Ősrobbanás (Nagy Bumm) — A világegyetem keletkezésének magyarázata

Ősrobbanás (Nagy Bumm): részletes, érthető magyarázat a világegyetem keletkezéséről, tágulásáról, vöröseltolódásról és a kozmológia bizonyítékairól.

Az ősrobbanás egy tudományos elmélet arról, hogyan kezdődött a világegyetem, és hogyan jöttek létre a ma látható csillagok és galaxisok. Az ősrobbanás a tudósok által használt elnevezés a világegyetem legelterjedtebb elméletére, a legkorábbi szakaszoktól napjainkig.

A világegyetem egy nagyon forró, kicsi és sűrű szupererő (a négy alapvető erő keveréke) formájában kezdődött, csillagok, atomok, formák és struktúra nélkül (ezt nevezzük "szingularitásnak"). Aztán körülbelül 13,8 milliárd évvel ezelőtt a tér nagyon gyorsan kitágult (innen az "ősrobbanás" elnevezés). Ez elindította az atomok kialakulását, ami végül a csillagok és galaxisok kialakulásához vezetett. Georges Lemaître volt az, aki először állapította meg (1927-ben), hogy a táguló világegyetemet vissza lehet követni az időben egy kiinduló egyetlen pontig. A világegyetem ma is tágul, és egyre hidegebb is.

A világegyetem egésze növekszik, és a hőmérséklet az idő múlásával csökken. A kozmológia a világegyetem keletkezésének és fejlődésének tanulmányozása. A kozmológiát tanulmányozó tudósok egyetértenek abban, hogy az ősrobbanás elmélete megfelel az eddig megfigyelteknek.

Fred Hoyle rádióműsorában "ősrobbanásnak" nevezte az elméletet. Nem hitt abban, hogy a Nagy Bumm helyes. Azok a tudósok, akik nem értettek vele egyet, viccesnek találták a nevet, és úgy döntöttek, hogy használják.

A tudósok az ősrobbanás elméletét számos különböző megfigyelésre alapozzák. A legfontosabb a nagyon távoli galaxisok vöröseltolódása. A vöröseltolódás a fényben fellépő Doppler-hatás. Amikor egy objektum távolodik a Földtől, a színsugarai jobban hasonlítanak a vörös színhez, mint amilyenek valójában, mert a mozgás megnyújtja az objektum által kibocsátott fény hullámhosszát. A tudósok a "vörös forró" szót használják ennek a megnyújtott fényhullámnak a leírására, mivel a vörös a leghosszabb hullámhossz a látható spektrumban. Minél nagyobb a vöröseltolódás, annál gyorsabban távolodik az objektum. A vöröseltolódás mérésével a tudósok bebizonyították, hogy a világegyetem tágul, és ki tudják számolni, hogy az objektum milyen gyorsan távolodik a Földtől. Nagyon pontos megfigyelések és mérések alapján a tudósok úgy vélik, hogy a világegyetem körülbelül 13,8 milliárd évvel ezelőtt szingularitás volt. Mivel a legtöbb dolog a tágulással egyre hidegebbé válik, a tudósok feltételezik, hogy a világegyetem nagyon kicsi és nagyon forró volt a kezdet kezdetén.

Az ősrobbanás elméletét alátámasztó további megfigyelések a világegyetemben található kémiai elemek mennyisége. A nagyon könnyű elemek, például a hidrogén, a hélium és a lítium mennyiségei egyetérteni látszanak az ősrobbanás elméletével. A tudósok "kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást" is találtak. Ezt a sugárzást rádióhullámoknak nevezik, és mindenütt jelen van a világegyetemben. Ez a sugárzás most nagyon gyenge és hideg, de régen nagyon erős és nagyon forró volt.

