TEORIJA VELIKOG PRASKA Teorija koja za sada najbolje

TEORIJA VELIKOG PRASKA Teorija koja za sada najbolje opisuje nastanak Svemira naziva se Teorijom Velikog praska. Za razliku od antičkih teorija koje se temelje na filozofiji, a ne na znanosti, ova teorija ima svoje dokaze koji potvrđuju njenu (barem djelomičnu) ispravnost. Druge teorije postoje, ali su uglavnom osnovane na apstraktnoj fizici. Teoriju Velikog praska formulirali su nezavisno belgijanac Georges Lemaitre i ruski znanstvenik Aleksandar Friedman. Matematički ju je objasnio George Gamow u četrdesetima. Ona polazi od toga da je Svemir nastao u Velikom prasku. Mnogi ga zamišljaju kao veliku eksploziju, ali on to zapravo nije. Svemir nije iz jedne točke eksplodirao i proširio se prostorom, nego se prostor proširio iz beskrajno male točke procesom koji se naziva inflacija (napuhavanje). Moderna znanost može simulirati ili barem predvidjeti događaje koji su se dogodili samo nekoliko mikrosekundi nakon nastanka Svemira. Sam trenutak nastanka, kao i vrijeme prije toga nisu uključeni u Teoriju. Prvi trenutci Svemira izgledali su otprilike ovako:

Nakon trenutka stvaranja temperatura je iznosila oko 1033 Kelvina, a gustoća oko 1096 kg/m 3. Tada su vladali kvantni zakoni, a sve 4(3) sile vjerojatno su se ponašale kao jedna. Najmoderniji i najveći akceleratori čestica nisu sposobni stvoriti takve uvjete, tako da se o ovom razdoblju nagađa samo teorijski. Trajalo je manje od 10 -44 sekunde (tzv. Planckova era).

Pod ovakvim uvjetima, iz čiste energije (koje je bilo u izobilju) je spontano nastajala materija. Parovi čestica materije i antimaterije nastajali su i u kratkom se periodu opet poništili uz oslobađanje energije. Dovoljno je bilo da 1 od 10 milijardi čestica materije ostane višak i donese prevlast materiji nad antimaterijom. Kada se Svemir "ohladio" do temperature od 100 milijardi Kelvina (stotinku sekunde nakon početka), iz energije su se počeli kondenzirati protoni i neutroni. Tada ih je bio jednak broj, ali protoni će uskoro prevladati i time stvoriti današnju sliku omjera vodika i helija.

Ovdje još nema riječi o atomima, jer je količina energije još uvijek prevelika da bi protoni i neutoni uhvatili elektrone. Oko jedne sekunde nakon nastanka, počinju se formirati prve jezgre budućih atoma, protoni i neutroni se spajaju u jezrgu deuterija, a nešto kasnije (kada temperatura padne na oko milijardu Kelvina) jezgre se počinju i međusobno spajati formirajući jezgre helija sa dva protona i dva neutrona. Svi ostali kemijski elementi nastat će mnogo kasnije, nuklearnim procesima unutar zvijezda. Slijedećih 300 000 godina Svemir je još uvijek prepun fotona pozadinskog zračenja da bi se formirali stabilni atomi. Tek kada je temperatura pala na oko 6000 Kelvina (približno temperatura Sunčeve površine), fotoni nisu imali više snage za konstantno izbacivanje elektrona iz atomske ovojnice, pa su jezgre počele hvatati elektrone i formirati stabilne atome. Ovaj događaj naziva se rekombinacija. Veliki prasak njime završava, a materija je ostala u prostoru koji se nastavio slobodno širiti i hladiti.

Kozmološki standardni model zasniva se na eksperimentalnim i teorijskim činjenicama: 1. SVEMIR SE ŠIRI Kao što bi se dvije nacrtane točke na balonu međusobno udaljavale dok napuhavamo balon, galaksije se međusobno udaljavaju jedna od druge. Bitno je shvatiti da udaljavanje nije posljedica njihovog kretanja, nego širenja prostora u kojem se one nalaze. Ovo je otkrio još Edwin Hubble dvadesetih godina prošlog stoljeća proučavajući Dopplerov efekt u spektrima dalekih galaksija. Vraćajući vrijeme unatrag i smanjujući prostor, dolazimo do vremena kada je cijeli Svemir bio sadržan u jednoj točki (tzv. singularitetu).

