Кратък пътеводител в тайните на Вселената: началото, развитието, краят
Въпреки че раждането и развитието на нашата Вселена е забулено още с много тайни, интересно е да се проследят различните етапи, през които е минала тя и основните теории и хипотези, на които се базират тези знания.
Космологичната сингулярност
В научния свят днес има различни теории за произхода на Вселената, но една от тях се смята за основна – теорията за Големия взрив. Преди 13,8 милиарда години се е случило събитие, което пуснало хронометъра на вселенската история. Всичко, което съществува във Вселената днес, в него момент е било концентрирано в една малка точка – космологичната сингулярност.
Тя е била мъничък, много, много малък обект и се е разраснала до огромни размери, много по-големи от видимата днес част от Вселената, а скоростта на разширяване е била гигантска.
Нашата новородена Вселена е започнала да расте невероятно бързо като въздушен балон във всички посоки едновременно. Учените наричат този етап на мълниеносен растеж „инфлация“ и на практика се е случило мигновено разширяване на пространството.
Единствена ли е нашата Вселена?
На нас ни е трудно дори да си представим как буквално всичко се е появило от нищото, но учените твърдят, че всичко се е случило точно така. Основното нещо, което е съществувало в началния момент – това е била огромна енергия и тя била тази, която дала началото на всичко, което съществува: нашата вселена, а вероятно и други паралелни светове.
Представете си бутилка шампанско. Тя е затворена и не виждаме какво има там. Отваряме корковата тапа и изведнъж в нея се зараждат милиони мехурчета, защото в това шампанско има енергия – газът, нагнетен в него. Една от хипотезите е, че раждането на Вселената е аналогично на раждането на едно от тези мехурчета, които са се появили в някаква точка на бутилката. По този начин нашата Вселена се е родила и е изглеждала като една от многото милиарди други Вселени, които са се рoдили във вакуума, образно казано от нищото.
Така или иначе това засега са само хипотези и науката все още не може да отговори на въпроса какво точно е било преди Големия взрив и има ли нещо извън пределите на нашата Вселена.
Раждането на частиците
Така или иначе след Големия взрив Вселената е стъпила на пътя на дългата еволюция. Повечето учени смятат, че процесите на образуване на материята са започнали по време на разширяването на Вселената.
Всъщност ядрото на водорода е протон, тоест една единствена елементарна частица. И тези частици, протони и неутрони, са присъствали във Вселената от най-ранно време. Тоест в началото на химическата еволюция на Вселената в първите няколко десетки минути е имало само водород и хелий.
Това е бил така нареченият горещ стадий, който продължил приблизително 380 000 години. Вселената по това време е представлявала гореща плазма, частиците в която са се движели с невероятна скорост, сблъсквали са се една с друга, но не са се свързвали, отделяйки огромно количество енергия. Благодарение на съвременните експериментални изследвания в ускорителите, учените успяха да открият най-малките единици материя, които са били в основата на формирането на бъдещите атоми и молекули.
В представите на съвременната наука това са лептоните и кварките — тухличките на Вселената, от които и всичко се състои. Те са се появили в момента на Големия взрив и са били в много горещо състояние. По-късно, охлаждайки се, те са образували това вещество, от което всички ние се състоим. От кварките са се образували протони и неутрони, от протоните и неутроните – ядра, от ядрата – атоми, от атомите – молекули и така нататък.
Нека бъде светлина
И така, на възраст около 380 хиляди години, младата Вселена станала значително по-студена и горещият етап от нейното развитие завършил. От състоянието на плазма тя започнала да преминава в състоянието на горещ газ. Фотоните, частиците светлина, които преди това били в плен на горещата плазма, излезли на свобода.
В процеса, в който газът във Вселената все повече се охлаждал, тя ставала все по-прозрачна. Така много бавно Вселената започнала да се превръща в тази, която познаваме днес, изпълнена със звезди и галактики.
Звездите и галактики: принципът на кашата
Но защо звездите и галактиките не са равномерно разпределени във Вселената? Всъщност след Големия взрив съдържанието на Вселената – тази много гореща плазма – изобщо не е било хомогенно. И след края на горещия етап, когато Вселената станала прозрачна, тези нееднородности са останали – едва различими, като малки възелчета върху тъканта.
Това прилича на процеса, когато варите каша, но не я бъркате, а сте я оставили на висока температура. След това в охладената каша по всяка вероятност ще се появят бучки. Подобен процес е протекъл и във вселенския котел: именно от нехомогенностите на материята, от бучките материя в изстиващата Вселена са се образували звездите и галактиките.
Реликтовото излъчване (космическото микровълново фоново лъчение – CMB лъчение), открито през 20 век от Арно Пензиас и Робърт Уилсън, днес се смята за едно от основните доказателства за инфлационния модел на формиране на Вселената. Астрономите са съставили карта, която показва как е разпределено това космическо микровълново фоново лъчение. Там, където се виждат сини петна има по-слабо радиоизлъчване, а там където има червени – по-силно. По принцип разликата между интензитета на излъчване е много малка.
