra a következtetésre jutott, hogy az összes galaxis távolodik egymástól. Ebből az is következik, hogy 1000 évvel ezelőtt közelebb, 1 millió évvel ezelőtt pedig még közelebb voltak egymáshoz. Végül valamikor a múltban, úgy 13,7 milliárd évvel ezelőtt a Világegyetem összes anyaga egy kis térfogatú, nagy sűrűségű és hőmérsékletű térben volt összenyomva.

A Nagy Bumm. Forrás: Counterbalance Foundation

Mivel a kezdeti állapotból történő tágulás egy óriási robbanásra hasonlít, a folyamatra és az elméletére hamar a Nagy Bummként kezdtek el hivatkozni. Eredetileg a Nagy Bumm kifejezést az elgondolás ellenzői használták ironikusan, hiszen 1930-ban elképzelhetetlennek tartották, hogy a Világegyetem nem végtelenül öreg. Azonban a Nagy Bumm elnevezés szárnyra kapott, és azóta is használják, mert könnyen megragadta mind a tudósok, mind pedig a laikusok képzeletét.

Jelenleg a Nagy Bumm elmélet a Világegyetem eredetének leginkább elfogadott elképzelése, de messze nem tökéletes és teljes. A Nagy Bumm elmélet leírja, hogy a Világegyetem hogyan fejlődött a létrejötte után, de számos kozmológiai kérdés merül fel vele kapcsolatban. Hogyan történt a Nagy Bumm? Ha a Világegyetem tágul, akkor mi az, amiben ez a tágulás végbemegy? A kérdések némelyike igazán érdekes kihívást jelent a csillagászok számára, mások pedig csak zavarba ejtőek. Például tudjuk, hogy mi történt a Világegyetemmel a Nagy Bumm utáni töredékmásodperctől kezdve, de nincsenek válaszaink arra, hogy mi történt előtte, amikor a tér és az idő létrejött. Mi van ha azt kérdezzük, hogy mi volt a Nagy Bumm előtt? Hát semmi, ugyanis a Nagy Bumm előtt nem létezett tér és idő, így nincs is értelme a Nagy Bumm előttről beszélni, és arról, hogy hol volt előtte bármi is.

A Nagy Bumm elmélet azt állítja, hogy az összes anyag már a kezdetekkor rendelkezésre állt, csak ez egy igen kicsi helyre volt összenyomva. Azt is feltételezi, hogy a Nagy Bumm előtt nem volt tér és idő. Hubble felfedezte, hogy a galaxisok egymástól távolodnak, amiből arra lehet következtetni, hogy a tér tágul. Ez azt jelenti, hogy a távolodás oka nem a galaxisok mozgása, hanem a tér tágulása következtében látszanak a galaxisok egymástól távolodónak.

Albert Einstein általános relativitáselmélete leírja, hogy minden objektum a térbe van ágyazva, és maga a tér tágul, ezáltal nő a távolság az egyes égitestek között. Az anyag és a tér minden pontja egy közös pontban helyezkedtek el a Nagy Bumm előtt, tehát a Nagy Bumm mindenütt történt egyszerre.

Talán könnyebben el tudjuk mindezt képzelni egy léggömb segítségével. A léggömb felszínére, amely a teret jelképezi (ebben az esetben kétdimenziós) százszámra galaxisokat szimbolizáló jelöléseket teszünk. Ha a léggömböt felfújjuk, akkor a jelölések egymástól távolodónak látszanak, de valójában a léggömb anyaga nyúlik meg, és távolítja el egymástól a "galaxisokat".

Amikor Edward Hubble nagyon távoli forrásokból származó fényt vizsgált, úgy tűnt neki, hogy minden galaxis távolodik egymástól. Azt észlelte, hogy a detekált fény eltolódott a látható spektrum vörös színe felé. Ezt az úgynevezett Doppler-hatással lehet értelmezni, amely szerint a megfigyelőtől távolodó forrásból származó fény alacsonyabb frekvenciájúnak látszik..

Az alacsonyabb frekvencia azt jelenti, hogy az észlelt fény vörösebb, mint a kibocsátott fény. Ezt a jelenséget vöröseltolódásnak hívják.

A Doppler-hatás illusztrációja. Forrás: epicphysics.com

A Doppler-hatás minden hullámtípusra érvényes, azonban legegyszerűbben a hangok esetén lehet megérteni. Képzeljünk el egy motorost, amelyik egy B megfigyelő felé halad. A motor hanghullámokat (zajt) bocsát ki minden irányba, de mivel a motoros előrefelé halad, a korábban kibocsátott hanghullámokhoz közelebb ér. Ez azt jelenti, hogy a hullámfrontok közötti rés kisebb lesz, így a hang frekvenciája nő, és a B megfigyelő magasabb hangot észlel. A motoros mögött a hatás éppen az ellenkezője, azaz a hullámfrontok közötti rés nő, ahogyan a motoros távolodik az A megfigyelőtől, aki alacsonyabb hangot hall.

