Hlavní stránka

Textová část

Literatura

5. Vznik vesmíru

Věda o vesmíru tzv. kosmologie s využitím znalostí z fyziky, astronomie, astrofyziky, částicové a atomové fyziky sestavuje modely, s jejichž pomocí se snaží vysvětlit vznik vesmírných těles nejen v naší galaxii. Kosmologické modely vycházejí především z Einsteinovy obecné teorie relativity a Koperníkových principů a slouží k popisu velmi složitého a komplikovaného systému jako je vesmír. Děje probíhající ve vesmíru podléhají jednoduchým fyzikálním zákonům obdobně jako na Zemi. Na základě těchto poznatků byl vytvořen standardní kosmologický model vzniku a vývoje vesmíru.

Standardní kosmologický model zaujímá hypotézu, že před zhruba 13,7 miliardami let byl celý vesmír koncentrován do nekonečně malého bodu s nekonečně velkou hustotou (singularita), ve kterém působily ohromně vysoké tlaky a teploty. V tento okamžik byl vesmír považován za singularitu, a jelikož čas je vázán na hmotu, tudíž ještě neexistoval. Pro vznik vesmíru, současně tedy i času byla rozhodující událost známá jako velký třesk (Big bang). Po počáteční explozi singularity se začal vesmír rozpínat a postupně chladnout. Později se explodovaná hmota začala kondenzovat v základní elementární částice – elektrony a kvarky, které po spojení vytvořily protony a neutrony. Ty se sdružovaly do atomových jader a následně spolu s elektrony v atomy. Gravitační kontrakcí pak kondenzovaly všechny galaxie, ve kterých se začaly formovat planety a hvězdy.

Teorie velkého třesku je založena na obecné teorii relativity v kombinaci s pozorováním vzdalujících se galaxií navzájem od sebe. Galaxie se od sebe neustále vzdalují, což znamená, že se vesmír rozpíná. V minulosti byly tedy všechny vesmírné objekty blíže k sobě, a to až do takového bodu, kdy byla všechna hmota, kterou dnes vesmír obsahuje stlačena v nekonečně hustém počátečním bodě – singularitě, ve které neplatily žádné nám dnes známé fyzikální zákony. Tuto dobu označujeme za Planckovu éru. Období vzniku vesmíru (po velkém třesku) lze rozdělit do čtyř ér; hadronova éra, leptonova éra, éra záření a éra látky. Prvotní éry měly velice rychlý průběh. Pouze během první desetitisíciny sekundy proběhlo bouřlivé exponenciální rozpínání vesmíru – hadronova éra. Teplota překračovala 10¹² K a střední hustota vesmíru byla na úrovni cca 10¹⁷ kg m^-3. Toto období je nazýváno jako inflace. Záření vytvářelo hmotu kvark-gluonového plazmatu. Rozpínání má za následek snížení teploty a vznik kvarků (základní stavební částice protonů a neutronů) a gluonů (částice mezi kvarky). Intenzivní jaderná interakce se stává silnou přitažlivou silou, a z kvarků a antikvarků jsou stvořeny hadrony. Hadrony následně vytváří nukleony (protony a neutrony).

Následujícím poklesem teploty ve vesmíru až na hranici 5 GK se vytvářejí leptony (elektron a pozitron), které v této éře patří k nejrychleji pohybujícím se částicím - leptonova éra. Leptonové páry anihilují na fotony záření gama, které se stává převládající složkou vesmíru.

Vůdčí úlohy převzaly pozitrony (antičástice elektronu), fotony (elementární částice kvanta elektromagnetické energie) a neutrina (částice ze skupiny leptonů). Vesmír je z 87% tvořen protony a zbylými 13% neutrony. Protony a neutrony se spojily na jádra deuteria, ty dále interagují s protony, což vede k postupnému vzniku jader helia. Helium je v tomto období zastoupeno 25%. Po době 250 sekund se teplota snížila natolik, že to vedlo k samovolnému rozpadu neutronů na protony, elektrony a antineutria.

Po dalších 10 sekundách začíná éra záření. Nejspíš až po 100 tisících letech po velkém třesku se záření izolovalo od hmoty a vesmír se stal pro záření průhledný. Záření přetrvalo až do dnešní doby a lze ho pozorovat jako reliktní záření. Nastal pokles teploty na zhruba 10 000 ˚C. Po 300 tisících letech od velkého třesku nastává období zvané éra látky. Vesmír se stále rozpíná, což ovlivňuje teplotu, která se stále snižuje a má za následek, že volné elektrony se spojují s kladně nabitými atomovými jádry a vznikají neutrální atomy. Poklesá množství srážek částic s fotony a elektromagnetické záření se odlučuje od látky.