Но какъв е смисълът в от тази прекрасна карта на реликтовото радиоозлъчване? В нея може да се улови момента, в който материята и светлината се отлепват една от друга. И съответно светлината носи отпечатъка на по-плътните участъци материя, тоест там, където има повече светлина, съответно и радиоизлъчване, има и по-плътна материя.
Първите звезди
Съдейки по всичко, първи са се родили звездите гиганти, които са станали прародители на другите звезди, включително и на нашето Слънце.
Това са били много масивни светила, които са живеели кратко и бързо изгаряли запасите си от гориво. Колкото по-масивна е била звездата, толкова по-интензивни са били реакциите, протичащи в нея и толкова по-бързо тя изгаряла. Именно в тези много масивни звезди започнали да се синтезират първите тежки елементи, започвайки от въглерода. Звездите бързо са се взривявали, разпръсквайки материя те обогатявали Вселената и от това обогатено вещество са се формирали звездите и галактиките, които сега наблюдаваме.
В недрата на първите звезди, под въздействието на колосалната там температура, са протичали сложни реакции на ниво атомни ядра. Така, от три хелиеви ядра се е формирал въглеродът, от два въглеродни атома – магнезият, неонът от магнезия и така нататък, докато от силиций не се е получило желязото. Този процес на трансформация на химичните елементи продължава и досега в горещите ядра на звездите и се нарича “термоядрен синтез”. Така че появата на планетите и по-специално нашата Земя е станало възможно именно благодарение на звездите.
Успоредно с процеса на зараждането на звездите са се образували клъстери от тях, които са формирали галактиките. Очевидно най-масивните звезди или групи от звезди са станали ядра на протогалактиките, а след това масите от по-малките звезди започнали динамично да се концентрират около тези ядра.
Появата на планетите
И така, след около милиард години Вселената вече е била изпълнена със звезди и галактики, в които по-късно са започнали да се формират планетите. Те са се раждали от прах и газ, от остатъците от материя след Големия взрив, както и от елементите, родени в недрата на звездите.
Епохата на масовото формиране на планети вероятно е започнало няколко милиарда години след Големия взрив, когато процесите на термоядрен синтез са позволили да се натрупа в достатъчна степен необходимото вещество, така че то да има възможност да се концентрира в планети.
В процеса на раждането на звезда облакът от сгъстяващ се прах и газ е приличал на пумпал, който се е въртял все по-бързо и по-бързо, уплътнявайки се в центъра. По този начин се е формирала звездата, а около нея се е образувал диск.
В този диск веществото е било достатъчно плътно, прашинките често се сблъсквали една с друга и просто са се слепвали. В даден момент, когато тези бучки нараствали до много големи размери, влизала в действие гравитацията, която ги привличала една към друга и по този начин ги „навивала“ на топка.
Това, което е пред очите ни, е само малка част
Но звездите, планетите, космическите тела – всичко това, което днес учените наричат барионна материя – е само малък компонент от вселенската „супа“. Това е ястие от различни съставки и барионната материя тук е по-скоро подправка, тъй като в общия състав на Вселената тя е не повече от 5%.
Около ¼ представлява тъмната материя. Тя не излъчва и не абсорбира светлина и на практика изобщо не взаимодейства със светлината. Тя се събира на бучки и е особено много в галактиките. Тъмната материя не може да бъде докосната: тя е навсякъде, но ние изобщо не я усещаме. Съществуването на тази материя е установено през миналия век и то благодарение на наблюденията на въртенето на галактиките и проведените теоретични разчети. Учените обаче все още не знаят от какъв вид частици се състои тази материя.
Така тъмната материя, заедно с барионната материя, представляват само една трета от общата маса на Вселената. Основната част от нея се състои от нещо напълно неразбираемо засега, което учените наричат тъмна енергия.
С помощта на наблюдения астрономите са установили, че примерно преди около 5 милиарда години, Вселената внезапно започнала да се разширява с ускорение. Тоест върху нея е започнала да действа някаква сила, която те нарекли тъмна енергия.
Разширяването на Вселената не засяга нашата планета и нашето Слънце, ние просто не го усещаме. Но далечните галактики, които вече са слабо свързани една с друга, се раздалечават и разстоянието между тях се увеличава. Очаква се, че това разширение ще продължава и по-нататък, поне в обозримото бъдеще.
Как ще завърши историята на Вселената?
По този въпрос има различни гледни точки. Възможно е в един момент разширяването да спре и да започне обратният процес – Вселената да се свие до малка сингулярност, като тази, от която всичко е започнало. Но има и друг вариант: Вселената да се разшири толкова много, че цялата материя в нея просто ще се разтвори и изчезне – тъмната енергия просто ще я разкъса на атоми, обратно към великото нищо. И тогава, може би, ще се зароди нова Вселена. Но това ще бъде друг космос и друга история, във всеки случай не нашата.