A fény esetén a hatás teljesen azonos. A megfigyelő felé mozgó fényforrásból jövő hullám összenyomódik, ami nagyobb frekvenciát és kisebb hullámhosszot jelent, így kékebbnek látszik a fény. A tőlünk távolodó galaxisokból származó fény frekvenciája lejjebb tolódik (hullámhossza nő), és vörösebbnek látszik.

Ezen a képen azt láthatjuk, hogy a távoli galaxisokból származó fény sárga helyett vörös, mivel a galaxisok távolodnak tőlünk. Forrás: ESA/NASA

A korai Világegyetemet érintő elméletek meglehetősen bizonytalanok, mivel nem sok információnk lehet arról, hogy mi történt 13,7 milliárd évvel ezelőtt.

Úgy gondoljuk, hogy a Világegyetem kialakulásakor a hőmérséklet olyan magas volt, hogy az anyag csak elemi részecskék (kvarkok, elektronok, fotonok) formájában létezett. Nem voltak sem atommagok, sem atomok, sem szilárdtestek, sem bolygók, sem pedig csillagok. Ebben a pillanatban csak elemi részecskék léteztek.

Körülbelül egy millimásodperccel a Nagy Bumm után a hőmérséklet annyira lecsökkent, hogy a protonok és a neutronok létrejöhettek az elemi kvarkok egyesülésével.

Hat különböző kvark létezik. Ezek közül gyakorlatilag kettőből épül fel majdnem az összes anyag: a fel és a le kvarkból. Három kvark egyesülésével egy proton (2 fel + 1 le) vagy egy neutron (1 fel + 2 le) jöhet létre.

1965-ben két amerikai kutató, Penzias és Wilson egy új, a korábbiaknál sokkal érzékenyebb rádióantennát épített azért, hogy a műholdak jeleit elemezzék. Így bukkantak teljesen véletlenül egy rejtélyes mikrohullámú sugárzásra, amelynek forrása igen távolinak tűnt, és eredetére semmilyen magyarázatot nem találtak. Később rájöttek, hogy ez a sugárzás a Nagy Bumm pillanatában jött létre, és elnevezték kozmikus háttérsugárzásnak, amely az űr hőmérsékletét 2,7K-re emeli. Ez a sugárzás majdnem teljesen homogén minden irányban.

A háttérsugárzást mi magunk is észlelhetjük! Egy analóg TV tökéletes beállítása előtt a képernyőn "zajt" lehet látni. A vibráló pontok 10 százalékáért a háttérsugárzás a felelős. Természetesen ilyet a digitális televíziókon már nem figyelhetünk meg.

Honnan jön?

Az első hidrogén-, hélium- és lítiumatommagok létrejötte után, ezek a magok a Világegyetem még korábbi időszakában keletkezett elektronok tengerében úsztak. Minden elektron negatív, és minden proton pozitív elektromos töltéssel rendelkezik. Ezek a protonok és elektronok vonzódnak egymáshoz az ellentétes töltéseik miatt, így az elektronok egy felhőt próbálnak a protonok körül kialakítani.

Azonban a magas hőmérséklet szinte azonnal szétbontja ezt a felhőt, és a protonokat és elektronokat véletlenszerű pályákra kényszeríti. 300000 évnek kellett eltelnie, hogy a Világegyetem annyira lehűljön, hogy az elektronfelhő stabil maradjon. Az atommagokat a kísérő elektronjaikkal együtt atomnak nevezzük.

A fotonok (a fény részecskéi) pályája az elektromos töltésekkel történő ütközések során megváltozhat, de a semleges atomokkal a fotonok ilyen módon nem hatnak kölcsön. Ezért a Nagy Bumm idején keletkezett eredeti fotonok útjukat mindenféle zavaró tényező nélkül folytathatták miután az összes elektron atomokba ágyazódott. Ezeket a fotonokat észleljük ma kozmikus háttérsugárzásként, amely így a 300000 éves "babakorú" Világegyetem fényképét adja.

