VELKÝ TŘESK, VZNIK HVĚZD

Velký třesk je v současnosti nejuznávanější vědeckou teorií o vzniku našeho vesmíru. Odehrál se zhruba před 13,7 miliardami let a je to natolik obsáhlé téma, že je skoro nemožné ho popsat na pár řádcích. Vzhledem k tomu, že tolik času nemáme, shrňme si to co nejstručněji alespoň v několika málo odstavcích.

V roce 1965 se na poli astrofyziky vyskytl zajímavý kousek. Britský fyzik a matematik Roger Penrose na základě Einsteinovy Obecné teorie relativity zjistil, že pokud velmi hmotná hvězda podlehne gravitaci, dojde ke kolapsu a vznikne singularita - hvězda se vlivem vlastní gravitace smrští do prostoru s nulovým objemem a hustota i zakřivení časoprostoru vzrostou do nekonečna. Této singularitě se začalo říkat "černá díra" a byla to další úspěšná předpověď Obecné relativity, neboť první černá díra byla objevena až o 6 let později. Podle Teorie velkého třesku vznikl vesmír z nekonečně malého bodu, který náhle explodoval a v nepatrném okamžiku „vyplivl“ hmotu, čas i prostor. Otázek je několik: Co přesně to třesklo, proč to třesklo a odkud se to "něco" vůbec vzalo? Pokud předtím neexistovala žádná hmota, čas a ani prostor, pak to něco muselo vzniknout z ničeho. Vlastně, i kdyby se zjistilo, že vesmír vznikl z kusu rohlíku, tak bychom si položili stejnou otázku: „Kde se tu, sakra, vzal ten rohlík?“ Asi to bude znít divně, ale pokud v černých dírách může něco zmizet v ničem, tak proč by z ničeho nemohlo vzniknout něco? Stephen Hawking přišel na to, že když obrátíte v Penrosově teorému tok času, kolaps přejde v rozpínání. Podle něj tak vesmír vznikl z počáteční singularity - veškerá jeho hmota byla namačkána do jednoho jediného bodu menšího než subatomární částice. Možná se vám zrovna hlavou honí myšlenka na jakousi miniaturní kuličku, která prostě jen tak z ničehonic exploduje. Tato představa je však zcela mylná, neboť váš pohled na kuličku je zvenčí, což je v případě Velkého třesku nesmyslná situace, protože tehdy kolem neexistoval žádný prostor, takže jediný možný pohled by byl zevnitř. Navíc samotná exploze je taktéž nesmysl, protože vlastně ani nebylo kam se rozpínat. Expanzí je v tomto případě myšlena expanze samotného prostoru. No a v neposlední řadě ani nebylo žádné světlo, takže byste stejnak prd viděli.

Co přesně se stalo na úplném počátku neví nikdo. Víme jen to, že to nebyl obyčejný den, protože narozdíl od všech pozdějších dnů, tento den neměl včerejšek. Naše vyprávění tedy začíná v čase 10^-43 sekundy po Velkém třesku. Tento interval se nazývá Planckův čas a je to nejmenší časový úsek, který lze vůbec teoreticky změřit (to znamená, že jakákoliv událost se nemůže odehrát v době kratší než 0,0000000000000000000000000000000000000000001 sekundy). Na konci tohoto období došlo k oddělení gravitační síly od ostatních interakcí a vesmír měl teplotu kolem 10³² stupňů Celsia. Krátce po Velkém třesku (asi 10^-35 až 10^-30 s) nastalo období inflace, vesmír se začal neuvěřitelně rychlým způsobem rozpínat a mnohonásobně zvětšil svou velikost. Během tohoto okamžiku se oddělila silná interakce a teplota klesla na 10²⁵ až 10²⁷ °C. Na konci inflační fáze dochází k důležitému nepoměru, na 1 miliardu částeček antihmoty totiž připadá 1 000 000 001 částeček hmoty, což je důvod, proč je svět okolo nás tvořen hmotou a nikoliv antihmotou. (Tady dochází k zvláštní situaci, neboť kdyby antihmota převážila hmotu, tak bychom jí stejnak říkali hmota, a to, co dnes nazýváme hmota, by pro nás byla antihmota ). Po skončení inflace se vesmír i nadále rozpínal, ale již znatelně pomaleji. V čase 10^-10 sekundy se rozdělily poslední dvě síly, slabá a elektromagnetická - od tohoto okamžiku mají všechny čtyři interakce takové vlastnosti, jak je známe dnes. Veškerá vesmírná hmota byla tvořena kvarky, leptony, intermediálními částicemi a vysokoenergetickým zářením. 10^-5 sekundy po Velkém třesku končí éra volných kvarků. Doposud byla tak vysoká koncentrace energie, že kvarky byly k sobě namačkány do jakéhosi mišmaše, kterému říkáme kvark-gluonové plasma. Nyní se tato žhavá kvark-gluonová polévka ochladila natolik, že se kvarky a gluony začínají vázát v hadronech. Asi po čtyřech minutách teplota klesla na miliardu stupňů Celsia. Tři čtvrtiny hmoty tvořil vodík, zbytek připadal na hélium.

