დიდი აფეთქება

დიდი აფეთქება ― დაკვირვებადი სამყაროს ყველაზე მიღებული კოსმოლოგიური მოდელი მისი არსებობის უადრესი პერიოდებიდან შემდგომი ევოლუციის ჩათვლით. მოდელი აღწერს, თუ როგორ გაფართოვდა სამყარო მაღალი სიმკვირივისა და ტემპერატურის საწყისი მდგომარეობიდან და გვთავაზობს დაკვირვებადი ფენომენების ფართო სპექტრის, მათ შორის, მსუბუქი ელემენტების გავრცელების, კოსმოსური მიკროტალღური ფონის (CMB) და სამყაროს ფართომასშტაბიანი სტრუქტურის ახსნას.
მნიშვნელოვანია, რომ დიდი აფეთქების თეორია თანხვედრაშია ჰაბლი–ლემეტრის კანონთან — რაც უფრო შორს არიან გალაქტიკები დედამიწიდან, მით უფრო სწრაფად შორდებიან ისინი პლანეტას. თეორია, ფიზიკის დადგენილი კანონების გამოყენებით, ახდენს ამ დაკვირვების ექსტრაპოლაციას უკან დროში. ეს შედეგად იძლევა კოსმოსის ზრდად კონცენტრაციას, რასაც წინ უძღოდა გრავიტაციული სინგულარობა, რომელშიც დროისა და სივრცის ცნებები მნიშვნელობას კარგავს (ე.წ. „დიდი აფეთქების“ სინგულარობა). სამყაროს გაფართოების სიჩქარის დეტალური გამოთვლების თანახმად, აღნიშნულ სინგულარობას ადგილი ჰქონდა დაახლოებით 13.8 მილიარდი წლის წინ, რაც, შესაბამისად, სამყაროს ასაკს წარმოადგენს.
საწყისი გაფართოების (იგივე „დიდი აფეთქების“) შემდეგ სამყარო საკმარისად გაგრილდა, რათა შესაძლებელი გამხდარიყო სუბატომური ნაწილაკების, მოგვიანებით კი, ატომების წარმოქმნა. ამ პირველადი ელემენტების (წყალბადის, შედარებით მცირე რაოდენობით კი ჰელიუმის და ლითიუმის) გიგანტური ღრუბლები, მოგვიანებით, გრავიტაციის ძალით, შეიკუმშა ადრეულ ვარსკვლავებად და გალაქტიკებად, რომელთა შთამომავლებზე დაკვირვება დღესაც შესაძლებელია. ამ პირველადი სამშენებლო მასალების გარდა, ასტრონომები აკვირდებიან უცნობი ბნელი მატერიის გრავიტაციულ გავლენებსაც, რომლებიც გალაქტიკების გარშემოა. სამყაროს გრავიტაციული პოტენციალის უდიდესი ნაწილი, სავარაუდოდ, სწორედ ამ ფორმით არსებობს. არაერთი დაკვირვება მიუთითებს, რომ ეს ზედმეტი გრავიტაციული პოტენციალი არაა წარმოქმნილი ბარიონული მატერიის მიერ, როგორიცა ჩვეულებრივი ატომები. სუპერნოვების წითელი წანაცვლების გაზომვები მიუთითებს, რომ სამყაროს გაფართოების სიჩქარე იზრდება, რაც ბნელი ენერგიის არსებობას მიეწერება.
1927 წელს ჟორჟ ლემეტრმა პირველად გამოთქვა მოსაზრება, რომ სამყაროს გაფართოების კვალს უკან დროში მივყავართ წარმოშობის ერთ წერტილამდე, რომელსაც თავად „პირველყოფილ ატომს“ უწოდებდა. 1929 წელს გალაქტიკების წითელი წანაცვლების ანალიზის შედეგად ედვინ ჰაბლმა დაადასტურა, რომ გალაქტიკები მართლაც შორდებიან ერთმანეთს, რაც გაფართოებადი სამყაროს მნიშვნელოვანი დაკვირვებადი მტკიცებულება იყო. რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში სამეცნიერო საზოგადოება დაყოფილი იყო დიდი აფეთქების თეორიის და მისი მეტოქე, სტატიკური მოდელის მომხრეებად. ორივე მოდელი მოიცავს დაკვირვებადი გაფართოების ახსნას, თუმცა, სტატიკური მოდელი გულისხმობს უსასრულო (მარადიულ) სამყაროს, განსხვავებით დიდი აფეთქებისგან, რომელიც სამყაროს სასრულ ასაკს გვთავაზობს. 1964 წელს აღმოაჩინეს კოსმოსის მიკროტალღური ფონური რადიაცია, რამაც ბევრი კოსმოლოგი დაარწმუნა, რომ სტატიკური მოდელი მცდარი იყო, რადგანაც, მისგან განსხვავებით, დიდი აფეთქების მოდელი პროგნოზირებდა ერთგვაროვან ფონურ რადიაციას სამყაროს მასშტაბით, რაც გამოწვეული უნდა ყოფილიყო შორეულ წარსულში არსებული მაღალი ტემპერატურითა და სიმკვირივით. ამჟამად, დიდი აფეთქების თეორიას ემპირიულ მტკიცებულებათა ფართო სპექტრი უმაგრებს ზურგს და იგი თითქმის უნივერსალურად მიღებული მოდელია.
მოდელის მახასიათებლები
დიდი აფეთქების თეორია მრავალი დაკვირვებადი ფენომენის ახსნას გვთავაზობს, მათ შორისაა მსუბუქი ქიმიური ელემენტების ფართო გავრცელება, კოსმოსური მიკროტალღური ფონი, დაკვირვებადი სამყაროს მასშტაბური სტრუქტურა და ჰაბლის კანონი. თეორია ორ უმთავრეს დასკვნას ემყარება: ფიზიკური კანონების უნივერსალურობა და კოსმოლოგიური პრინციპი. ფიზიკის კანონების უნივერსალურობა ზოგადი ფარდობითობის ერთ-ერთი ფუძემდებლური პრინციპია. კოსმოლოგიური პრინციპი კი ამტკიცებს, რომ ფართო მასშტაბებში სამყარო ჰომოგენური და იზოტროპულია – ერთნაირად გამოიყურება ყველა მიმართულებით ადგილმდებარეობის მიუხედავად.
ეს მოსაზრებები, თავდაპირველად, დებულებების სახით იყო მიღებული, თუმცა, მოგვიანებით, განხორციელდა მათი ტესტირებაც. მაგალითად, პირველი დასკვნის დადასტურება შესაძლებელი გახდა დაკვირვებით, რომ სამყაროს არსებობის უდიდესი ნაწილის განმავლობაში ზომერფელდის მუდმივადან გადახრა არ აღემატებოდა 10−5-ს. ასევე, ფარდობითობის ზოგადი თეორია შემოწმდა მზის სისტემის მასშტაბით და დაკვირვებებით ბინარულ ვარსკვლავებზე.
სამყაროს გაფართოება
სამყაროს გაფართოება, რომელიც ასტრონომიული დაკვირვებების საფუძველზე მეოცე საუკუნის დასაწყისშივე დაასკვნეს, დიდი აფეთქების თეორიის უმნიშვნელოვანესი ელემენტია. მათემატიკურად, ზოგადი ფარდობითობა სივრცე-დროს მეტრული ტენზორებით აღწერს, რაც განსაზღვრავს მანძილებს ახლომდებარე წერტილებს შორის. წერტილები, რომლებიც შეიძლება გალაქტიკებს, ვარსკვლავებს ან სხვა ობიექტებს წარმოადგენდეს, განსაზღვრულია კოორდინატთა ბადის გამოყენებით, რომელიც მთელს სივრცე-დროს მოიცავს. კოსმოლოგიური პრინციპი გულისხმობს, რომ მეტრული ტენზორი ჰომოგენური და იზოტროპული უნდა იყოს დიდ მასშტაბებში, რასაც პასუხობს ფრიდმანი–ლემეტრი–რობერტსონი–უოლკერის (FLRW) მეტრიკა. იგი შეიცავს მასშტაბის ფაქტორს, რომელიც აღწერს, თუ როგორ იცვლება სამყაროს ზომა დროის გასვლასთან ერთად. ეს საშუალებას იძლევა, არჩეული იქნას კოორდინატთა მოხერხებული სისტემა, რომელსაც თანამოძრავი კოორდინატები ეწოდება. ამ სისტემაში კოორდინატთა ბადე სამყაროსთან ერთად ფართოვდება და ობიექტები, რომლებიც მხოლოდ სამყაროს გაფართოების გამო მოძრაობენ, ბადეზე ადგილს არ იცვლიან. მათ შორის „კოორდინატული“ დისტანცია (თანამოძრავი დისტანცია) უცვლელი რჩება, მაშინ, როცა „ფიზიკური“ მანძილი ორ ასეთ თანამოძრავ წერტილს შორის იზრდება სამყაროს გაფართოების ფაქტორის პროპორციულად.