2. POZADINSKO ZRAČENJE otkrili su pomoću radio antene Penzias i Wilson u šezdesetim godinama prošlog stoljeća. 1989. lansiran je satelit COBE koji je potvrdio da je da danas postoji reliktno zračenje koje ispunjava prostor, a ostatak je iznimno velike temperature koja je u početku postojala. Širenjem prostora Svemir se hladio, a od nekadašnje beskonačno visoke temperature ostala su samo 3 stupnja iznad apsolutne nule. 3. OMJER VODIKA I HELIJA u današnjem svemiru nije se puno promijenio od Velikog praska. Danas je omjer 3: 1, a takav bi i trebao biti nakon što je Svemir prošao kroz fazu nukleosinteze. Ovo je eksperimentalno dokazano u velikim akceleratorima čestica. Akceleratori danas predstavljaju najbolju simulaciju uvjeta kakvi su vladali u Velikom prasku, ali i oni imaju svoja ograničenja.

4. Omjer gustoće tvari prema gustoći zračenja 5. Prisutnosti tvari i odsutnosti antitvari 6. Einstenovoj općoj teoriji relativnosti 7. Kozmološkom načelu

Kako se Svemir dalje razvijao, odredile su 4 fundamentalne sile, a glavna među njima bila je gravitacija. Sitne nepravilnosti u početnom rasporedu materije (zbog principa neodređenosti) omogućile su da veće nakupine materije gravitacijom privuku one manje i započnu stvaranje onoga što danas vidimo kao galaksije. Oblaci plina (uglavnom vodika) sakupljali su se pod utjecajem vlastite gravitacije i postajali sve veći i veći. Vanjski dijelovi stvarali su pritisak na unutarnje dijelove i oni su se pritom zagrijavali. Istim principom nastale su i zvijezde, samo u manjem mjerilu. Kada tlak i temperatura u središtu takvog oblaka postanu kritični, nuklearne reakcije se počinju odvijati i zvijezda je rođena.

Osnovna nuklearna reakcija je ona fuzije vodika u helij (tzv. proton ciklus). Dobivajući energiju tim procesom, zvijezde provedu najveći dio svog života. Koliko će neka zvijezda dugo živjeti ovisi o tome koliko ima goriva. No, neće zvijezda s više vodika dulje živjeti. Više vodika znači veću masu, veći pritisak na jezgru i veću temperaturu. Pod tim uvjetima fuzija će se odvijati mnogo brže i zvijezda će živjeti kraće. Zvijezda velike mase pred kraj svog života u jezgri će sintetizirati teže kemijske elemente, sve do željeza. Kada jednom nakupi previše željeza u jezgri, zvijezda će eksplodirati u velikoj eksploziji koju zovemo supernova. Samo energija oslobođena supernovom sposobna je stvoriti kemijske elemente teže od željeza. Svi teži elementi koje danas imamo na Zemlji, jednom davno nastali su u velikoj ekspoloziji stare zvijezde.

Pojednostavljeni prikaz p p ciklusa 1. KORAK 3. KORAK 2. KORAK

NUKLEARNA EVOLUCIJA SVEMIRA PRVA FAZA RAZVOJA ZVIJEZDE Nakon velikog praska tvar se, prema inerciji, nastavila širiti i dalje hladiti. Međutim mjestimično se nasumce zgušnjavala. Zbog djelovanja gravitaciske sile takve su se slučajne, nešto gušće nakupine tvari dalje zgušnjavale i rađala su se svemirska tijela. Zbog gravitaciskog stezanja rasla je temperatura u središnjem djelu nebeskog tijela, te kad je dosegla 107 K počela je nuklearna fuzija jezgara vodika u helij uz oslobađanje energije.