Dalších 100 milionů let se vesmír nadále rozpínal a tím i ochlazoval. (Když něco stlačujete, zahřívá se to, když se něco naopak rozpíná, klesá i teplota.) Pak se ke slovu přihlásila gravitace a začala k sobě přitahovat mračna vodíkových atomů, které se po miliony let shlukovaly do jakýchsi globulí. Teprve poté se tyto "chuchvalce" začaly smršťovat do stále menšího objemu, což vedlo k tomu, že v nitru postupně narůstala jak teplota, tak i tlak. Uvnitř těchto obrovských plynových koulí nakonec došlo za extrémních teplot k jaderné fůzi (jádra vodíku byla k sobě namačkána tak silně, že navzájem začala splývat) a zrodila se tak první generace hvězd. Tyto hvězdy se od všech pozdějších hvězd lišily tím, že vznikly výlučně z vodíku a helia. Oproti dalším generacím byly také mnohonásobně větší a těžší. Například naše Slunce je sice asi 1,3 milionkrát větší než Země, ale oproti těmto gigantům je to jen trapně malá kulička. Slučováním vodíku vznikl těžší prvek - helium. Ten pomalu klesal do středu hvězdy a slučováním s dalšími atomy hélia vznikalo ještě více tepla a energie, než předtím. V tomto tekutém pekle se pak začaly vytvářet prvky jako uhlík, kyslík a neon. Podobným principem bychom mohli pokračovat až do fáze, kdy vznikne železo. Doposud byla hvězda v rovnováze - tíha materiálu hvězdy je gravitací stlačována směrem dovnitř, avšak směrem ven zase působí tlak, který je vytvářen jadernými reakcemi. Časem hvězda spotřebuje veškeré palivo, železo už nevyrábí žádnou energii, takže se slova ujme gravitace a začne hvězdu smršťovat. Tento tlak uvnitř způsobí náhlý vzrůst teploty, což má za následek, že hvězda mnohonásobně zvětší svůj průměr - začne se nafukovat do velikosti červeného obra. Nakonec opět zvítězí gravitace a hvězda se začne neúprosně hroutit sama do sebe. Přitom odhodí vnější slupku a změní se na neškodnou chladnoucí hvězdu o velikosti naší Země. Stane se takzvaným bílým trpaslíkem. Ne každá umírající hvězda si však projde podobným osudem. Stejně jako o sobě občas dá vědět stárnoucí hvězda v showbussinesu, tak i skomírající hvězda ve vesmíru většinou dá svému okolí o svém odchodu pořádně vědět - dojde ke gigantické explozi, kterou nazýváme "výbuch supernovy". Poté, co hvězda exploduje, ozáří svým jasem celou galaxii a vyvrhne do vesmíru obrovská mračna prachu a plynu. Nakonec se stane neutronovou hvězdou, která je velká asi jako velkoměsto, ale tak hustá, že špendlíková hlavička by na ní vážila několik miliónů tun! (Neutronové hvězdy vznikají tak, že elektrony jsou velkým tlakem vmáčknuty do jader atomů, čímž se protony změní na neutrony, a vzniká tak objekt o naprosto nepředstavitelné hustotě.) Kdybyste měli narozeniny a jeden z gratulantů by vám chtěl jako dárek předat malou kuličku, která je naplněna látkou z neutronové hvězdy, raději tento dar odmítněte. Kdyby vám totiž při předávání kulička upadla, probořila by se podlahou, projela by středem Zeměkoule a vylétla by někde u Nového Zélandu. Zemská gravitace by si ji ale přitáhla zpátky a kulička by se opět zabořila do povrchu a celý děj by se několikrát opakoval. Vlivem vlastní rotace by se naše planeta nakonec změnila v něco, co by se dalo nazvat obřím ementálem. Pokud však zhroucená hvězda byla natolik hmotná, že z ní nevznikl ani bílý trpaslík, ani neutronová hvězda, čeká ji horší osud - zhroutí se do černé díry. (Více informací o černých dírách nalezenete v článku Urychlovač částic LHC - spolkne černá díra svět?)