დიდი აფეთქება არ არის აფეთქება მატერიისა, რომელიც მოძრაობს გარეთ ცარიელი სივრცის შესავსებად. ფართოვდება თავად სივრცე, რის შედეგადაც იზრდება ფიზიკური მანძილი თანამოძრავ ობიექტებს შორის. სხვა სიტყვებით, დიდი აფეთქება არის არა აფეთქება სივრცეში, არამედ თავად სივრცის გაფართოება. რადგანაც ფრიდმანი–ლემეტრი–რობერტსონი–უოლკერის მეტრიკა გულისხმობს მასისა და ენერგიის ერთგვაროვან განაწილებას, იგი ჩვენს სამყაროს მხოლოდ დიდ მასშტაბებში ესადაგება — ადგილობრივად კონცენტრირებული მატერია, როგორიცაა ჩვენი გალაქტიკა, არ ფართოვდება აუცილებლად იმავე სიჩქარით, რა სიჩქარითაც ფართოვდება მთლიანი სამყარო.
ჰორიზონტები
დიდი აფეთქების თეორიის მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ნაწილაკების ჰორიზონტი. რამდენადაც სამყაროს განსაზღვრული ასაკი გააჩნია, ხოლო სინათლეს განსაზღვული სიჩქარე, შესაძლოა, არსებობდეს წარსული მოვლენები, რომელთა სინათლესაც ჯერ ჩვენამდე არ მოუღწევია. ეს აწესებს ზღვარს, ანუ „წარსულის ჰორიზონტს“, რაც გულისხმობს ყველაზე შორეულ დაკვირვებად ობიექტებს. საპირისპიროდ ამისა, რამდენადაც სივრცე ფართოვდება და უფრო შორეული ობიექტები უფრო სწრაფად გვშორდებიან, ჩვენგან წასული სინათლე, შესაძლოა, ვერასოდეს „დაეწიოს“ შორეულ ობიექტებს. ეს კი განსაზღვრავს „მომავლის ჰორიზონტს“, ზღვარს მოვლენებისა, რომლებზეც შეიძლება მომავალში გავლენა ვიქონიოთ. აღნიშნული ჰორიზონტების არსებობა დამოკიდებულია სამყაროს აღსაწერად გამოყენებულ ფრიდმანი–ლემეტრი–რობერტსონი–უოლკერის მოდელზე.
ძალიან ადრეული სამყაროს ჩვენეული გაგება მიუთითებს, რომ არსებობს წარსულის ჰორიზონტი, თუმცა, პრაქტიკაში, ჩვენი ხილვადობა ასევე შეზღუდულია ადრეული სამყაროს გაუმჭვირვალობითაც; ანუ ჩვენი ხილვადობა წარსულში გარკვეულ ზღვარს ვერ სცდება, მიუხედავად იმისა, რომ ჰორიზონტი სივრცეში გადაადგილდება. თუ სამყაროს გაფართოება აჩქარებას განაგრძობს, იარსებებს მომავლის ჰორიზონტიც.
თერმალიზაცია
ადრეულ სამყაროში ზოგიერთი პროცესი, სამყაროს გაფართოების სიჩქარესთან შედარებით, ზედმეტად ნელა მოხდა იმისთვის, რათა მიახლოებითი თერმოდინამიკური წონასწორობა მიღწეულიყო, სხვა პროცესები კი თერმალიზაციის მიღწევისთვის საკმარისად სწრაფად განვითარდა. პარამეტრი, რომელიც, ჩვეულებრივ, გამოიყენება იმის აღსაწერად, მიაღწია თუ არა ძალიან ადრეულ სამყაროში მიმდინარე კონკრეტულმა პროცესმა თერმულ წონასწორობას, არის ფარდობა პროცესის სიჩქარეს (როგორც წესი, ეს არის ნაწილაკების შეჯახების სიხშირე) და ჰაბლის პარამეტრს შორის. რაც უფრო დიდია ფარდობა, მით უფრო მეტი დრო ჰქონდათ ნაწილაკებს თერმალიზაციისთვის, ვიდრე ერთმანეთს ზედმეტად დაშორდებოდნენ.
ქრონოლოგია
დიდი აფეთქების თეორიის მიხედვით, სამყარო დასაწყისში ძალიან ცხელი და შეკუმშული იყო, მას შემდეგ კი ფართოვდება და გრილდება.
სინგულარობა
სამყაროს გაფართოების ექსტრაპოლაცია უკან დროში შედეგად იძლევა უსასრულო სიმკვრივესა და ტემპერატურას დროის განსაზღვრულ წერტილში. ეს უჩვეულო მოვლენა, რომელიც გრავიტაციული სინგულარობის სახელითაა ცნობილი, მიუთითებს, რომ ამ რეჟიმში მოქმედი ფიზიკის კანონების აღსაწერად ზოგადი ფარდობითობა გამოუსადეგარია. მასზე დაფუძნებული მოდელები დამოუკდებლად არ იძლევა საშუალებას, მოხდეს ექსტრაპოლაცია სინგულარობამდე და ისინი მხოლოდ პლანკის ეპოქის დასრულების შემდეგ ხდება ადეკვატური.
„დიდი აფეთქება“ ზოგჯერ თავად ამ პირველყოფილ სინგულარობას ეწოდება, თუმცა, ტერმინი, შესაძლოა უფრო ზოგადად, სამყაროს თავდაპირველ, ცხელ, მკვრივ ფაზას ეწოდოს. ორივე შემთხვევაში, „დიდი აფეთქება“, როგორც მოვლენა, საუბარში გამოიყენება სამყაროს „დაბადების“ მნიშვნელობით, რადგან იგი წარმოადგენს მომენტს დროში, როდესაც დასტურდება, რომ სამყარომ დაიწყო არსებობა იმ რეჟიმში, რომელშიც ჩვენთვის ცნობილი ფიზიკის კანონები (კონკრეტულად კი, ზოგადი ფარდობითობა და ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტული მოდელი) მუშაობს. დრო დიდი აფეთქებიდან დღემდე — იგივე „სამყაროს ასაკი“ — გამოთვლილია სამყაროს გაფართოების (Ia ტიპის სუპერნოვებზე დაყრდნობით), ასევე, კოსმოსური მიკროტალღური ფონის ტემპერატურული რხევების გაზომვების მიხედვით და შეადგენს 13.799 ± 0.021 მილიარდ წელს.
მიუხედავად იმისა, რომ სამყარო ამ დროს უკიდურესად მკვრივი იყო — ბევრად უფრო მკვრივი, ვიდრე შავი ხვრელის წარმოქმნისთვისაა საჭირო — არ მომხდარა მისი კოლაფსი უკან, სინგულარობაში. გრავიტაციული კოლაფსის ზოგადად გამოყენებული გამოთვლები, ჩვეულებრივ, ემყარება მეტ-ნაკლებად მუდმივი ზომის მქონე ობიექტებს, როგორიცაა ვარსკვლავები და არ მიესადაგება სწრაფად გაფართოებად სივრცეს, როგორიც იყო დიდი აფეთქების შემთხვევაში. რადგანაც ახალგაზრდა სამყარო დაუყოვნებლივ არ კოლაფსირდა შავ ხვრელებად, სავარაუდოა, რომ მატერია ამ დროს ძალიან თანაბრად იყო გადანაწილებული და სიმკვრივის გრადიენტი უმცირესი იყო.
