Kone keturiolika milijardų metų, kuriuos jau pragyveno mūsų Visata, neatpažįstamai ją pakeitė ne vieną kartą. Nuo praktiškai vientisos kvarkų-gliuonų plazmos iki vandenilio ir helio plazmos iki tamsaus šiltų retų dujų telkinio iki jaunų žvaigždžių nutviekstų augančių netvarkingų galaktikų iki šiandieninio palyginus ramaus vaizdo. Galvojant apie tokius pokyčius, norėtųsi šokti į laiko mašiną ir nukeliauti atgal bei pasižiūrėti, kaip viskas atrodė iš tiesų. Tam tikra prasme laiko mašiną mes turime: šviesa iš tolimų objektų iki mūsų keliauja ilgai, todėl juos matome tokius, kokie jie buvo praeityje. Tad labai tolimas galaktikas matome iš Visatos jaunystės laikų. Deja, pamatyti galime ne viską – tiek dėl technologijos netobulumų, tiek dėl fundamentalių fizikinių priežasčių. Bet remdamiesi tuo, ką matome, ir supratimu apie fizikos dėsnius – kurie, tikimės, vienodai gerai veikė ir prieš 13 milijardų metų – galime susidaryti visai neblogą vaizdą apie Visatos raidą.

O po tą Visatos istoriją galima pakeliauti bent jau vaizduotėje. Tad kviečiu šokti į menamą laiko mašiną ir nusikelti į praeiti bei pamatyti, kaip Visata atrodė kadaise.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, prisijungti prie jų galite ir jūs.

Šiandiena, t = 13,8 mlrd. metų po Didžiojo sprogimo, z = 0. Prieš keldamiesi laiku atgal, apsižiūrėkime, kokia Visata yra šiandien. „Šiandiena“, pagal geriausiai duomenis paaiškinantį kosmologinį modelį, yra 13,8 milijardo metų po Didžiojo sprogimo, nuo kurio prasidėjo mūsų Visata. Stebėdami tolimus kosminius kūnus, negalime tiesiogiai išmatuoti, kiek laiko jų šviesa keliavo iki mūsų, todėl jų atstumai paprastai įvardijami pagal tiesiogiai išmatuojamą dydį – raudonąjį poslinkį, žymimą raide z. Jis nurodo, kiek toli į raudonąją spektro pusę pasislinkusios spektro linijos. Šiandieną atitinka nulinė raudonojo poslinkio vertė.

Taigi, ką matome Visatoje šiandien? Nesuskaičiuojama gausybė galaktikų (pagal kai kuriuos vertinimus, regimojoje Visatoje jų yra apie du trilijonus), kiekvienoje jų – panaši gausybė žvaigždžių, aplink jas sukasi planetos, knibžda gyvybė… Na gerai, dėl paskutinio punkto kol kas negalime nieko pasakyti tvirtai, nes apie gyvybę žinome tik Žemėje. Bet greičiausiai jos yra ir kitur.

Galaktikos juda vienos kitų atžvilgiu, po truputį jungiasi tarpusavyje, o tolimoje ateityje kiekvienas spiečius ar grupė susijungs į vieną galaktiką. Bet iki to dar turi praeiti ne viena dešimtis milijardų metų. Taip pat visos galaktikos, nesančios tame pačiame spiečiuj, tolsta vienos nuo kitų, ir tą daro greitėdamos, mat Visatos plėtimąsi spartina tamsioji energija. Pastaroji sudaro apie 68% Visatos masės-energijos, o materija (įskaitant ir tamsiąją) – apie 32%. Kiti komponentai, tokie kaip spinduliuotė ar neutrinai, teturi nykstamai mažą reikšmę.

Galaktikose formuojasi naujos žvaigždės, bet tą daro vis lėčiau ir lėčiau. Žinoma, būna ir išimčių – galaktikų susiliejimai sukelia žvaigždėdaros žybsnius – bet bendra tendencija aiški.

Žvelgiant vien į regimąją materiją, maždaug 90% dalelių, arba 74% masės, sudaro vandenilis, 8% dalelių (24% masės) – helis, o visi kiti elementai – apie 2% ir dalelių, ir masės.