Smrt hvězdy ale způsobí zrod něčeho nového. Rozptýlený hvězdný prach vytvoří jedny z nejkrásnějších objektů, které můžeme ve vesmíru pozorovat: hvězdné mlhoviny. Jednu takovou si můžete prohlédnout na následujícím obrázku. Je od nás vzdálena asi 7 000 světelných let a dostala název "Sloupy stvoření". Tyto plynoprachová mračna se díky gravitaci (a nějakému vnějšímu impulzu - například explozí blízké supernovy) opět začnou přitahovat a stejně tak jako Fénix vstal z popela, tak i nová generace hvězd vznikne z popela svých předchůdců.

Při výbuchu vzniká nepředstavitelné množství částic a také nové, těžší prvky, jako například zlato, olovo a platina. Tyto částice o velikosti písečných zrn jsou však zatím příliš malé na to, aby byly ovlivněny gravitací, a tak zde musí existovat jiná síla, která je přinutí k tomu, aby se začaly shlukovat do větších chomáčů. Tou silou je elektrostatická síla, se kterou občas přicházíme do styku, například když si svlékáme vlněný svetr. Chuchvalce prachu se k sobě začnou přitahovat, zatím se stále dál náhodně srážejí, a jakmile začne růst jejich objem i hustota, začíná se ke slovu hlásit gravitace. Ta je nakonec začne stlačovat do objektů, jakými jsou třeba asteroidy (planetky). Většina z těchto vesmírných těles časem získá jednu společnou vlastnost - začnou obíhat kolem mateřské hvězdy. Jelikož se pohybují stejným směrem a mají i podobnou rychlost, tak už do sebe nenaráží při velkých rychlostech ani pod velkým úhlem, což by jinak znamenalo destrukci jednoho či druhého, nebo dokonce obou asteroidů, ale ve skutečnosti se tyto vesmírné kusy k sobě jakoby přilepují - už nejde ani tak o náhodné srážky, ale o "vcucávání" blízkých těles do sebe. Když je asteroid už pořádný macek (v průměru několik stovek kilometrů), začne se na něj vlivem stále silnější gravitace nabalovat další a další hmota a asteroid se pod vlastní tíhou začne zakulacovat. Z nevzhledné brambory se tak stává krásně kulaťoučká planeta. Tímto způsobem vznikly první čtyřy planety naší soustavy - z těžších prvků se vytvořily terestrické (kamenné) planety jako Merkur, Venuše, Země a Mars, lehčí prvky odfoukl hvězdný vítr (což je důvod proč jsou dál od Slunce) a vznikly tak planety tvořené převážně plynem (Jupiter, Saturn, Uran a Neptun). Je to právě gravitace, co sdružuje hvězdy a jejich okolí do útvarů zvaných galaxie. Ty se navzájem vzdalují, což vedlo ke zjištění, že se celý vesmír rozpíná. A když se něco rozpíná, muselo to být před chvilkou o něco menší a předtím ještě menší, čímž se dostáváme k tomu, jak se vůbec na myšlenku Velkého třesku přišlo. Odhaduje se, že v pozorovatelném vesmíru je asi 120 miliard galaxií a každá z nich může obsahovat několik stovek miliard hvězd (zkuste nad tím zapřemýšlet a zatočí se vám hlava). Například jen v naší Galaxii, je kolem 250 miliard hvězd a Slunce je jenom jednou naprosto obyčejnou a nedůležitou tečkou na jejím okraji (i když pro nás má pochopitelně tu nejvyšší důležitost).