FUZIJA VODIKA U 1. FAZI RAZVOJA ZVIJEZDE

DRUGA FAZA RAZVOJA ZVIJEZDE Pošto se u središnjem dijelu zvijezde iscrpi vodik pretvorivši se u helij, nastupa druga faza. Budući da se u središnjem dijelu zvijezde više ne stvara nuklearna energija, ona se dalje gravitacijski steže i zbog toga raste temperatura. Kad temperatura u središnjem dijelu zvijezde dovoljno poraste počinje fuzija triju jezgara helija u jezgru ugljika, uz emisiju gama zračenja. Zatim nastaje fuzija ugljika i helija u kisik itd. Tada se oko te središnje kugle, u kojoj se zbiva fuzija jezgara helija, nalazi vanjska ljuska u kojoj nije iscrpljen vodik, pa u njemu i dalje teče fuzija vodika u helij.

Pri prijelazu iz 1. u 2. fazu zvijezda se uvelike širi. To će se za nekoliko milijardi godina dogoditi sa Suncem. Ono će se pritom toliko povećati da će progutati najbliže planete i spržiti Zemlju.

TREĆA FAZA RAZVOJA ZVIJEZDE Kada se u središnjem dijelu zvijezde potroši sav ugljik , središnji se dio ponovno gravitacijski steže i temperatura opet raste. Kada temperatura dovoljno poraste nastupa treća faza. Daljnjom fuzijom u središnjem dijelu nastaju magnezij , silicij. . Oko te središnje kugle nalazi se prva ljuska u kojoj i dalje fuzijom helija nastaje ugljik, pa sljedeća ljuska u kojoj fuzijom vodika nastaje helij. U idućim fazama nastaje fuzija sve težih i težih jezgara , sve dok u središnjem dijelu zvijezde ne nastane željezo. Stvara se središnja kugla pretežno građena od atomskih jezgara željeza i drugih jezgara slične mase. Oko te kugle oblikuju se ljuske koje sadrže redom sve lakše i lakše jezgre što su bliže površini jezgre.

Dalje dolazi do fuzije u sve teže elemente. . itd. . . sve do 26 Fe 56.

Sunčev sustav u kojem i mi živimo, nastao je prije 5 6 milijardi godina. Zgušnjavanje maglice od koje je Sunčev sustav nastao moglo je biti pokrenuto eksplozijom obližnje supernove, prolaskom neke zvijezde ili jednostavno djelovanjem gravitacije. Kao sve zvijezde, Sunce je nastalo iz oblaka plina (uglavnom vodika) s malim primjesama težih elemenata koje je u međuzvjezdani prostor izbacila starija generacija zvijezda. Od tih primjesa kojima je bio zagađen Sunčev oblak nastali su untarnji planeti Merkur, Venera, Zemlja i Mars, asteroidi i mjeseci plinovitih divova. Kada je Sunce započelo sa svojom nuklearnom aktivnosti, strujanje čestica (tzv. Sunčev vjetar) "otpuhalo" je lagane elemente poput vodika i helija u vanjske dijelove sustava i zato tamo nalazimo velike plinovite planete Jupiter, Saturn, Uran i Neptun. Oni su nastali kondenzacijom plinova oko krute jezgre, dok su unutarnji (terestrički) planeti nastali sudaranjem manjih i većih stijena koje su kružile oko novoga Sunca. Veće mase i niže temperature omogućile su vanjskim planetima da narastu mnogo veći od unutarnjih.

Zbog konstantnog sudaranja s drugim velikim komadima stijena koji su u to vrijeme dijelili putanju oko Sunca, mlada Zemlja bila je negostoljubivo vruće mjesto. Jednom prilikom sudarila se sa gromadom veličine Marsa, a taj je sudar stvorio Mjesec. Razdoblje intenzivnog bombardiranja prestalo je prije oko 3. 9 milijardi godina. Tada su stvoreni povoljniji uvjeti za nastanak života koji se pojavio prije oko 3. 5 milijarde godina. Iako se smatra da je život nastao kemijskom evolucijom iz anorganskih elemenata koji su tada postojali u atmosferi, postoje i teorije prema kojima je život stigao s nekog drugog mjesta kometima ili meteorima. Što je od toga točno, još se ne zna.