Pirma stotelė, t = 1,38 mlrd. metų po Didžiojo sprogimo, z = 4,4. Dešimt kartų jaunesnė Visata iš pirmo žvilgsnio gali pasirodyti panaši į dabartinę. Irgi turime daugybę galaktikų, žvaigždes jose, planetas prie žvaigždžių, gal net ir gyvybę… Nors dėl pastarosios dar labiau neaišku, nei dabar.

Įsižiūrėję geriau, pradėtume pamatyti daugybę skirtumų. Štai galaktikos, palyginus su šiandieninėmis, yra labai netvarkingos – beveik nerasime didingų spiralinių vijų, kaip Paukščių Take ar Andromedoje. Jose pilna tankių dujų gumulų, kurie krenta iš tarpgalaktinės erdvės ir formuoja naujas žvaigždes. Vidutinė žvaigždėdaros sparta panaši į šiandieninę, tačiau vis auga. Keliaudami į praeitį, mes peršokome laiką, vadinamą kosminiu vidurdieniu, kai žvaigždėdara pasiekė maksimumą, apie 10 kartų viršijantį tiek šiandieninį, tiek tuometinį.

Dar vienas pokytis, kurį peršokome šiame kelionės etape, yra materijos ir tamsiosios energijos tankių balanso momentas. Kuo toliau keliaujame į praeitį, tuo mažesnė buvo Visata, todėl medžiaga buvo tankesnė. Tuo tarpu tamsiosios energijos tankis nekinta. Prieš maždaug penkis milijardus metų šios komponentės buvo vienodos, o anksčiau dominavo materija. Ties z = 4,4 Visata buvo 5,4 karto mažesnė, tad medžiagos tankis buvo apie 160 kartų didesnis. Tamsiosios energijos tankis už tuometinį materijos tankį mažesnis apie 75 kartus. Tai reiškia, kad nors Visata ir plėtėsi, tuo metu ji tą darė lėtėdama. Jei ne tamsioji energija, plėtimasis ir toliau būtų lėtėjęs, o galiausiai visai sustotų.

Galaktikų susiliejimai tada vyko taip pat, kaip ir dabar, tačiau tipiniai besijungiantys objektai buvo mažesni – paprasčiausiai todėl, kad didesnių dar nebuvo užaugę. Galaktikų spiečiai jau egzistavo, bet dauguma jų buvo toli gražu nenusistovėję, kaip dabar; galaktikos į juos krito pirmąjį kartą, tad kinetinės ir gravitacinės energijų pusiausvyra dar nebuvo pasiekta.

Cheminė sudėtis iš vienos pusės skyrėsi nežymiai – ir tada, ir dabar dominavo vandenilis ir helis, jų proporcijos irgi buvo panašios. Tačiau žvelgiant į kitus cheminius elementus, pastebėsime daugybę skirtumų. Bendras Visatos metalingumas – už helį sunkesnių cheminių elementų gausa – tada buvo apie 30 kartų mažesnis, nei dabar. Tokių elementų, kaip uranas ar polonis, buvo išvis nykstamai mažai, mat jie daugiausiai atsiranda jungiantis neutroninėms žvaigždėms, o tam reikia daugiau laiko, nei tuometinis Visatos amžius. Taip pat santykinai mažiau buvo ir geležies bei aplink ją periodinėje lentelėje esančių elementų, kurie į aplinką išmetami sprogstant baltosioms nykštukėms – tai nutinka praėjus daugiau nei milijardui metų po baltosios nykštukės atsiradimo. Tuo tarpu anglies, azoto, deguonies ir panašių elementų jau tada buvo santykinai nemažai.

Antra stotelė, t = 138 milijonai metų, z = 24. Dar dešimt kartų jaunesnė Visata akivaizdžiai skiriasi nuo vėlesnių laikotarpių. Galaktikų – bent jau kiek mums žinoma – dar nėra. Greičiausiai egzistuoja proto-galaktiniai dariniai: dujų ir tamsiosios materijos telkiniai, neturintys aiškios struktūros. Juose formuojasi pirmosios žvaigždės – dabartiniai geriausi duomenys rodo, kad tai nutiko 100-180 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Panašiu metu pradėjo augti ir supermasyvios juodosios skylės; galbūt joms pradžią davė pirmųjų žvaigždžių paliktos mažos juodosios skylės, gal egzotiškesni dujų telkiniai, nesubyrėję į žvaigždes, o iškart pavirtę šimtų tūkstančių Saulės masių monstrais.