A jak je to s tím rozpínáním? Už od dob Galilea a Newtona se vesmír považoval za stacionární. Lidé se uklidňovali představou, že hvězdy na obloze jsou vždy na stejném místě, a že vesmír existoval dřív, než se narodili, a bude existovat i po jejich smrti. Vesmír byl zkrátka neměnný. Nemá žádný počátek ani konec, vždycky byl, je a bude. Zjednodušovalo to pohled na naši existenci a nikdo si nemusel pokládat nepříjemnou otázku, odkud jsme se vzali.

Když odpoledne vyjdete ze svého domu a večer se do něj zase vrátíte, očekáváte, že bude mít stejné rozměry jako předtím. Podle našich každodenních zkušeností je tedy prostor stacionární - z toho plyne, že i vesmírný prostor by měl být stacionární. První náznak toho, že to není pravda, ukázaly Einsteinovy rovnice. Podle nich byl totiž vesmír nestacionární - buďto se rozpínal, anebo smršťoval. To znamená, že musel mít i svůj počátek, nemohl tedy existovat věčně. Zajímavé je, že samotnému Einsteinovi, který vždy dbal na logiku, to přišlo natolik divné, že do svých rovnic zavedl takzvanou kosmologickou konstantu, která vyvažovala gravitaci a umožnila tak vesmíru, aby zůstal stacionární. Definitivní důkaz toho, že se vesmír rozpíná, uvedl v roce 1929 americký astronom Edwin Hubble. Představte si velký rozinkový koláč. Sedneme si doprostřed a požádáme někoho, aby koláč strčil do trouby. Koláč začne kynout a všechny rozinky se od vás začnou vzdalovat. Ty nejbližší se budou vzdalovat pomalu a ty nejvzdálenější naopak rychleji. Tím chci říct, že nezáleží na tom, kde se právě nacházíte, všechny rozinky se vůči všem ostatním budou vzdalovat (přičemž vzájemný poměr jejich vzdáleností zůstane zachován) a přesně to samé se děje i ve vesmíru. Tam se samozřejmě nevzdalují rozinky, ale celé galaxie (stejného efektu dosáhnete, když fixem uděláte tečky na balonku a pak ho začnete nafukovat). To, že se od sebe jednotlivé galaxie vzdalují, však není způsobeno tím, že by se od sebe jen tak oddalovaly a pohybovaly se prostorem, ale tím, že samotný prostor se mezi nimi natahuje. (Nepůsobí tam žádná gravitace, která by bránila rozpínání.) Zjistilo se to díky Dopplerovu efektu. Když jedete v sanitce, siréna vám zní pořád stejně, protože se pohybujete společně se zdrojem zvuku. Kdybyste ale stáli na ulici, slyšeli byste něco jiného. Když vás sanitka míjí, zaznamenáte změnu v intenzitě tónu. Když se k vám sanitka blíží, vlny se šíří dopředu a stlačují se k sobě a ty, které se šíří dozadu se naopak protahují. Stlačené vlny mají vyšší frekvenci než vlny protažené. Totéž platí i pro světelné vlnění. U světla je barva totéž jako u zvuku výška tónu. Stlačené světelné vlny zmodrají (mají modrý posuv), protažené světelné vlny zčervenají (mají rudý posuv). Kdyby se auta mohla pohybovat rychlostí blízkou rychlosti světla, pak každé auto, které by se k vám přibližovalo, by bylo modré. Když kolem vás prosviští, začne za sebou protahovat své vlastní světelné vlnění a vypadá to, jako by najednou změnilo barvu na červenou. Zanechává za sebou rudý posuv. Hubble pozoroval blízké galaxie a zjistil, že také mají rudý posuv. Čím vzdálenější galaxii pozoroval, tím rychleji se vzdalovala. Důkaz, že vesmír se rozpíná byl na světě! 