DVODIMENZINALNI MODEL ŠIRENJA SVEMIRA Uspoređujući udaljenosti galaktika s pomakom prema crvenome (Dopplerov učinak) njihovih spektara, Hubble dolazi do značajnog otkrića: brzina udaljavanja galaktika proporcionalna je njihovoj udaljenosti. Ovu zakonitost(Hubbleov zakon) provjerili su Hubble i astronom Milton L. Humason fotografirajući spektre i mjereći udaljenosti velikog broja galaktika. Za dobivanje dovoljno kvalitetnog spektra ovih objekata slabog sjaja, bile su, u to vrijeme, potrebne izuzetno duge ekspozicije, koje su ponekad trajale i desetak noći uzastopce. Opažanja su također pokazala da, bez obzira u kojem se smjeru na nebeskom svodu nalazi galaktika, njena je brzina udaljavanja uvijek na jednaki način povezana s njenom udaljenošću, te da su galaksije, s obzirom na njihovu udaljenost i položaj na nebeskom svodu, približno ravnomjerno raspoređene. Ispravnije bi bilo reći da se ova svojstva gibanja nazvanog širenje svemira, zapravo odnose na jata galaksija. Naime, mnoge su galaksije svojim gravitacijskim poljima udružene u jata, a u jednom takvom jatu nalazi se i naša Mliječna Staza. Jata galaktika imaju svoju "unutarnju" dinamiku. Galaktike unutar jata nisu statične, ali gledajući uopćeno, sva jata kao cjeline sudjeluju u širenju svemira.

Dopplerov učinak pojava da valna duljina svjetlosti ovisi o brzini gibanja izvora svjetlosti (zvijezda) uočava se eksperimentalno (spektrografska analiza) tzv. pomak prema crvenom dijelu spektra (većim valnim duljinama) to znači da se izvor vala giba od promatrača

HUBBLEOV ZAKON (Edvin Hubble) Brzina (v) udaljavanja jata galaktika proporcionalna je njihovim udaljenostima (r): v = Hr gdje je H Hubbleova konstanta H = 2, 6⋅10 -18 s-1

Na crtežu je prikazano da je brzina udaljavanja galaktika proporcionalna njihovim udaljenostima, a to je upravo Hubbleov zakon, na temelju kojeg je implicitno zaključeno da se svemir širi. Svojstva širenja svemira navode na zaključak da je jednom sva materija bila izuzetno zbijena i da je svemir nastao "eksplozijom" iz tog početnog stanja (Veliki prasak). Vrijeme nastanka odgovaralo bi približno recipročnoj vrijednosti Hubbleove konstante.

Premda se zvijezde, u odnosu na Sunce, gibaju brzinama od više desetaka kilometara u sekundi, njihovi položaji na nebu a time konfiguracije zviježđa, ostaju, uspoređujući ih s našim svakodnevnim mjerilima vremena, praktički nepromijenjeni. Razlog tomu su velike udaljenosti zvijezda. Uočljive promjene prividnih položaja mogu se zamijetiti tek u vrlo dugim vremenskim razdobljima. Na crtežu je prikazano u kojoj mjeri vlastito gibanje zvijezda mijenja izgled Velikih Kola.

HERTZPRUNG – RUSSELLOV dijagram

Najčuveniji dijagram u astronomiji. Taj dijagram prikazuje sjajnost (apsolutnu magnitudu) prema boji zvijezda, idući od najtoplijih plavobijelih zvijezda na lijevoj strani dijagrama do hladnih crvenih na desnoj strani. Na dijagramu je prikazano 22000 zvijezda iz Hiparhovog kataloga zajedno sa 1000 zvijezda slabog sjaja (crveni i bijeli patuljci) iz Glieseovog kataloga bliskih zvijezda. Prosječne zvijezde patuljci koja sagorjevaju vodik kao i Sunce, nalaze se u nizu koji se pruža od gore lijevo prema dolje desno. To je Glavni niz (Main Sequence). Zvijezde giganti su u grupi gore lijevo na dijagramu. Iznad njih leže mnogo rjeđii sjajni giganti i supergiganti. Niže lijevo je niz bijelih patuljaka to su mrtve jezgre starih zvijezda koje nemaju izvore unutrašnje energije i milijardama godina se lagano hlade u pravcu nadolje desno na dijagramu.