Azt lehet mondani, hogy az időnek nem volt értelme az ősrobbanás előtt. Ha az ősrobbanás volt az idő kezdete, akkor az ősrobbanás előtt nem volt világegyetem, hiszen nem lehetett "előtte", ha nem volt idő! Más elképzelések szerint az ősrobbanás nem az idő kezdete volt 13,8 milliárd évvel ezelőtt. Ehelyett egyesek úgy vélik, hogy az ősrobbanás előtt egy teljesen más világegyetem létezett, és az nagyon is különbözhetett attól, amit ma ismerünk.

Ennek ellenére 2019 novemberében Jim Peebles, akit a fizikai kozmológiában elért elméleti felfedezéseiért 2019-ben fizikai Nobel-díjjal tüntettek ki, a díj átadásakor megjegyezte, hogy nem támogatja az ősrobbanás elméletét a konkrét alátámasztó bizonyítékok hiánya miatt, és kijelentette: "Nagyon szerencsétlen, hogy az ember a kezdetre gondol, miközben valójában nincs jó elméletünk egy olyan dologról, mint a kezdet".

Részletesebb magyarázat és főbb korszakok

Az ősrobbanás elmélete tulajdonképpen a világegyetem fejlődésének leírása a legkorábbi ismert állapotoktól napjainkig. A későbbi kutatások az ún. kozmikus idővonalat bontották le rövid, jól elkülöníthető korszakokra. A legfontosabb állomások nagyvonalakban:

• Planck-korszak (t < 10^−43 s): itt a gravitáció kvantumos leírása szükséges; a jelenlegi elméletek (általános relativitás) nem alkalmasak a leírására.
• Infláció (kb. 10^−36 – 10^−32 s): a tér rövid idő alatt exponenciálisan kitágult. Az infláció elmélete (Alan Guth, Andrei Linde és mások munkája) magyarázatot ad több kozmológiai problémára, például a horizont- és a síkproblémára.
• Újrakalibrálás / reheating: az inflációt követően az energia részecskékké alakult, létrejöttek a kvarkok, leptonok és más elemi részecskék.
• Nukleoszintézis (kb. 1–20 perc): a könnyű elemek (hidrogén, hélium, deutérium, litium) alapvető mennyiségei kialakulnak; a megfigyelt hélium-tömegarány jól illeszkedik az elmélet előrejelzéséhez.
• Rekombináció és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (kb. 380 000 év): az elektronok és protonok semleges atomokká egyesülnek, a fotonok leszakadnak az anyagról és elszabadulnak — ez a mai CMB, amely feketetest-spektrumként ~2,725 K körüli hőmérséklettel mérhető.
• Sötét korok, majd csillag- és galaxiskeletkezés (több száz millió év): az első csillagok felizzanak, újraegyesítik (reionizálják) az anyagot, majd a gravitáció hatására kialakulnak a galaxisok és nagy léptékű szerkezetek.
• Ma: a világegyetem körülbelül 13,8 milliárd éves, a tágulás folytatódik; a megfigyelések alapján az univerzum tágulása jelenleg gyorsuló fázisban van (a gyorsulást a sötét energia magyarázza).

Az ősrobbanást alátámasztó fő megfigyelések

• Vöröseltolódás és a Hubble-törvény: a távoli galaxisok spektrumában megfigyelt vöröseltolódás azt mutatja, hogy a világűr tágul. Ennek történeti szereplői közé tartozik Georges Lemaître és Edwin Hubble. A Hubble-állandó pontos értéke ma is vita tárgya (az ún. H0-torzulás vagy H0-ellentmondás).
• Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB): a COBE, a WMAP és a Planck űrtávcsövek nagyon pontos mérései azt mutatták, hogy a CMB feketetest-spektruma és kis amplitúdójú hőmérsékleti anizotrópiái pontosan megfelelnek az ősrobbanás elméletének előrejelzéseinek. A CMB a korai univerzum pillanatfelvételeként funkcionál.
• Big Bang nukleoszintézis: a korai univerzumban lejátszódó magreakciók számolhatók, és az előrejelzések (például a hélium tömegharánya, a deutérium mennyisége) jól egyeznek a megfigyelt primordial komponensekkel. Egy kivétel a litium-7 mennyisége, amelynél eltérés van a megfigyelés és az elmélet között (a „lítium-probléma”).
• Nagyléptékű szerkezetek: a galaxisok és halmazok eloszlása, valamint a galaxisok belső szerkezete összhangban van a táguló univerzum és a sötét anyag hatásával.
• Távoli szupernóvák és a gyorsuló tágulás: a 1990-es évek végi megfigyelések szerint az univerzum tágulása az utóbbi milliárd években gyorsult; ezt a jelenséget sötét energiával magyarázzák.