Bet kuriuo atveju, žvaigždžių ir į juodąsias skyles krentančių dujų spinduliuotė pradėjo jonizuoti Visatos dujas – prasidėjo rejonizacijos procesas. Jis baigėsi maždaug milijardas metų po Didžiojo sprogimo, kai praktiškai visos tarpgalaktinės dujos tapo jonizuotos. Bet 138 milijonų metų amžiaus Visatą užpildė pagrinde neutralios dujos, su kur ne kur plintančiais jonizuotų dujų burbulais.

Ar galėjo tada egzistuoti planetų? Galbūt. Seniausia šiuo metu žinoma planeta yra 12,7 milijardo metų amžiaus, kitaip tariant, ji susiformavo, kai Visatos amžius buvo kiek daugiau nei milijardas metų. Žinome, kad pirmosios žvaigždės greičiausiai buvo vidutiniškai masyvesnės už dabartines, nors turėjo būti ir tokių mažų, kaip Saulė. Aplink kai kurias iš jų galėjo susiformuoti masyvios planetos, dujinės milžinės, panašios į Jupiterį ir didesnės. Mažesnėms planetoms formuotis tiesiog nebuvo iš ko – Visatoje be vandenilio ir helio praktiškai nebuvo kitų cheminių elementų, taigi uoliniai planetų branduoliai niekaip negalėjo atsirasti.

Beje, šis laikotarpis yra sekantis regionas, jei galima taip pasakyti, kurį turėtume pajėgti stebėti tiesiogiai. Tolimiausios galaktikos, kurias pavyko aptikti iki James Webb teleskopo paleidimo, buvo maždaug ties z = 11, arba 400 milijonų metų amžiaus Visatos. James Webb jau galimai aptiko šimtu milijonų metų senesnes galaktikas ir tai greičiausiai ne pabaiga. Tad gali būti, kad su Webb’u pamatysime pirmųjų galaktikų formavimąsi. Prie jo prisijungus kitoms naujoms observatorijoms – Athena, Lynx, Euclid ir t.t. – turime puikias perspektyvas tiesiogiai tyrinėti 100-200 milijonų metų amžiaus Visatą.

Trečia ir ketvirta stotelės, t = 13,8 ir 1,38 milijono metų, z = 115-500. Abu šiuos laikus galima aprašyti bendrai, nes remiantis dabartinėmis žiniomis Visata tada buvo labai panaši. Žvaigždžių joje dar nebuvo. Tamsiosios materijos netolygumai po truputį auga ir ima telkti dujas, bet procesai labai lėti ir tolygūs. Visos dujos – vandenilis, helis ir labai mažas kiekis ličio – yra neutralios, jų neapšviečia jokie spinduliuotės šaltiniai. Šis periodas vadinamas Tamsiaisiais amžiais. Tiesa, Visatoje yra ir daug fotonų – jie sudaro kosminę foninę spinduliuotę. Tačiau ši spinduliuotė yra infraraudonoji ir ne tik nejonizuoja, bet netgi nesužadina neutralaus vandenilio atomų, taigi fotonai ir dujos nesąveikauja tarpusavyje.

Penkta stotelė, t = 138 tūkstančiai metų, z = 1950. Mus supa plazma. Jei neutralių vandenilio atomų ir yra, jie gyvuoja labai trumpai – vos pasigavęs elektroną, atomas susiduria su fotonu, kurio energijos užtenka tam elektronui atplėšti. Ši situacija tęsis iki 380 tūkstančių metų, kai Visatai plečiantis spinduliuotės temperatūra nukris tiek, jog vandenilis galės išlikti neutralus – įvyks rekombinacija ir prasidės Tamsieji amžiai.

Bet Visatoje yra ne tik vandenilis. Nuo helio branduolio elektronus atplėšti sunkiau, nei nuo vandenilio; be to, jų yra du. Tad helis rekombinuoja du kartus. Pirmoji helio rekombinacija įvyko Visatai esant maždaug 18 tūkstančių metų amžiaus, kai vidutinė temperatūra siekė apie 18 tūkstančių kelvinų. Antroji rekombinacija vyksta kaip tik mūsų vizito metu – viengubai jonizuoti helio branduoliai gaudo elektronus ir jų nebepaleidžia, nes 6000 kelvinų temperatūros spinduliuotė nebepajėgia jų išmušti.