CRNA RUPA Crna rupa je nebesko tijelo koncentrirano od mase s gravitaciskim poljem tako jakim da čak i izlazna brzina iz najbližih točaka prekoračuje brzinu svijetlosti. To znači da ništa, pa čak ni svjetlost, ne može izaći iz njene gravitacije, te joj otuda i naziv crna rupa. Teoretski crne rupe mogu biti bilo koje veličine, od mikroskopskih do onih veličine Svemira. Crne rupe iziskuju opći relativistički koncept zakrivljenog prostora vremena (prostorno vremenskog kontinuuma), a njihove najuočljivije karakteristike se oslanjaju na izobličenje (distorziju) geometrije prostora koji ih okružuju.

Crna rupa zapravo je nevidljiva jer guta svjetlost. Kako bi astronomi otkrili postojanje crne rupe moraju proučavati okolne zvijezde tj. njihovo gibanje. Tamo gdje se nalazi crna rupa zvijezde se oko nje gibaju znatno brže nego u prostorima gdje crne rupe nisu prisutne. U galaktici blizu naše Mliječne staze otkrivena je prva super masivna crna rupa. Znanstvenici su super masivne crne rupe nakon toga pronašli u još niz galaksija i time zaključili da se super masivne crne rupe nalaze u gotovo svim galaksijama. Ubrzo je otkriveno da se i u središtu naše galaksije Mliječne staze nalazi super masivna crna rupa mase 2 milijuna puta veća od mase Sunca. Daljnja istraživanja pokazala su da se crne rupe nalaze u svim galaksijama. Crna rupa sastavni je dio svake galaksije, te čini 0. 5% njene mase. Crna rupa također utječe i na sigmu (brzina kruženja zvijezda na rubu galaksije). Što je veća masa crne rupe, brzina sigme je brža. Njihova povezanost ukazuje da su u prošlosti crne rupe i sigme bile blisko povezane. Do nedavno znanstvenici su mislili da su galaksije i zvijezde nastale sažimanjem plina, no novija istraživanja pokazuju da su crne rupe utjecale na stvaranje i razvoj galaksija. Nastale su urušavanjem velikog oblaka plina, te su nakon nastajanja vitlale velike količine plina i stvorile zvijezde i samu galaksiju.

Naime, klasično gledano, niti zračenje niti bilo što drugo ne može napustiti crnu rupu. Otud joj i ime. Međutim, stvari se mijenjaju kad se u obzir uzmu kvantnomehaničke pojave. Tada se pojavljuje mogućnost slijedećeg scenarija: U blizini crne rupe (ali izvan nje) se iz vakuuma tzv. kvantnomehaničkim fluktuacijama stvori par fotona ili par elektron pozitron ili bilo koji drugi par čestica antičestica. Ovo narušava zakon očuvanja energije, ali tzv. Heisenbergove relacije neodređenosti omogućuju kratkotrajno narušenje tog zakona (Na kraju priče, kad se sve zbroji, energija mora biti očuvana. ) Možemo zamisliti kao da jedna od te dvije čestice ima pozitivnu, a druga negativnu energiju. Nakon toga, čestica s negativnom energijom padne u crnu rupu i "poništi" dio energije crne rupe, a ona s pozitivnom napusti to područje. Energija je očuvana, a krajnji ishod je da je crna rupa izračila normalnu česticu pozitivne energije koju onda udaljeni promatrač može detektirati. Sa stanovišta tog promatrača, crna rupa nije sasvim crna.

Zanimljivost ove pojave Hawkingovog zračenja, leži u tome da su za njeno nastajanje ključni i s jedne strane kvantnomehanički efekti (fluktuacije vakuuma) i s druge strane gravitacijski efekti (horizont crne rupe), a spajanje gravitacije i kvantne mehanike u tzv. Teoriju Svega je istaknuti cilj moderne fizike. Zbog toga se svaka nova teorija koja pretendira biti Teorija Svega (npr. teorija struna) prvo hvata u koštac s fenom Hawkingovog zračenja i pokušava ga objasniti. Drugim riječima, Hawkingovo zračenje bi za kvantnu gravitaciju moglo biti ono što je zračenje crnog tijela bilo za kvantnu fiziku.

