Túl a határokon: az Ősrobbanás-elmélet titokzatos kérdései

Mai ismereteink szerint a látható univerzum több mint 13 milliárd éve az ősrobbanással jött kétre

Az Ősrobbanás-elmélet korántsem teljes, számos kényes kérdésre nem képes választ adni eredeti formájában, mint például az Univerzumban megfigyelhető anyageloszlásra vagy éppen a kezdeti szingularitás leírására. Vajon képesek vagyunk-e megmagyarázni a jelenlegi kozmológiai tudásunkkal felvértezve az Ősrobbanás-elmélet hiányosságait?

Az Ősrobbanás-elmélet és a relativitáselmélet

Az Ősrobbanás-elmélet az Univerzum keletkezésének és fejlődésének napjainkban legelfogadottabb elmélete, amely szerint a Világegyetem valamikor 12-14 milliárd évvel ezelőtt egy úgynevezett szingularitásból keletkezett, amely aztán kitágult, és lehűlt.

A kozmológia nagy kérdése, a világegyetem keletkezése. Minél messzebb látunk a kozmoszban, annál inkább az egyre távolabbi múlt tárul a szemeink elé Forrás: Youtube

A keletkezés következményeit ma is megtapasztalhatjuk a kozmikus háttérsugárzásban,

amely a korai, forró Univerzum lehűlése során maradt vissza, illetve az egész téridő tágulásában, ami napjainkban is (egyre gyorsuló ütemben) tart.

Mai ismereteink szerint a látható univerzum több mint 13 milliárd éve az ősrobbanással jött kétre Forrás: Smithsonian

Az Ősrobbanás elmélete alapvetően két nagy alappilléren nyugszik.

Az egyik az Albert Einstein által felfedezett általános relativitáselmélet,

amely egészen új szempontból közelítette meg a Newton által korábban leírt gravitációt és a testek mozgását. Bevezeti a téridő fogalmát, amelyhez elválaszthatatlanul hozzákapcsolja az anyagot és egyben deklarálja a fénysebességet, mint abszolút határsebességet az Univerzumban.

Albert Einstein vezette be a téridő fogalmát Forrás: Wikimedia Commons

Ez utóbbinak érdekes következményei vannak, amelyek közül had említsünk meg egy példát.

Mi történne, ha eltűnne a Nap?

Mi történne, ha az egyik pillanatban eltűnne a Nap? Mit tapasztalnánk? Newton felfogásában, abban a pillanatban, hogy a Nap eltűnne, a Földünk letérne a pályájáról, mivel a gravitációs mező megszűnése, mint hatás, azonnal tapasztalható lenne. Vagyis találtunk egy olyan fizikai hatásmechanizmust, amely végtelen sebességgel terjed.

A Nap és a bolygók méretarányát szemléltető ábra. Ha a Nap hirtelen megsemmisülne, csak több mint nyolc perc elteltével észlelnénk a hatását Forrás: NASA/ESA

Azonban Einstein óta tudjuk, hogy nem ez történne. A Napunk eltűnését követő kb. 8,3 percben (ennyi időre van szüksége átlagosan a fénynek, hogy megtegye a Nap-Föld távolságot) semmi változást nem tapasztalnánk,

hiszen a gravitációs mező megszűnése, mint hatás, sem terjedhet gyorsabban a fénynél.

Érdekes elgondolkodni mindezen, hiszen ez azt jelenti, hogy sosem tudhatjuk, mi zajlik éppen a jelenben a Napon, csak azt, ami a múltban történik.

A táguló világegyetem grafikája Forrás: Wikimedia Commons

Mindez csupán egyetlen példa Einstein forradalmian új gondolkodásmódjára, amelyet a kozmológia el kellett fogadjon, azóta pedig számtalan úton bizonyították a jóslatait (legutóbb a gravitációs hullámok felfedezésével). John Wheeler fizikus szavai kiválóan összefoglalják Einstein elméletének lényegét:

Az anyag megmondja a téridőnek, hogyan görbüljön, és a téridő megmondja az anyagnak, hogyan mozogjon!”.