Šešta stotelė, t = 13,8 tūkstančio metų. Apie raudonąjį poslinkį kalbėti jau kaip ir nebėra prasmės. Nors formaliai jį suskaičiuoti galima, bet išmatuoti – nebe. Tolimiausia šviesa, kurią galime matyti, yra fotonai, išspinduliuoti rekombinacijos metu. Ankstesniais laikais spinduliuotė buvo taip sumišusi su medžiaga, kad nesklido tiesiomis linijomis, o buvo nuolat sugeriama ir perspinduliuojama. Plazmą šiuo atžvilgiu galima palyginti su rūku. Jei mūsų nepasiekia spinduliuotė, tai ir jos išsitempimo – raudonojo poslinkio – matuoti nėra galimybių.

13,8 tūkstančio metų Visata bendrai paėmus labai panaši į dešimt kartų vyresnę. Tiesa, helis irgi yra visiškai jonizuotas, bet kitokie pokyčiai nežymus. Vienas formalus skirtumas, lemiantis Visatos plėtimosi pobūdį šiais laikotarpiais, yra materijos ir spinduliuotės balanso laikas. Panašiai, kaip prieš kelis milijardus metų materijos tankis buvo lygus tamsiosios energijos tankiui, o vėlesniais laikais pastaroji ėmė dominuoti, taip praėjus 63 tūkstančiams metų po Didžiojo sprogimo susilygino spinduliuotės ir materijos tankiai. Visatai plečiantis, materijos tankis mažėja kaip dydžio kubas, o spinduliuotės – kaip spindulio ketvirtasis laipsnis. Šį skirtumą nesunkiai galima suprasti įsivaizduojant Visatą kaip uždarą besiplečiančią dėžę. Jei dėžė plinta visomis kryptimis vienodai – o Visata taip ir elgiasi – jos tūris auga kaip spindulio kubas. Materijos kiekis Visatoje nekinta, todėl tankis mažėja proporcingai tūriui, arba spindulio kubui. Spinduliuotės – fotonų – kiekis irgi nekinta, tačiau kiekvieno fotono bangos ilgis plečiasi kartu su visa Visata. Taigi kiekvieno fotono energija, atvirkščiai proporcinga bangos ilgiui, taip pat mažėja – iš čia atsiranda papildomas spindulio laipsnis tankio priklausomybėje.

Taigi spinduliuotės tankis, kuris šiuo metu yra nykstamai mažas, lyginant tiek su materijos, tiek su tamsiosios energijos, Visatos pradžioje buvo dominuojanti energijos komponentė. Tuo laikotarpiu Visata plėtėsi truputį lėčiau, nei pradėjus dominuoti materijai.

Septinta – keturiolikta stotelės, t = 1380 metų iki t = 72 minutės. Net dešimt milijonų kartų mažindami laiką iki/nuo Didžiojo sprogimo, nepastebėtume jokių ypatingų pokyčių. Visata darosi vis tankesnė ir karštesnė. Visur dominuoja fotonai. Laksto pavieniai protonai, vandenilio izotopų deuterio (vienas protonas ir vienas neutronas) bei tričio (vienas protonas ir du neutronai), helio-3 (du protonai ir neutronas), helio-4 (du protonai, du neutronai) ir ličio-7 (trys protonai, keturi neutronai) branduoliai, daugybė elektronų. Tačiau bendras vaizdas išlieka vienodas.

Bent jau tiek, kiek žinome. Kaip ir vėlesnių laikotarpių iki pat rekombinacijos, pirmųjų Visatos raidos etapų negalime stebėti tiesiogiai. Sąlygas, buvusias Visatoje šiuo metu, galime atkurti laboratorijose, iš to ir sprendžiame, kad nieko ypatingo čia nevyko. Bet negalime atmesti ir tikimybės, kad ką nors praleidome. Daugiau šansų, kad ką nors reikšmingo neįvertiname daug ankstesniais laikais, bet visko gali būti ir čia. Tokie reiškiniai, kaip magnetinis laukas arba neutrinų srautas (prie jo dar prieisime vėliau) gali turėti daugiau įtakos, nei paprastai vertinama.