JAK SE MĚNILY NÁZORY NA VELKÝ TŘESK

V dobách největší slávy Einsteina nikdo (až na pár lidí, jejichž počet by se dal spočítat na prstech jedné ruky, za všechny jmenujme především Georgese Lemaîtreho a Alexandera Friedmanna) nepochyboval o tom, že vesmír je věčný. Podle této teorie byl vesmír stacionární. Hubbleovo pozorování však vedlo k objevu, že se vesmír rozpíná. Aby hustota vesmíru zůstala zachována, přišli zastánci stacionárního vesmíru s myšlenkou, že mezi vzdalujícími se galaxiemi neustále vzniká nová hmota. Vesmír se tak sice rozpíná, ale jinak všude vypadá víceméně stejně. Stačilo však provést několik dalších pozorování, položit základy kvantové mechaniky a vše podložit matematickými výpočty, a hle, vznikla nová teorie. Podle ní vše vzniklo z jakéhosi počátečního miniatomu. Náhle se tak vědci rozdělili na tři skupiny – jedni zastávali Teorii stacionárního vesmíru, druzí si jí nebyly jisti, a třetí zase prosazovali Teorii velkého třesku. Jestli by popis Velkého třesku zabral celou knihovnu, tak popsat soupeření těchto dvou teorií by zabralo přinejmenším jednu pořádnou bichli. Zkusme se alespoň podívat na to, v čem se tyto teorie nejvíce lišily. Teorii velkého třesku jsme si již stručně popsali, takže nyní zkusím stručně shrnout důvody, proč se upustilo od Teorie stacionárního vesmíru. Podle ní je totiž vesmír věčný – nemá tedy žádný počátek. To nahrávalo tomu, aby se tento model udržoval dál, protože nejranější verze teorie Velkého třesku obsahovaly jeden poněkud trapný problém. Vlastně to ani nebyla taková trhlinka, ale díra velká jako vrata do stodoly – podle výpočtů totiž vycházelo, že vesmír byl mladší než hvězdy v něm! To je stejný nesmysl, jako tvrdit, že matka je mladší než její dcera. Tento paradox se podařilo odstranit přesnějším měřením vesmírných vzdáleností (pozornost si zejména zaslouží práce Waltera Baadeho a Allana Sandageho), které posunuly stáří i velikost vesmíru natolik, že věk hvězd již nepředstavoval žádný problém. V tomto si tak obě teorie byly rovny. V padesátých letech se počet zastánců stacionárního vesmíru i vesmíru, který vznikl Velkým třeskem, vyrovnal. Prvním vážným problémem pro stacionární vesmír bylo rozložení galaxií. Podle něj by mladé galaxie měly být rovnoměrně rozloženy po celém vesmíru, protože v prázdném prostoru mezi starými galaxiemi se tvoří nová hmota. Nikdo ovšem neuměl vysvětlit, odkud se ta hmota bere a proč vlastně vzniká. To může znít docela směšně, ale stejný problém měla i Teorie velkého třesku - zkuste vysvětlit, odkud se vzal ten bod a proč vlastně třeskl Podle Stacionárního vesmíru by právě rodící se galaxie měly být vidět jak v našem blízkém okolí, tak i na velkých vzdálenostech, a vlastně úplně všude. Naproti tomu Velký třesk tvrdí, že mladé galaxie vznikly v počátcích vesmíru, takže by měly být pozorovatelné jen na velkých vzdálenostech, protože rozpínající se vesmír je prostě „odfoukl“ dál. Tomu také odpovídá pozorování kvasarů (extrémně zářivé objekty, které vznikly v raném vesmíru). Pozorováním jsme zjistili, že nejbližší kvasar leží ve vzdálenosti 780 miliónů světelných let, většina kvasarů se ale od nás nachází dál než 4 miliardy světelných let. To jednak znamená, že jejich světlo k nám letělo tak dlouho, že nejspíš pozorujeme něco, co už dávno vůbec neexistuje, ale především to, že rozložení galaxií není tak rovnoměrné, jak předkládá Teorie stacionárního vesmíru. Počet zastánců věčného vesmíru se tak zas o něco zmenšil a Teorie Velkého třesku začala nabírat reálnějších obrysů. Poslední hřebíček do rakve stacionárního modelu se začal zatloukat v roce 1948, když bylo předpovězeno reliktní záření, ale trvalo celých 17 let, než padl poslední úder. Když se 379 000 let po Velkém třesku oddělilo záření od hmoty, vesmír se „rozsvítil“, a právě toto „světlo“ by tak mělo dodnes putovat vesmírem a přicházet k nám ze všech směrů (protože Velký třesk se odehrál všude kolem nás). Toto záření se skutečně podařilo zaznamenat dvojici Robert Penzias a Robert Wilson, kteří za to v roce 1978 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku. Mnoho lidí však s udílením nesouhlasí a podle nich je to tak trochu nespravedlnost, protože Penzias a Wilson toto záření vlastně nalezli úplnou náhodou. Navíc ani nevěděli, co vlastně objevili. Na jejich obranu však nutno říci, že předpověď z roku 1948, která předvídala mikrovlnné záření, byla na několik let zapomenuta, neboť v padesátých letech ještě nebyly dostatečně přesné přístroje, které by tuto domněnku podpořily anebo vyvrátily.

