Jak vznik vesmír a jak někdy (možná) skončí? (2)

V předchozí části článku jsme nahlédli do úplného prvopočátku vesmíru a dozvěděli jsme se, co se pravděpodobně dělo v prvních tisícinách sekund po Velkém třesku.

Období od 10 sekund do 377 tisíc let nazýváme érou fotonů, neboť právě energie těchto částic neustále interagujících s horkým plazmatem tvořila nejdůležitější složku energie vesmíru. Během fotonové éry padaly postupně teploty plazmatu až pod hranice, kdy se již baryony mohly spojovat silnou interakcí a vytvářet atomová jádra. V raném kosmu se tak od třetí minuty odehrávaly rychlé termojaderné reakce, ale během 17 minut klesla teplota natolik, že dále probíhat nemohly. Do dvacáté minuty existence vesmíru tedy došlo k určení jeho prvotního chemického složení – v této fázi nevznikly prvky těžší než beryllium. Atomární látku tvořil na konci dvacáté minuty ze tří čtvrtin atomární vodík, z jedné čtvrtiny helium-4, jedna setina procenta pak připadala na deuterium (těžký vodík) a pouhé stopy na těžší prvky. Na dalších změnách chemického složení se podílely až procesy v nitrech hvězd, které se rodily teprve později. Volné neutrony, jež se „nestihly schovat“ do atomových jader, se samovolně rozpadaly s poločasem 15 minut, a v dnešním vesmíru je tedy už nenajdeme.

Zhruba 70 tisíc let po Velkém třesku se vyrovnávaly hustoty baryonické látky a tepelného záření, přičemž důležitost záření nadále klesala. To znamená, že baryonická látka konečně mohla vytvářet gravitačně vázané shluky, jejichž velikost rostla. Podle moderních kosmologických teorií však chladná temná hmota, jež neinteraguje s elektromagnetickým zářením, měla v tu chvíli náskok a gravitačně vázané shluky již vytvářela. Temná hmota se stala základem pro dnešní velkorozměrovou strukturu vesmíru. Již také existovala gravitační centra, která v následující etapě usnadnila gravitační kolaps baryonické hmoty a vznik prvních hvězd a galaxií. 

První hvězdy

V roce 377 000 po Velkém třesku klesla teplota pod hranici 4 000 K a látka mohla začít rekombinovat. Atomová jádra zachytávala kolem poletující elektrony a vesmír se náhle stal průhledným, neboť neutrální látka je obvykle průhlednější než její ionizovaná forma. Poslední fotony uvězněné v ionizované látce před jejím zprůhledněním vytvořily pozaďové záření, jež se rozepnutím kosmu energeticky posunulo až do mikrovlnné oblasti spektra. Mluvíme o reliktním záření, přičemž jde o jeden z nejdůležitějších zdrojů informací o vlastnostech raného vesmíru. Kosmos tak vstoupil do své dlouhé temné éry. 

Sto padesát milionů let po vzniku vesmíru se začaly objevovat první galaxie (velmi aktivní kvazary) a o něco později také prvotní hvězdy, jejichž intenzivní záření opětovně ionizovalo okolní prostor. První stálice, složené výhradně z vodíku a helia, dosahovaly pravděpodobně obřích hmotností v řádu mnoha stovek sluncí. Tyto hvězdy žily poměrně krátkou dobu a překotné nukleární reakce v jejich nitrech obohatily kosmos o další chemické prvky. Z obohacené látky vznikaly galaxie tak, jak je známe dnes, a v nich se vytvářely stálice další generace, z nichž některé dosud existují. Mezi galaxiemi působila gravitační přitažlivost a formovaly se tak gravitačně vázané skupiny, kupy a nadkupy. 

Devět miliard let po zrodu vesmíru vznikl kdesi v jedné bezejmenné galaxii planetární systém, dnes známý pod označením Sluneční soustava. Na jeho třetí planetě se pak za další více než čtyři miliardy let vyvinula životní forma, jež dnes odhaluje kosmická tajemství. 