ინფლაცია და ბარიოგენეზი
დიდი აფეთქების პირველი ფაზები სპეკულაციის საგანია, რადგან მათ შესახებ ასტრონომიული მონაცემები ხელმისაწვდომი არ არის. ყველაზე გავრცელებული მოდელების მიხედვით, სამყარო ჰომოგენურად და იზოტროპულად იყო შევსებული მატერიით, ჰქონდა ძალიან მაღალი ენერგიის სიმკვრივე, უზარმაზარი ტემპერატურა და წნევა; ასევე, ფართოვდებოდა და გრილდებოდა ძალიან სწრაფად. პერიოდი 0-დან 10−43 წამამდე, რომელსაც პლანკის ეპოქა ეწოდება, წარმოადგენდა ფაზას, რომელშიც ოთხი ფუნდამენტური ურთიერთქმედება — ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება, ძლიერი ურთიერთქმედება, სუსტი ურთიერთქმედება და გრავიტაცია გაერთიანებული იყო. ამ დროს სამყაროს მასშტაბის სიგრძე ტოლი იყო პლანკის სიგრძისა, და აქედან გამომდინარე, მისი ტემპერატურა იყო დაახლოებით 1032°C. ამ პირობებში ნაწილაკის კონცეფცია აზრს კარგავს. აღნიშნული პერიოდის გააზრებისათვის კვანტური გრავიტაციის თეორიის შემუშავებაა საჭირო. პლანკის ეპოქას მოჰყვა დიდი უნიფიკაციის ეპოქა, რომელიც 10−43 წამზე დაიწყო, როცა გრავიტაცია სხვა ფუნდამენტურ ძალებს გამოეყო და სამყაროს ტემპერატურა დაეცა.
გაფართოების დაახლოებით 10−37 წამზე აგრეგატული მდგომარეობის ცვლილებამ გამოიწვია კოსმოსური ინფლაცია, რომლის დროსაც სამყაროს ზომა ექსპონენციურად გაიზარდა, რაც არ იყო შეზღუდული სინათლის სიჩქარის მუდმივობით. ტემპერატურა დაახლოებით 100,000-ჯერ შემცირდა. მიკროსკოპული კვანტური რხევები, რომლებიც ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპით იყო განპირობებული, საფუძვლად დაედო სამყაროს მასშტაბურ სტრუქტურას მომავალში. დაახლოებით 10−36 წამზე იწყება ელექტროსუსტი ეპოქა, მას შემდეგ, რაც ძლიერი ურთიერთქმედება სხვა ძალებისგან განცალკევდა და გაერთიანებული დარჩა მხოლოდ სუსტი და ელექტრომაგნიტური ძალები.
ინფლაცია შეწყდა დაახლოებით 10−33 და 10−32 წამების მიჯნაზე, რა დროსაც სამყაროს მოცულობა სულ მცირე 1078-ჯერ იყო გაზრდილი. შემდეგ დაიწყო ხელახალი გაცხელება, ვიდრე სამყაროში დაგროვდა საკმარისი ტემპერატურა, რათა კვარკ–გლუონური პლაზმა და სხვა ელემენტარული ნაწილაკები წარმოშობილიყო. ტემპერატურა იმდენად მაღალი იყო, რომ ნაწილაკები ფარდობითი სიჩქარით მოძრაობდნენ, გამუდმებით იქმნებოდა ნაწილაკებისა და ანტინაწილაკების წყვილები, რომლებიც ერთმანეთთან შეჯახებით დაუყოვნებლივ ნადგურდებოდნენ. გარკვეულ მომენტში, უცნობი სახის რეაქციამ, რომელსაც ბარიოგენეზი ეწოდება, დაარღვია ბარიონული რიცხვის შენახვის პრინციპი, რასაც მოჰყვა კვარკებისა და ლეპტონების ძალიან მცირე ზედმეტი რაოდენობის წარმოქმნა ანტიკვარკების და ანტილეპტონების რაოდენობასთან შედარებით, რისი შედეგიცაა მატერიის სიჭარბე ანტიმატერიასთან შედარებით ჩვენს სამყაროში.
გაგრილება
სამყაროს სიმკვრივე და შესაბამისად, ტემპერატურა, ვარდნას განაგრძობდა, რის გამოც ეცემოდა ცალკეული ნაწილაკების მახასიათებელი ენერგიაც. სიმეტრიის დარღვევამ აგრეგატული მდგომარეობის ცვლილებათა შედეგად მისცა ფუნდამენტურ ძალებს და ელემენტარული ნაწილაკების პარამეტრებს ამჟამინდელი ფორმა, ხოლო ელექტრომაგნიტური ძალა და სუსტი ურთიერთქმედება ერთმანეთს დაახლოებით 10−12 წამზე გამოეყო. დაახლოებით 10−11 წამის ნიშნულიდან სურათი ნაკლებად სპეკულაციური ხდება, რადგან ამ დროს ნაწილაკების ენერგია მიუახლოვდა იმ ნიშნულებს, რომელთა მიღებაც ნაწილაკების ამაჩქარებლებშია შესაძლებელი. დაახლოებით 10−6 წამზე კვარკებისა და გლუონების კომბინაციით წარმოიშვა ბარიონები, როგორიცაა პროტონები და ნეიტრონები. კვარკების მცირედმა სიჭარბემ ანტიკვარკებთან მიმართებაში გამოიწვია ბარიონების მცირედი სიჭარბე ანტიბარიონებთან შედარებით. ტემპერატურა უკვე აღარ იყო საკმარისად მაღალი პროტონებისა და ანტიპროტონების (ასევე, ნეიტრონებისა და ანტინეიტრონების) ახალი წყვილების წარმოქმნისათვის, რამაც გამოიწვია მასობრივი ანიჰილაცია, რის შემდეგაც გადარჩა მხოლოდ 1 ყოველი 108 მატერიალური ნაწილაკიდან და არცერთი მათი ანტინაწილაკებიდან. მსგავსი პროცესი ელექტრონებისა და პოზიტრონებისათვის დაახლოებით 1 წამზე განვითარდა. ამ ანიჰილაციების შემდეგ გადარჩენილი პროტონები, ნეიტრონები და ელექტრონები აღარ მოძრაობდნენ ფარდობითი სიჩქარეებით და სამყაროს ენერგიის სიმკვრივე ძირითადად ფოტონებზე მოდიოდა (და მცირედით, ნეიტრინოებზე).
გაფართოების დაწყებიდან რამდენიმე წუთის შემდეგ, როცა ტემპერატურა დაახლოებით მილიარდი კელვინი იყო, ხოლო სამყაროს სიმკვრივე დაახლოებით დედამიწის ატმოსფეროს ამჟამინდელი სიმკვრივის ტოლი, ნეიტრონებისა და პროტონების კომბინაციით წარმოიქმნა სამყაროს პირველი, დეიტერიუმისა და ჰელიუმის ატომების ბირთვები; პროცესი, რომელსაც დიდი აფეთქების ნუკლეოსინთეზი (BBN) ეწოდება. პროტონების უმეტესობამ დამოუკიდებლად, წყალბადის ბირთვების სახით განაგრძო არსებობა.
სამყაროს გაგრილებასთან ერთად მატერიის დარჩენილმა ენერგიის სიმკვრივემ გრავიტაციულად გადააჭარბა ფოტონების რადიაციას. დაახლოებით 379,000 წლის შემდეგ ელექტრონების და ბირთვების შეერთებით წარმოიქმნა პირველი ატომები (მეტწილად, წყალბადის), რომლებიც რადიაციას გამოყოფდნენ. ეს რელიქტური გამოსხივება, რომელიც სამყაროში შეუფერხებლად გავრცელდა, ცნობილია, როგორც კოსმოსის მიკროტალღური ფონური რადიაცია.
სტრუქტურების ჩამოყალიბება
ხანგრძლივი პერიოდის მანძილზე ერთგვაროვნად განაწილებული მატერიის შედარებით უფრო მკვრივმა რეგიონებმა გრავიტაციულად მიიზიდა ახლომდებარე მატერია, რის შედეგადაც მათი სიმკვრივე კიდევ უფრო გაიზარდა და წარმოიქმნა გაზის ღრუბლები, ვარსკვლავები, გალაქტიკები და სხვა, დღეს დაკვირვებადი ასტრონომიული სტრუქტურები. ამ პროცესის დეტალები დამოკიდებულია სამყაროში არსებული მატერიის რაოდენობასა და ტიპზე. განიხილება მატერიის ოთხი შესაძლო ტიპი: ცივი ბნელი მატერია, თბილი ბნელი მატერია, ცხელი ბნელი მატერია და ბარიონული მატერია. ამჟამად ხელმისაწვდომი საუკეთესო გამოთვლები, რომელიც ვილკინსონის მიკროტალღური ანიზოტროპული ზონდის მონაცემებს ეყრდნობა, მიუთითებს, რომ არსებულ მონაცემებს ყველაზე კარგად ლამბდა-ცივი ბნელი მატერიის (ΛCDM) მოდელი შეესაბამება, რომლის მიხედვითაც ბნელი მატერია ცივი კატეგორიისაა (თბილი ბნელი მატერია ადრეული რეიონიზაციის გამო გამორიცხულია) და სამყაროს მატერია/ენერგიის სიმკვრივის დაახლოებით 23%-ს შეადგენს, მაშინ, როცა ბარიონული მატერიის წილი დაახლოებით 4.6%-ა. ე.წ. „გავრცობილ მოდელში“, რომელშიც ცხელი ბნელი მატერია ნეიტრინოების სახითაა ნაგულისხმევი, თუ „ფიზიკური ბარიონული სიმკვრივე“ დაახლოებით 0.023-ია (რომელიც განსხვავდება „ბარიონული სიმკვრივისგან“ , რაც მთლიანი მატერია/ენერგიის სიმკვრივის ნაწილია და უდრის დაახლოებით 0.046-ს), ხოლო შესაბამისი ცივი ბნელი მატერიის სიმკვრივე დაახლოებით 0.11, მაშინ, შესაბამისი ნეიტრინოების სიმკვრივე დაახლოებით 0.0062-ზე ნაკლები იქნება.