Penkiolikta ir šešiolikta stotelės, t = 7,2 minutės ir t = 43,2 sekundės. Visa Visata primena žvaigždės branduolį – temperatūra siekia milijardus laipsnių, medžiagos tankis – panašus į oro tankį jūros lygyje, o spinduliuotės tankis – dar dešimt tūkstančių kartų didesnis. Taigi, kaip ir žvaigždėje, visoje Visatoje vyksta nukleosintezė. Kad atskirtume nuo vykstančios žvaigždėse, ji vadinama pirmykšte. Protonai ir neutronai jungiasi į deuterio bei tričio, helio-3, helio-4 ir ličio-7 branduolius. Susiformuoja ir truputis berilio-7, bet jis labai greitai skyla. Procesas prasideda praėjus maždaug 10 sekundžių po Didžiojo sprogimo, baigiasi per 20 minučių, kai temperatūra ir tankis sumažėja tiek, jog nebegali įveikti protonų elektrostatinės stūmos.

Nors šio proceso, kaip ir daugybės vėlesnių, pamatyti negalime, apie jo eigą turime šiokių tokių įrodymų. Vandenilis, helis ir litis, šiandien egzistuojantys Visatoje, susiformavo daugiausiai būtent per šias pirmąsias minutes po Didžiojo sprogimo. Taip, helis formuojasi ir žvaigždėse, o litis – kosminiams spinduliams daužant stambesnius branduolius, bet į šiuos procesus galima atsižvelgti. Taigi stebėdami Visatą aplink save, galime nustatyti pirmykštės nukleosintezės rezultatą. Rezultatas, žinoma, priklauso nuo Visatos savybių proceso metu – tankio, protonų ir neutronų santykio, fotonų kiekio ir t.t. Taigi žinodami rezultatą, galime apskaičiuoti ir tikėtinas savybes. Vien tai, kad prognozuojama deuterio ir helio gausa sutampa su stebėjimų rezultatais, yra didžiulis standartinio kosmologinio modelio pasiekimas. Iš kitos pusės, panašu, kad Visatoje ličio yra mažiau, nei turėtų būti pagal pirmykštės nukleosintezės skaičiavimus. Bet, žinoma, gali būti, kad ličio gausa Visatoje išmatuota neteisingai, bet tai tikrai ne vienintelis galimas šios problemos paaiškinimas.

Septyniolikta ir tolesnės stotelės, t = 4,32 sekundės ir mažiau. Kuo toliau į praeitį keliaujame, tuo labiau Visata skiriasi nuo mums pažįstamos. Nors nukleosintezės metu ji irgi toli gražu neprimena tos, kurią matome šiandien, bet bent jau turime natūralių analogų – žvaigždžių branduolius. Pirmąsias dešimt sekundžių Visata buvo tokia energinga, kad šiandien panašių vietų joje nėra. Na, neskaitant dalelių greitintuvų, kuriuose galima pasiekti energijas, prilygstančias pikosekundžių – trilijonųjų sekundės dalių – amžiaus Visatai. Būtent iš tokių, dalelių fizikos, eksperimentų ateina pagrindinės žinios apie Visatos sandarą ir raidą šiais pradiniais momentais. Apie pirmąsias kelias minutes, įskaitant ir nukleosintezę, rašiau pažintiniame straipsnyje prieš keletą metų. Nuo tada mūsų supratimas apie Visatos pradžią reikšmingai nepakito. Tai nereiškia, kad ten nebėra neatsakytų klausimų – toli gražu. Tiesiog tyrinėti laikus, kurių neįmanoma pamatyti ir kitaip tiesiogiai užčiuopti – be galo sudėtinga. Šiek tiek praskleisti foninės spinduliuotės uždangą turėtų padėti neutrinų fonas, atsiskyręs nuo materijos maždaug sekundė po Didžiojo sprogimo; neutrinų astronomija yra pakankamai nauja sritis, kuri gali duoti labai įdomių rezultatų, tačiau aptikti labai mažos energijos kosmologinius neutrinus bus tikrai didelis iššūkis. Taip pat tikimasi užfiksuoti pirmykštes gravitacines bangas, kurios galėjo susidaryti infliacijos metu, gerokai anksčiau, nei laikai, kurių savybes įmanoma tyrinėti greitintuvuose. Bet ir jas užfiksuoti dar reikės pasistengti.

Laiqualasse