Ezen az ábrán a WMAP által, kilenc éven keresztül rögzített adatok alapján a babakorú Világegyetemről készített, a teljes égboltot lefedő képet láthatjuk. A különböző színek azt jelentik, hogy a Nagy Bumm után 300000 évvel a Világegyetem nem mindenhol volt egyforma. A színkülönbségek hőmérsékletingadozásokat mutatnak, amely magokból aztán később a galaxisok nőttek ki. Forrás: NASA/WMAP

Van valamilyen bizonyíték a Nagy Bumm elméletre? Igen, van. A következő megfigyelések az elméletet állításait támasztják alá:

  1. A Világegyetem tágul, és a tágulás a galaxisokat egyre távolítja egymástól. Ez azt jelenti, hogy a Világegyetemben lévő összes anyagnak a Nagy Bumm pillanatában összenyomva, nagy hőmérsékletű és sűrűségű állapotban kellett lennie.
  2. A könnyű atommagok (2H, 3He, 4He és 7Li) gyakoriságát csak úgy tudjuk megmagyarázni, ha feltételezzük, hogy azok a Nagy Bumm utáni néhány percben jöttek létre.
  3. A mélyűrből származó kozmikus háttérsugárzás eredetét csak úgy tudjuk megmagyarázni, hogy ha feltételezzük, hogy ez kicsivel a Nagy Bumm után keletkezett.

Egymilliárd évvel a Nagy Bumm után a Világegyetem hidrogént és héliumot tartalmazott gáz halmazállapotban. Nem voltak sem csillagok, sem bolygók. Végül a gázfelhők a gravitáció hatására sűrűsödni kezdtek protocsillagokat létrehozva, amelyek egy idő után elég forróvá váltak, hogy begyulladjanak és kialakuljanak az első csillagok. Azonban a mi Napunk még a csillagok sok-sok generációjának születése és halála után, 8-9 milliárd évvel a Nagy Bumm után jött csak létre.

A Naprendszer kezdetén keletkezett porszemcse. Forrás: NASA

A csillagok körüli por és gáz lassan, a gravitácó hatására egyre sűrűsödött ahogyan a nagyobb darabok a kisebbeket magukhoz csatolták. Növekedésük során akkora lett a tömegük, hogy gömbalakot vettek fel, és bolygókká alakultak.

Szerencse, hogy a Naprendszerünk viszonylag későn jött létre. A bolygónk kőzetből áll, amely anyag a Világegyetem korábbi szakaszában nem állt rendelkezésre. A kőzetet alkotó nehezebb elemek más csillagokban keletkeztek és lökődtek ki a térbe a csillagok halálakor. Később ez az anyag gyűlt össze a Nap körül, és nemcsak a Földet, hanem a Merkúrt, a Vénuszt és a Marsot is létrehozta.

A Napunkat és a bolygóit magában foglaló Naprendszer egykor ehhez hasonló gáz- és porfelhőből alakult ki. Forrás: NASA

Noha azt meg tudjuk mérni, hogy milyen gyorsan távolodnak a galaxisok egymástól, arról már nem egyszerű jóslásba bocsátkozni, hogy mi történik a Világegyetemmel a jövőben. Habár a Világegyetem tágulása még elsősorban a Nagy Bumm energiájából táplálkozik, elképzelhető, hogy az anyag gravitációs vonzása egyszer mindent visszahúz a középpontba.

Több lehetséges jövő áll a Világegyetem előtt, és mindegyik a sűrűségtől függ:

  1. Ha a Világegyetem sűrűsége kicsi, akkor a gravitációs vonzás nem lesz képes a tágulással versenyezni, és a Világegyetem örökké tágul majd. Minél kisebb a sűrűség, annál gyorsabb a tágulás. Ez a Nyitott Világegyetem modellje.
  2. Ha a sűrűség nagy, a tágulás egy maximális méretig egyre lassulva folytatódik, majd a gravitáció mindent visszhúz abba a pontba (szingularitásba), ahonnan az egész elkezdődött, a Világegyetem magába roskad, amit a Nagy Reccsnek nevezünk. Ez a modell a Zárt Világegyetemé, mivel véges mérettel dolgozik, és egy következő Nagy Bummot eredményezhet, kialakítva egy új Világegyetemet.
  3. Ha a sűrűség éppen a két modell határán lévő, amelyet kritikus sűrűségnek hívunk, akkor a Világegyetem mindig tágulni fog, de egyre lassuló ütemben.

Az ábra a Világegyetem három tágulási modelljének illusztrációja. A jelenlegi megfigyelések egyelőre a Nyitott Világegyetemet támogatják.

A Föld körülbelül 4600 millió éves. A forróság miatt kezdetben minden olvadt állapotban volt. 500 millió év elteltével a hőmérséklet annyira lecsökkent, hogy az óceánok létrejöhettek, és a bolygó lakhatóvá vált. Megjelentek az első primitív életformák az óceánban. Aztán hihetetlenül hosszú időnek (kb. 4000 millió évnek) kellett eltelnie, hogy az élet növényekké, állatokká, végül pedig emberekké fejlődjön.