კოსმოსური აჩქარება
Ia ტიპის სუპერნოვების და კოსმოსური მიკროტალღური ფონის შესწავლის შედეგად მიღებული დამოუკიდებელი დასაბუთებები აჩვენებს, რომ დღევანდელ სამყაროში დომინირებს ამოუცნობი ტიპის ენერგია, რომელსაც ბნელი ენერგია ეწოდება და იგი, სავარაუდოდ, მთელს სამყაროს მოიცავს. დაკვირვებები მიუთითებს, რომ სამყაროს ამჟამინდელი ენერგიის სიმკვრივის 73% სწორედ ამ ფორმით არსებობს. როცა სამყარო ძალიან ახალგაზრდა იყო, სავარაუდოდ, იგი გაჯერებული იყო ბნელი ენერგიით, თუმცა, სივრცის სიმცირის და იმის გამო, რომ ყველაფერი ერთმანეთთან ძალზე ახლოს იყო, გრავიტაცია დომინირებდა და ამუხრუჭებდა გაფართოებას. თუმცა, საბოლოოდ, რამდენიმე მილიარდი წლის შემდეგ, მატერიის სიმკვრივის შემცირებამ ბნელი ენერგიის სიმკვრივესთან მიმართებით გამოიწვია სამყაროს გაფართოების თანდათანობითი აჩქარება.
ბნელი ენერგიის უმარტივესი ფორმულირება იქნებოდა კოსმოლოგიური მუდმივა აინშტაინის ზოგადი ფარდობითობის განტოლებების ფარგლებში, თუმცა, მისი შემადგენლობა და მექანიზმები უცნობია, ასევე, უცნობია მისი განტოლების დეტალები და მიმართება ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტულ მოდელთან, რაც დაკვირვებებისა და თეორიული შესწავლის საგანია.
ინფლაციის ეპოქის შემდგომი კოსმოსური ევოლუცია დაწვრილებით აღიწერება ΛCDM მოდელის საშუალებით, რომელიც დამოუკიდებლად იყენებს კვანტურ მექანიკას და ზოგად ფარდობითობას. ამჟამად, არ არსებობს რაიმე სახის მარტივად ტესტირებადი მოდელი, რომელსაც შეუძლია აღწეროს ვითარება დაახლოებით 10−15 წამამდე პერიოდში. სამყაროს ისტორიის ამ უადრესი ეპოქების ახსნა ფიზიკის გადაუჭრელ პრობლემათა შორის ერთ-ერთი უმთავრესია.
ისტორია
ეტიმოლოგია
ტერმინი „დიდი აფეთქება“ პირველად ინგლისელმა ასტრონომმა, ფრედ ჰოილმა გამოიყენა 1949 წლის მარტში BBC-ს რადიოში საუბრის დროს, სადაც მან თქვა: „ეს თეორიები ეფუძნებოდა ჰიპოთეზას, რომ მთელი მატერია სამყაროში შეიქმნა ერთი დიდი აფეთქებით კონკრეტულ დროს შორეულ წარსულში.“
არსებობს გადმოცემა, რომ ჰოილმა, რომელიც ალტერნატიული, სტატიკური კოსმოლოგიური მოდელის მომხრე იყო, ეს შედარება დაცინვის მიზნით გამოიყენა, თუმცა, ჰოილმა ეს ღიად უარყო და განაცხადა, რომ უბრალოდ, ნათელი სურათის დახატვა სურდა ორ მოდელს შორის განსხვავების ხაზგასასმელად.
თეორიის ჩამოყალიბება
დიდი აფეთქების თეორიას საფუძვლად უდევს დაკვირვებები სამყაროს აგებულებაზე და თეორიული მოსაზრებები. 1912 წელს ვესტო სლიფერმა გაზომა ერთ-ერთი „სპირალური ნისლეულის“ (მოძველებული ტერმინი სპირალური გალაქტიკის აღსანიშნავად) დოპლერის წანაცვლება და მალევე აღმოაჩინა, რომ ყველა ასეთი ნისლეული დედამიწას შორდებოდა. ამ ფაქტის კოსმოლოგიური მნიშვნელობა მან ვერ გაიაზრა, მეტიც, ამ დროს სერიოზული დებატები მიმდინარეობდა იმაზე, წარმოადგენდა თუ არა ეს ნისლეულები „კუნძულოვან სამყაროებს“ ირმის ნახტომის გარეთ. ათი წლის შემდეგ, რუსმა კოსმოლოგმა და მათემატიკოსმა, ალექსანდრ ფრიდმანმა აინშტაინის განტოლებებიდან გამოიყვანა ე.წ. ფრიდმანის განტოლებები, რომლებმაც აჩვენა, რომ სტატიკური მოდელის საწინააღმდეგოდ, რომელსაც იმ პერიოდში თავად აინშტაინი უჭერდა მხარს, სამყარო, შესაძლოა, ფართოვდებოდა.
1924 წელს ამერიკელი ასტრონომის, ედუინ ჰაბლის მიერ უახლოეს სპირალურ გალაქტიკამდე გაზომილი მანძილის სიდიდემ დაადასტურა, რომ ეს სისტემები ნამდვილად გალაქტიკები იყო. იმავე წელს მან დაიწყო მანძილის ინდიკატორების ჩამოყალიბების რთული პროცესი, რომელიც ასტრონომიული მანძილების შკალის წინამორბედი იყო. ამისთვის იგი მაუნტ უილსონის ობსერვატორიაში არსებულ 2.5 მეტრიან ჰუკერის ტელესკოპს იყენებდა. ამან საშუალება მისცა, გამოეთვალა მანძილები სხვა გალაქტიკებამდეც, რომელთა წითელი წანაცვლება უკვე გაზომილი იყო (მეტწილად, სლიფერის მიერ). 1929 წელს ჰაბლმა აღმოაჩინა კორელაცია მანძილსა და რეცესიულ (დაშორების) სიჩქარეს შორის, რასაც ამჟამად ჰაბლის კანონი ეწოდება. ამ დროისათვის ლემეტრს, კოსმოლოგიურ პრინციპზე დაყრდნობით, უკვე ნეჩვენები ჰქონდა, რომ ეს მოსალოდნელი იყო.
1927 წელს ბელგიელმა ფიზიკოსმა და კათოლიკე მღვდელმა, ჟორჟ ლემეტრმა ფრიდმანის განტოლებები დამოუკიდებლად გამოიყვანა. მან გამოთქვა მოსაზრება, რომ გალაქტიკების რეცესია გამოწვეული იყო სამყაროს გაფართოებით. 1931 წელს ლემეტრი კიდევ უფრო შორს წავიდა და გამოთქვა მოსაზრება, რომ სამყაროს გაფართოება, თუ მის კვალს დროში უკან გავყვებოდით, ნიშნავდა, რომ წარსულში სამყარო უფრო პატარა იყო და რაც უფრო შორს წავიდოდით უკან დროში, მით უფრო მცირდებოდა ეს ზომა, ხოლო დროის გარკვეულ მომენტში სამყაროს მთელი მასა თავმოყრილი იქნებოდა ერთ წერტილში, „პირველყოფილ ატომში“, სადაც წარმოიშვა დროისა და სივრცის ქსოვილი.