Einstein forradalmian új gondolkodásmódja új irányt szabott a kozmológiának is Forrás: Wikimedia Commons

Az anyag és energia (Einstein óta azt is tudjuk, hogy az anyag az energiának tulajdonképpen egy megjelenési formája) befolyásolja a téridő szövedékét, meggörbíti azt,

míg a görbült téridő visszahat a testek mozgására, amit mi gravitációs erőként értelmezünk.

Ez a leírásmód alapvetően meghatározza az Univerzum nagyléptékű szerkezetét, és így közvetlenül be kell hogy épüljön az Univerzum keletkezésével és fejlődésével foglalkozó bármely elméletbe.

Az Ősrobbanás-elmélet és a Kozmológiai Elv

Einstein elméletének megszületése után számtalan tudós (köztük maga Einstein) igyekezte is alkalmazni a relativitáselmélet által adott dinamikát az Univerzum keletkezésére, fejlődésére. Mindehhez pedig szükség volt egy alapvető első feltevésre az anyag eloszlására vonatkozólag a Világegyetemben.

A nulladik pillanat, az anyag és a téridő megszületése Forrás: NASA

A legkézenfekvőbb feltevés, ha megfelelően nagy léptékben szemléljük az Univerzum szerkezetét, azt, hogy a Világegyetemben az anyag eloszlása homogén és izotróp.

Ezt a feltevést hívjuk Kozmológiai Elvnek,

amelyet az Univerzumban található anyag (galaxisok) eloszlására vonatkozó megfigyelések is alátámasztani látszottak.

Az anyag, a galaxisok Univerzumon belüli eloszlása a Kozmológiai Elv bizonyítékának tekinthető Forrás: Youtube

Mindezt jól kiegészítette (eleinte) a kozmikus háttérsugárzás nagyléptékű egyenletessége is, amely megerősítette azt a feltevést, miszerint a háttérsugárzást milliárd évekkel korábban kibocsátó anyag eloszlása is a legnagyobb léptékben egyenletes kellett hogy legyen. Az Ősrobbanás-elmélet a relativitáselmélet és a Kozmológiai Elv alapvető pilléreire támaszkodva próbálta megmagyarázni az Univerzum keletkezésének és fejlődésének alapkérdését.

Túl a Kozmológiai Elven

A Kozmológiai Elv eredeti formájában az újabb felfedezések fényében kérdésessé vált,

és vele együtt a rá építkező Ősrobbanás-elméletben is szaporodni kezdtek a problémák.

Az egyre kisebb méretskálákon éppen az egyenletes anyageloszlás ellentéte fedezhető fel, amelynekkorántsem egyértelmű a magyarázata az Ősrobbanás-elmélet keretein belül.

Az inflációs elmélet az ősrobbanási hipotézis továbbfejlesztése Forrás: NASA

A megoldáshoz a kozmológusok kidolgozták az úgynevezett inflációs-elméletet, amely tulajdonképpen az Ősrobbanás-elmélet kiterjesztésének tekinthető. Az Univerzum nagyon korai időszakában a korábbihoz képest lényegesen gyorsabb növekedési szakaszt feltételezve, mind az Univerzum nagyléptékű szerkezete, valamint a lokális struktúrák (galaxisok) kialakulása is megmagyarázhatóvá válik.

Az NGC 2207 és IC 2163 jelű egymással ütköző spirális galaxisok Forrás: NASA/ESA

Tekintsük át az Ősrobbanás-elméletben felvetődött legnagyobb kérdéseket és próbáljuk ezeket megmagyarázni az inflációs szakasz bevezetésével!

Hogyan formálódtak az Univerzum struktúrái?

A távcsövek viszonylag egyszerű eszközt adnak a kezünkbe az Univerzum különböző léptékű szerkezetének megfigyelésére.

Ezt a szerkezeti felépítést bármely keletkezési modellnek meg kell tudnia magyarázni,

vagyis olyan fejlődési irányvonalat kell jósolnia, amely a ma megfigyelt Világegyetemet eredményezi.