Az emberek még csak 4 millió éve élnek a Földön, és csupán 100 éve értjük nagyjából a Világegyetem felépítését, és azt, hogyan jött létre a Nagy Bummban.

A földi feltételek éppen megfeleltek az élet számára: alkalmas hőmérséklet a víz folyékony állapotához, megfelelő távolság a Naptól, hogy elegendő energia érkezzen, oxigén a légzéshez, és a Hold az időjárás stabilizálásához.

Az ábra azokat a természeti jelenségeket összegzi, amelyek a jelenlegi földi életet kialakították. Forrás: California Space Institute

Sok tudós hisz abban, hogy létezik földönkívüli élet. Ismerve a csillagrendszerek milliárdnyi számát, abszurdnak tűnik az elgondolás, hogy a Föld az egyetlen bolygó, amelyen élet képes kifejlődni. Naprendszerünkben az élet hordozójának két legvalószínűbb helye a Mars és a Jupiter egyik holdja. A Marson már találtunk bizonyítékot arra, hogy a bolygó valaha vízzel rendelkezett, és sokan úgy gondolják, hogy az Európa jeges felszíne alatt gigantikus óceán terül el.

2017-ig már több, mint 3500 bolygót fedeztek fel a Naprendszeren kívül, és a kutatás folytatódik. Már számos olyan is van köztük, amely nagyon hasonlít a Földre, és akár életet is hordozhat. Talán vannak olyan civilizációk is, amelyek már jóval a mi fejlettségi szintünkön túl járnak. Habár vannak akik úgy gondolják, hogy ha olyan sok idegen faj lenne, más biztosan találkoztunk volna velük. Ezt Fermi-paradoxonnak nevezzük, mert Enrico Fermi volt az első, aki előállt ezzel az felvetéssel. Az egyik magyarázat az lehet, hogy a fejlett civilizációk közötti hatalmas távolságok nem teszik lehetővé a személyes kapcsolatfelvételt. Még ha lenne is 1000 fejlett civilizáció 1000 fényévre tőlünk, akkor is elhanyagolható lenne az esélye, hogy valamelyik a Földre látogat.

Vannak tudósok akik úgy gondolják, hogy elképesztő szerencsénk van, hogy a Világegyetem a számos fejlődési lehetőségek közül éppen olyat választott, amely megfelelő feltételeket biztosít számunkra az élethez. Például a Nagy Bumm idején éppen csak egy kicsivel (egy milliárdodnyival) volt több anyag, mint antianyag. Ha a kettő megegyezett volna, akkor az anyag és az antianyag megsemmisült volna az egymással történő kölcsönhatásokban sugárzást kibocsátva. Így egy meglehetősen unalmas Világegyetem jött volna létre, amelyben semmilyen szilárd anyag nem létezett volna, természetesen még mi sem. Ha a többletanyag egy kicsivel eltért volna attól, ami a tényleges volt, akkor élet nem keletkezhetett volna. Ha egy kicsivel több lett volna a ténylegesnél, akkor a Világegyetem magába roskadt volna a gravitáció hatására, és nem lett volna idő az élet kifejlődésére. Ha egy kicsivel kevesebb lett volna a ténylegesnél, akkor pedig olyan gyors lett volna a tágulás, hogy kötött szerkezetek nem alakulhattak volna ki, és a Világegyetem csak elemi részecskékkel lett volna tele.


Tesztelje magát!
1. Egy másik galaxisban élő lény, a Tejútrendszertől messze megfigyeli a Világegyetemet. Milyen következtetésekre jut?
  1. A galaxisok távolodnak a galaxisától, és mindegyik egymástól is.
  2. Vannak galaxisok, amelyek közelednek, és vannak, amelyek távolodnak a galaxisától és egymástól.
2. Melyik igaz az állítások közül?
  1. A protonok, a neutronok és a héliumatommagok a Nagy Bumm utáni egy másodpercben keletkeztek.
  2. A héliumatommagok voltak az első stabil részecskék a Világegyetemben.
  3. A protonok és a neutronok nem az elsőként létrejött összetevői a Világegyetemnek.
3. Soroljon fel három tényt, amely a Nagy Bumm elméletet támogatja!
  1. A könnyű atommagok ,
  2. a Világegyetem ,
  3. és a kozmikus háttér
Kérem a válaszokat ...
1.a 2.c 3 ld. a vastag betűs szavakat