1920-იან და 30-იან წლებში თითქმის ყველა წამყვანი კოსმოლოგი მარადიული სტატიკური სამყაროს მოდელს ანიჭებდა უპირატესობას, რამდენიმე მათგანი კი გამოთქვამდა შენიშვნას, რომ დიდი აფეთქების თეორიით ნაგულისხმევი დროის დასაწყისი ფიზიკაში რელიგიური კონცეფციის შემოტანას ნიშნავდა, რაც სტატიკური მოდელის მომხრეებმა მოგვიანებითაც გაიმეორეს. ამ დამოკდებულებას აძლიერებდა ის ფაქტიც, რომ თეორიის ავტორი, ლემეტრი, კათოლიკე მღვდელი იყო. ართურ ედინგტონი ეთანხმებოდა არისტოტელეს, რომ სამყაროს არ გააჩნდა დასაწყისი დროში, ე.ი. „მატერია მარადიულია“. დროში დასაწყისის კონცეფცია მისთვის მიუღებელი იყო. თუმცა, ლემეტრი არ ეთანხმებოდა:
1930-იან წლებში ჰაბლის დაკვირვებათა ახსნის მიზნით შემოთავაზებული იქნა რამდენიმე არასტანდარტული კოსმოლოგიური მოდელი, მათ შორის, მილნის მოდელი, ციკლური მოდელი (თავდაპირველად ფრიდმანმა შემოიტანა, თუმცა, მას მხარს უჭერდნენ აინშტაინი და რიჩარდ ტოლმენი), ასევე, ფრიც ცვიკის დაღლილი სინათლის ჰიპოთეზა.
II მსოფლიო ომის შემდეგ ორი განსხვავებული აზრი დომინირებდა. ერთი იყო ფრედ ჰოილის სტატიკური მოდელი, რომლის მიხედვითაც სამყაროს სავარაუდო გაფართოებასთან ერთად ახალი მატერია წარმოიქმნებოდა. ამ მოდელში სამყარო დროის ნებისმიერ მომენტში თითქმის უცვლელია. მეორე იყო ლემეტრის დიდი აფეთქების თეორია. მას იცავდა და ავითარებდა ჯორჯ გამოვი, რომელმაც შემოიტანა დიდი აფეთქების ნუკლეოსინთეზი და რომლის კოლეგებმა, რალფ ალფერმა და რობერტ ჰერმანმა, იწინასწარმეტყველეს კოსმოსური მიკროტალღური ფონი. ირონიულია, რომ ფრაზა, რომლითაც ახლა ლემეტრის თეორიას მოიხსენიებენ, კერძოდ, „დიდი აფეთქება“ („this big bang idea“), პირველად სწორედ ჰოილმა გამოიყენა 1949 წლის მარტში, BBC-ს რადიოში საუბრის დროს. გარკვეულ პერიოდით სამეცნიერო საზოგადოების მხარდაჭერა ამ ორ მოდელს შორის იყოფოდა. საბოლოოდ, დაკვირვებითმა მტკიცებულებებმა დიდი აფეთქების თეორიის სისწორე დაასაბუთა. 1964 წელს კოსმოსური მიკროტალღური ფონის აღმოჩენამ საბოლოოდ დაამკვიდრა დიდი აფეთქება, როგორც სამყაროს წარმოშობისა და განვითარების საუკეთესო მოდელი. კოსმოლოგიაში ამჟამად მიმდინარე სამეცნიერო მუშაობის დიდი ნაწილი ეძღვნება იმას, თუ როგორ წარმოიქმნება გალაქტიკები დიდი აფეთქების კონტექსტში, ასევე, სამყაროს ადრეული პერიოდების ფიზიკას და დაკვირვებით მიღებული ინფორმაციის მისადაგებას დიდი აფეთქების საბაზისო თეორიასთან.
1968 და 1970 წელს როჯერ პენროუზმა, სტივენ ჰოკინგმა და ჯორჯ ელისმა გამოაქვეყნეს შრომები, რომლებშიც აჩვენეს, რომ დიდი აფეთქების რელატივისტური მოდელების პირველადი მდგომარეობა აუცილებლად მათემატიკური სინგულარობა უნდა ყოფილიყო. შემდეგ, 1970-იანი წლებიდან 1990-იან წლებამდე კოსმოლოგები დიდი აფეთქებით წარმოქმნილი სამყაროს თვისობრივ აღწერაზე და წამოჭრილი პრობლემების გადაწყვეტაზე მუშაობდნენ. 1981 წელს ალან გუთმა გარღვევა მოახდინა თეორეტიკულ მუშაობაში, გადაჭრა რა გარკვეული პრობლემები დიდი აფეთქების თეორიაში ადრეული სამყაროს საწყისი, სწრაფი გაფართოების ეპოქის შემოღებით, რომელსაც „ინფლაცია“ დაარქვა. ამ ათწლეულების განმავლობაში კამათსა და უთანხმოებას კოსმოლოგიის ორი ძირითადი ამოცანა იწვევდა. პირველი იყო ჰაბლის მუდმივას ზუსტი მნიშვნელობები, ხოლო მეორე, სამყაროს მატერიის სიმკვრივე, რომელიც, ბნელი ენერგიის აღმოჩენამდე, სამყაროს საბოლოო ბედის მთავარ განმსაზღვრელ ფაქტორად ითვლებოდა.
1990-იანი წლების შუაში გარკვეულ სფეროსებრ გროვებზე დაკვირვებამ, სავარაუდოდ, აჩვენა, რომ ისინი დაახლოებით 15 მილიარდი წლის იყო, რაც სამყაროს ასაკის მაშინდელ (და დღევანდელ) გაანგარიშებას არ ემთხვეოდა. მოგვიანებით, ეს პრობლემა გადაჭრა ახალმა კომპიუტერულმა სიმულაციებმა, რომლებიც ითვალისწინებდა მასის კარგვის ეფექტებს ვარსკვლავური ქარების გავლენით, რამაც აღნიშნული გროვების ბევრად უფრო ახალგაზრდა ასაკი აჩვენა. შეკითხვები იმაზე, თუ რამდენად ზუსტადაა გაზომილი სფეროსებრი გროვების ასაკი, კვლავ არსებობს. ისინი კოსმოლოგიისთვის განსაკუთრებული ინტერესის საგანს წარმოადგენენ, როგორც ერთ-ერთი უძველესი ობიექტები სამყაროში.
1990-იანი წლების შემდეგ დიდი აფეთქების კოსმოლოგიამ მნიშვნელოვანი პროგრესი განიცადა, რაც შედეგია ტელესკოპების ტექნოლოგიის გაუმჯობესების და ასევე, ისეთი სატელიტებიდან მიღებული მონაცემებისა, როგორიცაა Cosmic Background Explorer (COBE), ჰაბლის კოსმოსური ტელესკოპი და უილკინსონის მიკროტალღური ანიზოტროპული ზონდი (WMAP). კოსმოლოგებს, ამჟამად, დიდი აფეთქების მოდელის პარამეტრების საკმაოდ ზუსტი და სწორი მნიშვნელობები აქვთ, ასევე, გაკეთდა მოულოდნელი აღმოჩენა, რომ სამყაროს გაფართოების სიჩქარე, სავარაუდოდ, იმატებს.
მტკიცებულებები
დიდი აფეთქების თეორიის ყველაზე ადრეული და პირდაპირი დაკვირვებითი მტკიცებულებებია სამყაროს გაფართოება ჰაბლის კანონის მიხედვით (რაც ნაჩვენებია გალაქტიკების წითელი წანაცვლებით), კოსმოსური მიკროტალღური ფონის აღმოჩენა და გაზომვა, ასევე, დიდი აფეთქების ნუკლეოსინთეზის დროს წარმოქმნილი მსუბუქი ელემენტების ფარდობითი სიჭარბე სამყაროში. შედარებით გვიანდელი მტკიცებულებებია დაკვირვებები გალაქტიკების წარმოქმნასა და ევოლუციაზე და ფართომასშტაბიანი კოსმოსური სტრუქტურები. ამათ დიდი აფეთქების თეორიის „ოთხ ბურჯს“ უწოდებენ ხოლმე.