Minél jobban feltárulnak a kozmosz mélységei, annál több kérdés is megfogalmazódik Forrás: Wikimedia Commons

A Hubble űrteleszkóp talán egyik leghíresebb felvétele a „Deep Field Image”, amely erről a struktúráról árulkodik. Az Ősrobbanás-elméletből éppen annak a magyarázata hiányzik, hogy miként jöhettek létre ezek a megfigyelhető struktúrák a Világegyetemben? A legelfogadottabb feltevés szerint a jelenleg látható struktúrák a kezdeti Univerzum, közel egyenletes anyageloszlásában tapasztalható apró fluktuációiból (ingadozásából, hullámzásából) alakultak ki a gravitáció hatására.

Az M 87 relativisztikus jelensége Forrás: NASA

Ezek a fluktuációk máig megőrizték nyomukat a kozmikus háttérsugárzás hőmérsékletingadozásaiban. Az eredeti Ősrobbanás-elmélet segítségével, megmagyarázható az egyenletes kezdeti anyageloszlás, valamint a kozmikus háttérsugárzás, illetve a könnyű elemek keletkezésének kérdése, azonban a galaxisok létezése, valamint az Univerzum strukturális felépítése már nem értelmezhető.

A Nap helye a Galaxis 200 milliárd csillaga között. A Tejútrendszer is csak egy apró porszem az ismert Univerzum töbszáz milliárd csillagvárosa között Forrás: NASA

Viszont az apróbb fluktuációk által indított gravitációs elrendeződés értelmezhetővé teszi a problémát. Példaképpen tekintsünk vissza a Világegyetem távoli múltjába.

Nagyjából 500 ezer évvel az Ősrobbanás után az Univerzum közel 1000-szer volt kisebb a jelenlegi méreténél.

Ebben az időszakban például a Tejútrendszerünket magába foglaló tértartományban az anyag sűrűsége mintegy 0,5%-al kellett hogy felülmúlja a környezetét, ami miatt az itt található anyag lényegesen lassabban tágult, mint a környező régiókban.

A Galaxis, azaz a Tejűtrendszer központi síkja Forrás: NASA

Ennek hatására a későbbi Tejútrendszer környezetében egyre jobban megnövekedett az anyag sűrűsége, a gravitáció irányítása alatt. Ha ezt a gondolatmenetet tovább folytatjuk, akkor elképzelhetjük azt az egyre jobban sűrűsödő anyagcsomót, amelyből kialakult a Tejútrendszer, illetve azon belül a további csillagcsoportosulások, a csillagrendszerek, és a bolygórendszerek is.

A Hubble-űrteleszkóp Forrás: NASA

A kozmológusok azt feltételezik, hogy a Hubble-űrtávcső számos felvételén éppen ilyen galaxisformálódási fázisban lévő állapotokat láthatunk. (Ne feledjük, hogy a galaxisok képe a múltat tükrözi, az akkori állapotot, amikor a galaxis fénye elindult hozzánk).

Hogyan keletkeztek a korai Univerzum apró fluktuációi?

Az eddig összefoglalt fejlődési mechanizmust a gravitáció vezényelte le az apró, kezdeti ingadozásokból kiindulva, amelyeknek jelen kellett lenniük a korai Univerzum közel egyenletes anyageloszlásában. Azonban még ez sem ad magyarázatot arra, hogy miként jöttek létre ezek a kezdeti fluktuációk.

Az anyag eloszlása az ősrobbanás utáni Univerzumban Forrás: NASA

Két elméleti lehetőség vetődött fel a kozmológusok számára, hogy megválaszolják ezt az égető kérdést. Az egyik az inflációs tágulási időszak bevezetése a korai Univerzumba, illetve a Világegyetem nagyléptékű szerkezetében tapasztalható defektusok, hiányosságok feltételezése. A két feltevés némileg eltérő jóslatokat adott a kozmikus háttérsugárzás apró ingadozásaira.

Forrás: NASA

A megfigyelések az inflációs elmélet jóslatait látszanak alátámasztani, így a folytatásban alaposan áttekintjük majd a kozmikus háttérsugárzás eloszlásáról szerzett ismereteinket is, a korai Univerzum magyarázatára. Mindezeket beépítve az Ősrobbanás-elméletbe megnézzük, vajon mennyire tudjuk megmagyarázni ezzel a modellel a világunk keletkezését? (Folytatjuk)

(A szerző asztrofizikus, az MTA kutatója)