Co bude dál?

Budoucí vývoj vesmíru nepředstavuje ani zdaleka uzavřenou kapitolu. Naše fyzikální poznání podstaty kosmu limituje omezené množství informací a jejich interpretací, a proto i vnitřně velmi podobné modely připouštějí značně odlišné osudy vesmíru. Fyzikální věda a kosmologie zvláště se v poslední době překotně rozvíjejí, ruku v ruce s objevy z jaderné a částicové fyziky. Jak tedy vypadají možné scénáře kosmického konce?

Vesmír se bude zrychleně rozpínat, tak jak to pozorujeme i v současnosti. Atomární látka se nakonec rozředí do natolik nízké hustoty, že nebudou vznikat nové hvězdy. Za 10¹⁴ let dojde jaderné palivo i těm nejspořivějším hvězdám a kosmos potemní. Role gravitační síly zeslábne, galaxie plné zbytků po hvězdách se rozplynou do okolí. Některé hypotézy částicové fyziky předpovídají, že za 10³⁴ let se samovolně rozpadnou protony (podobně jako se to stalo neutronům během fotonové éry) a přestane existovat atomární látka tak, jak ji známe. Vesmír se promění ve změť elementárních částic a nízkoenergetického záření. Uvedený scénář se označuje termínem Velký zámrz, a kdybychom nechali kosmology hlasovat, nejspíš by obdržel nejvíc hlasů. 

S největší pravděpodobností vlastnosti temné energie vůbec neznáme, a nelze tedy vyloučit, že se její odpudivý účinek v budoucnu stane přitažlivým. Rozpínání vesmíru by se tak v daleké budoucnosti zastavilo a obrátilo na smršťování. Kosmos by skončil zpět v horké singularitě podobné Velkému třesku, přičemž vědci mluví o modelu Velkého křachu. Většina z nich se však domnívá, že akcelerace vesmíru řízená temnou energií se nezastaví a expanze bude trvat navždy. Možná se ovšem v čase změní důležitost temné energie na úkor ostatních složek kosmu. Pokud její význam poroste (neboť některá pozorování napovídají, že zatímco hustota ostatních složek bude klesat, hustota temné energie nikoliv), převáží za mnoho desítek miliard let odpuzování nad přitažlivými silami čtyř interakcí a doslova roztrhá vše na prvočinitele, tedy opět na mračno subelementárních částic. Takový scénář pak označujeme jako Velké roztržení. 

Fakta: Jak se rozpíná vesmír

Rozpínání vesmíru (jež se navíc zrychluje) identifikovali vědci díky kosmologickému rudému posuvu. Ten spočívá ve zčervenání světla vzdálených kosmických objektů, a to tím větším, čím dále se objekt nachází. Proč se však objekty vzdalují? 

TIP: Mohl před Velkým třeskem existovat jiný vesmír?

Představme si pevnou síť konstantně vzdálených bodů, třeba figurek na hrací ploše z pružného materiálu. Začneme-li plochu natahovat ve všech směrech, budou se od sebe figurky vzdalovat. Zaměříme-li se na jednu z nich, všechny okolní figurky se od ní budou vzdalovat: ty sousední ovšem zdánlivě menší rychlostí než jejich vzdálenější kolegyně, a zdánlivá rychlost figurek tak poroste s jejich vzdáleností. Vybereme-li si libovolnou jinou figurku, bude se z jejího pohledu expanze hrací plochy jevit stejně – rozpínání tedy nemá střed. Vůči hrací ploše se však figurky nepohnou ani o milimetr, jedná se tudíž jen o zdánlivý pohyb. A s rozpínáním vesmíru se to má stejně: zdánlivé vzdalování objektů ve velkých vzdálenostech je způsobeno podobným rozpínáním prostoru. Nejde tedy o pohyb a zdánlivé rychlosti mohou klidně přesáhnout rychlost světla.