დიდი აფეთქების ზუსტი მოდელები მოიცავს არაერთ ეგზოტიკურ ფიზიკურ ფენომენს, რომლებზე დაკვირვებაც დედამიწაზე არსებულ ლაბორატორიებში არ განხორციელებულა და ისინი არც ნაწილაკების ფიზიკის სტანდარტულ მოდელში შედის. დარჩენილ გადაუწყვეტელ საკითხთა შორისაა ჰალოს კონცენტრაციის პრობლემა და ჯუჯა გალაქტიკების პრობლემა, რომელიც ცივ ბნელ მატერიას უკავშირდება. ინტენსიური კვლევისა და ინტერესის საგანია ბნელი ენერგია, თუმცა, უცნობია, საერთოდ შესაძლებელი იქნება თუ არა მისი აღმოჩენა. ინფლაცია და ბარიოგენეზი დიდი აფეთქების მოდელის შედარებით სპეკულაციურ ნაწილებს წარმოადგენს. მათი სანდო რიცხობრივი განმარტება ჯერ არ არსებობს, რაც, ასევე, ფიზიკის გადაუჭრელ პრობლემათა შორისაა.
ჰაბლის კანონი და სამყაროს გაფართოება
შორეულ გალაქტიკებსა და კვაზარებზე დაკვირვებამ აჩვენა, რომ მათგან წამოსული სინათლე უფრო გრძელი ტალღის სიგრძეებისკენაა გადანაცვლებული (წითელი წანაცვლება). ამის დანახვა შესაძლებელია შესაბამისი ობიექტის სიხშირეთა სპექტრზე დაკვირვებით, მისი გამოსხივებისა და შთანთქმის ხაზების სპექტროსკოპიული სურათის შედარებით შესაბამისი ქიმიური ელემენტების ატომების სპექტრთან. ეს წითელი წანაცვლებანი ერთგვაროვნად იზოტროპულია და თანაბრად ახასიათებს დაკვირვებად ობიექტებს ყველა მიმართულებით. თუ ამ წანაცვლებებს დოპლერის წანაცვლებებად განვიხილავთ, შესაძლებელია ობიექტების რეცესიული სიჩქარის გამოანგარიშება. ასტრონომიული მანძილების შკალის გამოყენებით შესაძლებელია ზოგიერთ გალაქტიკამდე მანძილის გამოთვლაც. რეცესიული სიჩქარის და ამ მანძილების მიმართებით მიიღება წრფივი ფუნქცია, იგივე ჰაბლის კანონი:
,
სადაც
არის გალაქტიკის ან რომელიმე შორეული ობიექტის რეცესიული სიჩქარე,
არის თანამოძრავი მანძილი ამ ობიექტამდე, ხოლო
არის ჰაბლის მუდმივა, რომლის მნიშვნელობა ვილკინსონის მიკროტალღური ანიზოტროპული ზონდის მიერაა გამოანგარიშებული: კმ/წმ/მპს.
ჰაბლის კანონს ორი შესაძლო ახსნა აქვს. ან ჩვენ გალაქტიკათა აფეთქების ცენტრში ვიმყოფებით — რაც, კოპერნიკის პრინციპის მიხედვით, შეუძლებელია, ან სამყარო ყველა მიმართულებით ფართოვდება. ზოგად ფარდობითობაზე დაყრდნობით ეს უნივერსალური გაფართოება იწინასწარმეტყველა ჯერ ფრიდმანმა (1922), ხოლო შემდეგ ლემეტრმა (1927), ჯერ კიდევ ჰაბლის მიერ შესაბამისი დაკვირვებებისა და ანალიზის ჩატარებამდე. ეს მოვლენა ფრიდმანის, ლემეტრის, რობერტსონის და უოლკერის მიერ ჩამოყალიბებული დიდი აფეთქების თეორიის ქვაკუთხედად რჩება.
თეორია მოითხოვს, რომ ფუნქცია მართალი იყოს ყოველთვის, სადაც თანამოძრავი დისტანციაა, ხოლო რეცესიული სიჩქარე. და სამყაროს გაფართოებასთან ერთად იცვლება, ამიტომაც გამოიყენება აღნიშვნა ჰაბლის ამჟამინდელი „მუდმივას“ აღსანიშნავად. დაკვირვებად სამყაროსთან შედარებით ბევრად მცირე მანძილებისთვის ჰაბლის წითელი წანაცვლება შეიძლება განვიხილოთ, როგორც დოპლერის წანაცვლება, რომელიც შეესაბამება რეცესიულ სიჩქარეს . თუმცა, იგი ნამდვილი დოპლერის წანაცვლება არაა, არამედ შედეგია სამყაროს გაფართოებისა სინათლის გამოსხივების და მისი შემჩნევის მომენტებს შორის.
ის, რომ სამყარო მეტრულად ფართოვდება, ნაჩვენებია კოსმოლოგიური პრინციპის და კოპერნიკის პრინიციპის პირდაპირი დაკვირვებადი მტკიცებულებებით, რომლებსაც, ჰაბლის კანონთან ერთად, სხვაგვარი ახსნა არ გააჩნია. ასტრონომიული წითელი წანაცვლებები უკიდურესად იზოტროპული და ჰომოგენურია, რაც ამყარებს კოსმოლოგიურ პრინციპს, რომ სამყარო ყველა მიმართულებით ერთნაირად გამოიყურება, რასაც თან ახლავს სხვა მრავალი მტკიცებულება. წითელი წანაცვლებები ჩვენგან დაშორებული ცენტრიდან მომდინარე აფეთქების შედეგი რომ იყოს, ისინი სხვადასხვა მიმართულებით სხვადასხვაგვარი იქნებოდა.
2000 წელს კოსმოსური მიკროტალღური ფონური რადიაციის ეფექტების გაზომვამ შორეული ასტროფიზიკური სისტემების დინამიკაზე დაადასტურა კოპერნიკის პრინციპი, რომ კოსმოლოგიური მასშტაბით დედამიწა ცენტრალურ ადგილას არ არის. დიდი აფეთქების რადიაცია შესამჩნევად უფრო ცხელი იყო სამყაროს მასშტაბით ადრეულ პერიოდებში. კოსმოსური მიკროტალღური ფონის ერთგვაროვანი გაგრილება მილიარდობით წლის განმავლობაში აიხსნება მხოლოდ იმით, რომ სამყარო მეტრულ გაფართოებას განიცდის და გამორიცხავს შესაძლებლობას, რომ ჩვენ რაიმე აფეთქების ცენტრში, უნიკალურ პოზიციაზე ვიმყოფებით.
კოსმოსური მიკროტალღური ფონი
1964 წელს არნო პენზიასმა და რობერტ უილსონმა შემთხვევით აღმოაჩინეს კოსმოსის ფონური რადიაცია, ყველა მხრიდან მომდინარე სიგნალი მიკროტალღურ დიაპაზონში. ეს აღმოჩენა მნიშვნელოვანი დადასტურება აღმოჩნდა დიდ აფეთქებასთან დაკავშირებით 1950 წლებში ალფერის, ჰერმანის და გამოვის მიერ გაკეთებული პროგნოზებისა. 1970-იან წლებში აღმოჩნდა, რომ აღნიშნული გამოსხივება ყველა მიმართულებით ემთხვევა აბსოლუტურად შავი სხეულის სპექტრს. მას ახასიათებს წითელი წანაცვლება, რაც სამყაროს გაფართოებითაა გამოწვეული და დღეისათვის მისი მნიშვნელობაა დაახლოებით 2.725 K. ამ აღმოჩენებმა მტკიცებულებათა ბალანსი დიდი აფეთქების მოდელის სასარგებლოდ შეცვალა, ხოლო პენზიასმა და უილსონმა 1978 წელს ფიზიკაში ნობელის პრემია მიიღეს.
„უკანასკნელი გაფანტვის ზედაპირი“, რომელიც კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გამოსხივებას ემთხვევა, „რეკომბინაციის“ ეპოქიდან ცოტა ხნის შემდეგ ჩნდება (რეკომბინაციის ეპოქაში ნეიტრალური წყალბადი სტაბილური გახდა). ამ მომენტამდე სამყარო შედგებოდა ფოტონ-ბარიონული პლაზმისგან, სადაც ფოტონები თავისუფლად დამუხტული ნაწილაკებიდან სწრაფად იფანტებოდნენ. დაახლოებით 372 ± 14 ათასი წლიდან ფოტონის თავისუფალი მოძრაობის საშუალო სიგრძემ პიკს მიაღწია და საკმარისად გრძელი გახდა იმისთვის, რომ დღემდე მოეღწია, რის შედეგადაც სამყარო გამჭვირვალე გახდა.