U teoriji Velikog praska svemir ima određeni početak, nastao je "eksplozijom" "prajajeta" prije 15 20 milijardi godina, kada je i otpočela njegova ekspanzija. Premda je sam ishodišni trenutak u razvitku svemira prekriven velom tajni, pred kojim zasad i najveći znanstvenici ostaju nijemi, suvremene su fizikalne teorije uspjele donekle objasniti ulogu poznatih nam prirodnih sila u trenucima nakon Velikog praska pa sve do današnjih dana. Čak je i budućnost svemira predvidiva, jer potrebno je procijeniti hoće li gravitacija uspjeti zaustaviti širenje svemira, nakon čega bi možda sva materija opet došla u tajanstveno početno stanje. Dakle budućnost svemira svodi se na dvije teorije: 1. teorija o beskonačnom širenju i 2. teorija o sužavanju i ponovnoj ekspanziji. Što će se dalje dogoditi ovisi o središnjoj gustoći svemira koja je vrlo blizu kritičnoj koja razdvaja kolaps od vječnog širenja. .

• Prema podacima kojima danas raspolažemo, izgleda da je svemir otvoren (beskonačan) tj. da će se širenje zauvijek nastaviti. Novim teoretskim spoznajama o samom "nultom trenutku" vjerojatno će najviše doprinijeti razvitak suvremenih fizikalnih teorija tj. fizike elementarnih čestica i visokih energija i posebno teorija gravitacije. Astronomiji je, međutim, pogled usmjeren u samu povijest razvitka svemira. Naime, prema teoriji Velikog praska, sve galaktike rađale su se gotovo istovremeno, ali kako nam pogled doseže u sve udaljenija svemirska prostranstva, to se pred nama odvija film koji bismo slobodno mogli nazvati vremeplovom svemirskih zbivanja. Jer, npr. , blisku Andromedinu galaktiku, udaljenu svega nešto više od dva milijuna svjetlosnih godina, vidimo unatrag dva milijuna godina koliko je potrebno njenoj svjetlosti da stigne do nas. Galaktike, u udaljenostima od nekoliko milijardi svjetlosnih godina, vidimo u vremenu kada je naš planetni sustav bio još u formiranju, dok zasad najudaljenije poznate objekte, kvazare, vidimo u trenucima kada je i čitav svemir bio star nekoliko milijardi godina. Stoga i nije čudno što mnogi znanstvenici ove objekte smatraju proto galaktikama.

• Na kraju, pozadinsko zračenje odjek je samog Velikog praska. Tako nam se svemir predstavlja kao otvorena knjiga, ali koja se može čitati samo velikim i skupim instrumentima i, naravno, znanjem. Izuzmemo li tajanstveni početak svemira i prihvatimo li teoriju Velikog praska kao konačnu istinu, onda je astronomija današnjice u sličnom položaju kao i zemljopis nakon otkrića da je Zemlja okrugla. Poznato nam je opće ustrojstvo svemira, samo ima mnogo područja i detalja za istraživanja. Međutim, mnogi se znanstvenici ne slažu s takvim zaključkom, koji je opet pomalo "geocentričan", ovaj put ne u prostoru, već u vremenu, nego smatraju da će se događati mnoga otkrića koja će značajno promijeniti naše poimanje općeg ustrojstva i razvitka svemira. • Astronomija ima još mnogo otvorenih pitanja, o čijim rješenjima zasad može samo nagađati. Međutim, sav put spoznaje koji je djelomično prikazan u ovom tekstu, dovoljno nam je jamstvo da će mnogi odgovori na otvorena pitanja biti pronađeni i da će zasigurno u budućnosti biti mnogo jasnije naše mjesto u svekolikom Kozmosu.

TRUTH IS CLOSE – START TO BELIEVE!