Nyitott kérdések és kutatási irányok

Bár az ősrobbanás-elmélet nagyon sikeres az univerzum fejlődésének leírásában, több fontos kérdés továbbra is nyitott:

• Mi volt a "kezdet" valódi természete? Az általános relativitás szingularitást jelez, de ez azt is jelenti, hogy egy kvantumgravitációs elméletre van szükségünk az igazsághoz. A gravitáció kvantumos leírása (például húr-elmélet vagy hurokkvantum-gravitáció) még nem végleges.
• Mi okozta az inflációt, és hogyan záródott le pontosan? Az infláció részletei és a kapcsolódó részecskefizika (inflatonmező, potenciálok) aktív kutatás tárgyai.
• A H0-ellentmondás: különböző módszerek különböző értékeket adnak a Hubble-állandóra; ez vagy mérési rendszerességből adódik, vagy új fizikára utalhat.
• A sötét anyag és a sötét energia természetének tisztázása még várat magára: jelenleg ezek a komponensek alakítják a kozmikus dinamikát, de miben állnak pontosan, nem tudjuk.
• Az anyag–antianyag aszimmetria (bárion-aszimmetria) eredete: miért maradt meg a több anyag az antianyaghoz képest?
• A lítium-probléma: a megfigyelt primordialis lítium mennyisége eltér a BBN-előrejelzésektől.

A név és a vita

Fred Hoyle a „Nagy Bumm” kifejezést rádióműsorban használta a név első ismert elterjesztésére; eredetileg gúnyos értelemben említette, mert nem értett egyet az elmélettel. A kifejezés később általánosan elterjedt, és ma is használatos.

A modern kozmológusok többsége támogatja az ősrobbanás-modellt a megfigyelésekkel való összhangja miatt, de hangsúlyozzák: az elmélet az univerzum fejlődését remekül leírja az infláció utáni időktől napjainkig, míg a „teljes kezdet” (a Planck-korszak vagy a szingularitás) megértéséhez új elméleti fejlesztésekre van szükség. Ennek a megjegyzésnek a szellemében lehet értelmezni Jim Peebles kritikáját is: ő nem vitatta a modern kozmológia számos sikerét, de rámutatott, hogy nincs még kielégítő elméletünk a szó legelső pillanatára vonatkozóan.

Hol tart ma a kutatás?

A megfigyelések és a teleszkópok (például a CMB-méréseket végző COBE, WMAP, Planck, a nagy galaxisfelmérések és a távcsövek) egyre nagyobb pontossággal írják le az univerzum múltját és jelenét. Ugyanakkor a következő évek és évtizedek nagy kérdései — a kvantumgravitáció, az infláció részletei, a sötét komponensek természete és a H0-ellentmondás — továbbra is élénk kutatási területek. Az újabb mérések és elméleti fejlesztések reményeink szerint tisztább képet adnak a világegyetem legelső időszakaival kapcsolatban.

Kérdések és válaszok

K: Mi az az ősrobbanás?

K: Milyen alternatívái vannak az ősrobbanás elméletének?

K: Hogyan kezdődött minden ezen elmélet szerint?

K: Ki jegyezte meg először, hogy a táguló világegyetemet vissza lehet követni az időben?

K: A világegyetem ma is tágul?

K: Mi az a kozmológia?

K: Egyetértenek-e a tudósok eddig ezzel az elmélettel?

Keresés betűvel