1989 წელს NASA-მ გაუშვა კოსმოსური ფონის შემსწავლელი (COBE), რომელმაც ორი მნიშვნელოვანი აღმოჩენა განახორციელა: 1990 წელს მაღალი სიზუსტის გაზომვებმა აჩვენა, რომ კოსმოსური მიკროტალღური ფონის სიხშირეთა სპექტრი თითქმის სრულყოფილი შავი სხეულის რადიაციაა და გადახრა თითქმის არ ახასიათებს (1/104 ფარდობით), ასევე, გაზომა რელიქტური ტემპერატურა — 2.726 K (უფრო გვიანდელმა გაზომვებმა ეს რიცხვი დააზუსტა — 2.7255 K). შემდეგ, 1992 წელს დამატებითმა გაზომვებმა გამოავლინა მცირედი რხევები (ანიზოტროპიები) ფონურ ტემპერატურაში, დაახლოებით 1/105 ფარდობით. ჯონ მეიზერი და ჯორჯ სმუტი ამ კვლევების ხელმძღვანელობისთვის 2006 წელს ნობელის პრემიით დაჯილდოვდნენ.
შემდეგ ათწლეულში ფონური ანიზოტროპიების შესწავლა სხვადასხვა სახმელეთო და საჰაერო ექსპერიმენტებით გაგრძელდა. 2000–2001 წლებში რამდენიმე ექსპერიმენტმა, განსაკუთრებით კი BOOMERanG-მა ანიზოტროპიების კუთხური ზომების ანალიზის საფუძველზე აჩვენა, რომ სამყარო ფორმით თითქმის სრულიად ბრტყელია.
2003 წლის დასაწყისში გამოქვეყნდა უილკინსონის მიკროტალღური ანიზოტროპული ზონდის კვლევათა პირველი შედეგები, რაც იმ დროისათვის რამდენიმე კოსმოლოგიური პარამეტრის უზუსტეს მნიშვნელობებს შეიცავდა. შედეგებმა კოსმოსური ინფლაციის რამდენიმე სპეციფიკური მოდელის უარყოფა გამოიწვია, თუმცა, თანხვედრაში იყო ინფლაციის ზოგად თეორიასთან. 2009 წლის მაისში გაუშვეს „პლანკის“ კოსმოსური ზონდი. გარდა ამისა, მიმდინარეობს არაერთი სახმელეთო და საჰაერო ექსპერიმენტი.
პირველადი ელემენტების სიჭარბე
დიდი აფეთქების მოდელის საფუძველზე შესაძლებელია ჰელიუიმ-4, ჰელიუმ-3, დეიტერიუმის და ლითიუმ-7 იზოტოპების წილის გამოთვლა სამყაროში ჩვეულებრივი წყალბადის რაოდენობასთან შეფარდებით. ფარდობითი სიჭარბე ემყარება მხოლოდ ერთ პარამეტრს ― ფოტონებისა და ბარიონების თანაფარდობას. მისი გამოთვლა შესაძლებელია კოსმოსური მიკროტალღური ფონის რხევების დეტალური სტრუქტურისგან დამოუკიდებლად. პროგნოზირებული თანაფარდობები (მასის და არა რიცხვის მიხედვით) არის დაახლოებით 0.25 (^4He/H), 10−3 (^2H/H), 10−4 (^3He/H) და 10−9 (^7Li/H).
გაზომილი ფარდობები სულ მცირე, უხეშად ემთხვევა ფოტონ–ბარიონული თანაფარდობით პროგნოზირებულ მნიშვნელობებს. დამთხვევა ზუსტია დეიტერიუმისთვის, ახლოა, თუმცა, ფორმალურად განსხვავებული ^4He-ისთვის და დაახლოებით ორჯერ ნაკლებია ^7Li-ისთვის (ამ ანომალიას ლითიუმის კოსმოლოგიური პრობლემა ეწოდება); ბოლო ორ შემთხვევაში ადგილი აქვს მნიშვნელოვან სისტემურ ცდომილებებს. მიუხედავად ამისა, ზოგადი თანხვედრა დიდი აფეთქების ნუკლეოსინთეზის თეორიით პროგნოზირებულ სიჭარბესთან დიდი აფეთქების მოდელის ძლიერ მტკიცებულებას წარმოადგენს, რადგანაც დიდი აფეთქების თეორია ერთადერთი არსებული ახსნაა იმისა, თუ რატომაა მსუბუქი ელემენტები ჭარბად სამყაროში, ამასთან, შეუძლებელია დიდი აფეთქების თეორიის „მომართვა“ ისე, რომ ჰელიუმი 20–30%-ზე ბევრად მეტი ან ნაკლები რაოდენობით „აწარმოოს“. მეტიც, არ არსებობს არავითარი ცხადი მიზეზი გარდა დიდი აფეთქებისა, თუ რატომ უნდა ყოფილიყო ახალგაზრდა სამყაროში (ე.ი. ვარსკვლავთა წარმოშობამდე, როგორც განსაზღვრულია ვარსკვლავური ნუკლეოსინთეზის პროდუქტებისგან თავისუფალი მატერიის შესწავლით) უფრო მეტი ჰელიუმი, ვიდრე დეიტერიუმი და უფრო მეტი დეიტერიუმი, ვიდრე ^3He, თანაც, მუდმივი თანაფარდობით.
გალაქტიკების ევოლუცია და განაწილება
გალაქტიკებისა და კვაზარების მორფოლოგიაზე და განაწილებაზე დეტალური დაკვირვებების შედეგები თანხვედრაშია დიდი აფეთქების თეორიის ამჟამინდელ მდგომარეობასთან. დაკვირვებისა და თეორიის კომბინაცია მიუთითებს, რომ პირველი კვაზარები და გალაქტიკები დიდი აფეთქებიდან დაახლოებით ერთი მილიარდი წლის შემდეგ წარმოიქმნა, მას შემდეგ კი იქმნება უფრო დიდი სტრუქტურები, როგორიცაა გალაქტიკური გროვები და სუპერგროვები.
ვარსკვლავთა პოპულაციები ბერდება და განიცდის ევოლუციას, იმდენად, რომ შორეული გალაქტიკები (რომელთაც ვაკვირდებით იმ მდგომოარეობაში, რა მდგომარეობაშიც იყვნენ სამყაროს არსებობის ადრეულ ეტაპზე) ძლიერ განსხვავდებიან ახლომდებარე გალაქტიკებისგან (რომელთაც უფრო გვიანდელ მდგომარეობაში ვაკვირდებით). მეტიც, შედარებით გვიან ჩამოყალიბებული გალაქტიკები შესამჩნევად განსხვავდებიან მსგავს მანძილზე, მაგრამ დიდი აფეთქებიდან მალევე ჩამოყალიბებული გალაქტიკებისგან. ეს დაკვირვებები ძლიერი არგუმენტებია სტატიკური მოდელის საწინააღმდეგოდ. დაკვირვებები ვარსკვლავთა, გალაქტიკების და კვაზარების, ასევე, უფრო დიდი სტრუქტურების ფორმაციასა და განაწილებაზე კარგ თანხვედრაშია დიდი აფეთქების სიმულაციებთან და თეორიის დეტალების დაზუსტებაში მათ დიდი მნიშვნელობა აქვს.
პირველყოფილი გაზის ღრუბლები
2011 წელს, შორეული კვაზარების სპექტრული ხაზების შესწავლისას, ასტრონომებმა აღმოაჩინეს, მათი შეფასებით, პირველყოფილი გაზის სუფთა ღრუბლები. ამ აღმოჩენამდე დაკვირვებული ყველა ასტრონომიული ობიექტი შეიცავდა მძიმე ელემენტებს, რომლებიც ვარსკვლავებში წარმოიშობა, გაზის ეს ორი ღრუბელი კი წყალბადზე და დეიტერიუმზე მძიმე არცერთ ელემენტს არ შეიცავს. აქედან გამომდინარე, სავარაუდოა, რომ ისინი დიდი აფეთქებიდან პირველ რამდენიმე წუთში წარმოიქმნა, დიდი აფეთქების ნუკლეოსინთეზის დროს.