Teorie Velkého třesku ve skutečnosti připomíná jakýsi zaplátovaný popis vesmíru. Podle původní teorie by například vesmír vypadal úplně jinak a byl mnohem menší, než jaký se zdá dnes. Tento nedostatek se podařilo odstranit inflační teorií, kterou v roce 1979 vymyslel americký fyzik Alan Guth.  Další náplast bylo nutno přilepit, když se zjistilo, že hvězdy na okrajích galaxií obíhají kolem centra příliš vysokou rychlostí – vlastně by tyto hvězdy měly odletět pryč do vesmíru, jelikož gravitační přitažlivost centra galaxií je moc slabá na to, aby je udržela na svých drahách. Pokud by tam však gravitačně působila nějaká hmota, kterou my nejsme schopni zaznamenat, bylo by po problému. Tato tajemná hmota dostala stejně tajemný název: dark matter neboli temná hmota. Ačkoli jí zatím nechápeme, dokážeme si alespoň představit, jak hmota vypadá. Další problém souvisí s rozpínáním vesmíru. Po tomto objevu Einstein prohlásil, že zavedení kosmologické konstanty byl největší omyl jeho kariéry. Ironií osudu je, že Einsteinova kosmologická konstanta je v dnešní době opět dávána do souvislosti s rozpínáním vesmíru. V roce 1998 se zjistilo, že vesmír se nejenom rozpíná, ale rychlost jeho rozpíná neustále roste. Existuje něco, co žene prostor stále rychleji od sebe. Může za to právě temná energie, která, jak se ukázalo, funguje přesně opačně než Einsteinova kdysi zavrhnutá kosmologická konstanta. Zajímavé je, že podle posledních průzkumů je vesmír ze 73% složen z tzv. temné energie. 23% tvoří temná hmota, zatímco nám známá běžná hmota tvoří pouze zbývající 4%. Veškerá zářící hmota, jako například hvězdy, dokonce tvoří pouze 0,4% celého vesmíru!