Téměř homogenní vesmír, 1 miliardu po velkém třesku začíná pomocí gravitace zhušťovat vodíkové a heliové plyny. Formují se první galaxie. Teplota se snížila až na 3 K. Naše galaxie – Mléčná dráha společně s hvězdami a ostatními vesmírnými objekty vznikla 3 miliardy let po velkém třesku. Naše sluneční soustava vzniká 9 miliard po velkém třesku a před 5 miliardami let vznikla také naše planeta Země.

Obr. 5.1 Schéma standardního kosmologického modelu vzniku a vývoje vesmíru.

Důkazy velkého třesku se opírají o tři důkazy pozorování

1. Hubbleův zákon jinak také rudý posuv prokazuje neustále rozpínání vesmíru. Při sledování vzdálených galaxií a kvazarů bylo zaznamenáno, že jejich světelná spektra jsou posunuta k červenému konci spektra k delším vlnovým délkám. Rudý posuv se vysvětluje v souvislosti s Dopplerovým posunem a rychlostí vzdalování. Dopplerův posuv udává, že tělesa, která se vzdalují tak mají posuv spektra do červené a naopak tělesa, která se přibližují posuv do modré. Během studie měření rychlostí a vzdáleností těles se potvrdilo, že mezi rychlostí a vzdáleností je lineární vztah, kterému byla stanovena rychlost rozpínání vesmíru Ho = 70 km.s^-1/ Mpc-¹ (Mpc - megaparsek).

2. Reliktní jinak také zbytkové záření je mikrovlnné záření přicházející ze všech směrů s charakterem absolutně černého tělesa. Toto záření je pozůstatkem ještě z doby, kdy se vesmír stal průhledným pro elektromagnetické záření. Rozpínání vesmíru stále vedlo ke snižování teploty, ta se změnila z přibližných 3 000 K na dnešních 2,7 K. Na reliktní záření narazil Arno Penzias a Robert Wilson náhodně při testování mikrovlnného detektoru, kdy objevili silný šum, který není závislý na nasměrování detektoru a nemění se s nocí, se dnem ani v průběhu roku. Zhodnotili, že toto záření musí mít původ mimo sluneční soustavu. Později učinili závěr, že zachytili zbytkové záření po velkém třesku. NASA v roce 1989 vypustila sondu COBE, která potvrdila existenci reliktního záření. V roce 2003 pomocí výsledků měření sondy WMAP byla stvrzena domněnka anizotropního záření. Reliktní záření má vyšší teplotu ve vzdálených mracích plynů, které vznikly již v prvotních etapách zrodu vesmíru, v dobách kdy byl vesmír hustší a teplejší.

3. Zjištěná hojnost deuteria, helia a lithia. Tato hojnost převyšuje množství, které by za celou dobu existence vesmírů mohly vyprodukovat hvězdné reakce. Množství 25% je výsledkem primární syntézy, která proběhla během prvních tří minut od počátku vesmíru.

5.1 Vznik sluneční soustavy

Přibližně před 4,6 miliardami let došlo k výbuchu blízké supernovy, která při svých fúzních přeměnách uvolňovala rázovými vlnami plynné a prachové částice. Mlhovina tvořena chaoticky se pohybujícími částicemi byla obohacena o další prvky (tvořena převážně 98% vodíkem a heliem). Z toho mraku se začalo formovat Slunce a v jeho okolí později také planety. Chaotický pohyb částic prachu a plynu se změnil na rotační pohyb. Vlivem gravitace se částice začaly shlukovat a migrovat do středu rotačního disku, kde se zvyšovala jak hustota, tak i teplota. Gravitačním kolapsem ve středu mračna se navýšila teplota, což vedlo k zahřátí jádra a následně k termonukleární reakci. Vzniklá hvězda Slunce začala produkovat energii. Tepelný tok zbylý materiál mračna přesunul na kraj rotačního disku. V blízkosti Slunce, kde je vyšší teplota se v dílčích rotačních vírech rotačního disku sluneční soustavy vytváří zárodky terestrických planet. Dále od Slunce, ve vzdálenostech se nižší teplotou vznikají joviánské planety složené z vodíku, hélia, čpavku, metanu atd.

Sluneční soustava je součástí galaxie pojmenované jako Mléčná dráha a tvoří ji 8 planet (Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun), dodnes objevených 5 trpasličích planet, přes 150 měsíců a dalších menších těles (např. komety, meteority).

Každá planeta rotuje kolem své osy (čímž určuje délku planetárního dne) a dále obíhá po eliptické dráze kolem Slunce (čímž určuje délku planetárního roku), které se nachází ve společném ohnisku oběžných elips. Každá planeta sluneční soustavy kromě Merkuru a Venuše má své přirozené družice – měsíce.

Obr. 5.1.1 Schéma sluneční soustavy se znázorněním vzdáleností planet od Slunce.