სხვა მტკიცებულებები
სამყაროს ასაკი, რომელიც გამონგარიშებულია ჰაბლის გაფართოების და კოსმოსური მიკროტალღური ფონის მიხედვით კარგ თანხვედრაშია სხვა გამოთვლებთან, რომლებიც ეყრდნობა უძველესი ვარსკვლავების ასაკს. ასაკი გაზომილია როგორც სფეროსებრ გროვებზე ვარსკვლავური ევოლუციის თეორიის მისადაგებით, ისე II პოპულაციის ინდივიდუალური ვარსკვლავების რადიომეტრული დათარიღებით. აღნიშნული მონაცემები თანხვედრაშია ასაკის გაანგარიშებასთან, რომელიც ეყრდნობა გაფართოვების გაზომვებს Ia ტიპის სუპერნოვების მიხედვით და ტემპერატურულ რხევებს კოსმოსურ მიკროტალღურ ფონში. ამ დამოუკიდებელი გამოთვლების ურთიერთთანხვედრა მხარს უჭერს ლამბდა-ცივი ბნელი მატერიის (ΛCDM) მოდელს, რადგანაც ეს მოდელი გამოიყენება სამყაროს ასაკის დასაკავშირებლად სხვა პარამეტრებთან და ყველა გაანგარიშება ერთმანეთთან თანხვედრაშია. თუმცა, სამყაროს ადრეული პერიოდის ზოგიერთ ობიექტზე დაკვირვება (განსაკუთრებით, კვაზარი APM 08279+5255) წარმოშობს კითხვებს, თუ რამდენად ჰქონდათ ამ ობიექტებს საკმარისი დრო არსებული სახით ჩამოსაყალიბებლად ΛCDM მოდელში.
პროგნოზი, რომ კოსმოსური მიკროტალღური ფონის ტემპერატურა წარსულში უფრო მაღალი უნდა ყოფილიყო, ექსპერიმენტულად დასტურდება ძალინ დაბალი ტემპერატურის შთამნთქმელი ხაზებით, რომლებიც მაღალი წითელი წანაცვლების მქონე გაზის ღრუბლებს ახასიათებს. ეს პროგნოზი, ასევე, გულისხმობს, რომ სუნიაევ-ზელდოვიჩის ეფექტის (კოსმოსური მიკროტალღური ფონის ცვლილება გალაქტიკურ გროვებში მაღალი ენერგიის მქონე ელექტრონების გავლენით) ამპლიტუდა პირდაპირ არაა დამოკიდებული წითელ წანაცვლებაზე. დაკვირვებებმა ეს უხეშად დაადასტურა, თუმცა, აღნიშნული ეფექტი დიდად არის დამოკიდებული ინდივიდუალური გროვის თვისებებზე, რომლებიც დროთა განმავლობაში იცვლება, რის გამოც, ზუსტი გაზომვები რთულია.
მომავალი დაკვირვებები
მომავალში, გრავიტაციული ტალღების ობსერვატორიებს შეეძლებათ, დააფიქსირონ პირველყოფილი გრავიტაციული ტალღები, ადრეული სამყაროს რელიქტი, რომელიც დიდი აფეთქებიდან ერთ წამზე ნაკლებ დროში წარმოიქმნა.
პრობლემები და მონათესავე საკითხები ფიზიკაში
ისევე, როგორც ნებისმიერი თეორიის შემთხვევაში, დიდი აფეთქების თეორიის ჩამოყალიბებასთან ერთად წარმოიშვა არაერთი იდუმალებით მოცული საკითხი და პრობლემა. ამ ამოცანათა ნაწილი გადაჭრილია, ნაწილი კი პასუხს კვლავ ელოდება. ზოგიერთი პრობლემის შემოთავაზებულმა გადაწყვეტამ, თავის მხრივ, სხვა პრობლემური საკითხები გამოავლინა. მაგალითად, ჰორიზონტის პრობლემა, მაგნიტური მონოპოლის პრობლემა და სიბრტყელის პრობლემა, როგორც წესი, ინფლაციის თეორიით აიხსნება, თუმცა, თავად ინფლაციის თეორიის დეტალები გადაუწყვეტელია და ბევრი, მათ შორის ამ თეორიის ზოგიერთი ფუძემდებელი, თვლის, რომ იგი მცდარია. ქვემოთ მოცემულია ჩამონათვალი დიდი აფეთქების თეორიის იმ იდუმალი ასპექტებისა, რომლებიც კოსმოლოგებისა და ასტროფიზიკოსების ინტენსიური კვლევის საგანია.
ბარიონული ასიმეტრია
ჯერჯერობით, გაურკვეველია, რატომაა სამყაროში უფრო მეტი მატერია, ვიდრე ანტიმატერია. ზოგადად, მიიჩნევა, რომ როცა სამყარო ახალგაზრდა და ძალიან ცხელი იყო, იგი სტატისტიკური წონასწორობის მდგომარეობაში იმყოფებოდა და თანაბარი რაოდენობის ბარიონებსა და ანტიბარიონებს შეიცავდა. თუმცა, დაკვირვებები მიუთითებს, რომ სამყარო, მისი ყველაზე შორეული ნაწილების ჩათვლით, თითქმის მთლინად მატერიისგან შედგება. ასიმეტრიის ასახსნელად შემოთავაზებულია ჰიპოთეზა პროცესის შესახებ, რომელსაც ბარიოგენეზი ეწოდება. ბარიოგენეზისთვის აუცილებელია სახაროვის პირობების დაკმაყოფილება: ბარიონული რიცხვი არაა შენახული, C-სიმეტრია და CP-სიმეტრია ირღვევა და სამყარო გამოდის თერმოდინამიკური წონასწორობიდან. სტანდარტულ მოდელში ყველა ეს პირობა სრულდება, მაგრამ ამით გამოწვეული ეფექტები არასაკმარისად ძლიერია, რათა ამჟამინდელი ბარიონული ასიმეტრია ახსნას.
ბნელი ენერგია
Ia ტიპის სუპერნოვების წითელი წანაცვლებისა და მათი ვარსკვლავიერი სიდიდეების შედარება აჩვენებს, რომ სამყაროს გაფართოება მისი არსებობის დაახლოებით შუა პერიოდის შემდეგ აჩქარებას განიცდის. ამ აჩქარების ასახსნელად ფარდობითობის ზოგადი თეორია მოითხოვს, რომ სამყაროში არსებული ენერგიის დიდი ნაწილი შედგებოდეს დიდი უარყოფითი წნევის მქონე კომპონენტისგან, რომელსაც „ბნელი ენერგია“ ეწოდება.
ბნელი ენერგია, მიუხედავად იმისა, რომ სპეკულაციურია, ბევრ კითხვაზე იძლევა პასუხს. კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გაზომვები მიუთითებს, რომ სამყარო თითქმის ბრტყელია, რაც ნიშნავს, რომ ზოგადი ფარდობითობის თანახმად მას თითქმის კრიტიკული მასის/ენერგიის სიმკვრივე უნდა გააჩნდეს. თუმცა, სამყაროს მასის სიმკვრივე, რომელიც მისი გრავიტაციული კლასტერიზაციის საშუალებით გაიზომება, ამ კრიტიკული სიდიდის მხოლოდ 30%-ს შეადგენს. რამდენადაც, თეორიის თანახმად, ბნელ ენერგიას ჩვეულებრივი კლასტერიზაცია არ ახასიათებს, იგი „ნაკლული“ სიმკვრივის ასახსენალად საუკეთესო პასუხია. ბნელი ენერგიის საშუალებით შესაძლებელია აიხსნას სამყაროს ზოგადი სიმრუდის ორი გეომეტრიული საზომი, ერთი გრავიტაციული ლინზირების სიხშირით, ხოლო მეორე დიდი ზომის სტრუქტურების დმახასიათებელი განაწილებით.
უარყოფითი წნევა ვაკუუმის ენერგიის თვისებად ითვლება, თუმცა, ბნელი ენერგიის ბუნება და მისი არსებობის საკითხიც დიდი აფეთქების ყველაზე იდუმალ მხარედ რჩება. უილკინსონის მიკროტალღური ანიზოტროპული ზონდის მიერ 2008 წელს მიღებული შედეგები შეესაბამება სამყაროს, რომელიც შედგება 73% ბნელი ენერგიის, 23% ბნელი მატერიის, 4.6% ჩვეულებრივი მატერიის და 1%-ზე ნაკლები ნეიტრინოებისგან. თეორიის მიხედვით, მატერიის ენერგიის სიმკვრივე სამყაროს გაფართოებასთან ერთად მცირდება, თუმცა, ბნელი ენერგიის სიმკვრივე იგივე (ან თითქმის იგივე) რჩება. მაშასადამე, წარსულში მატერია სამყაროს მთლიანი სიმკვრივის უფრო დიდ წილს შეადგენდა, ვიდრე დღეს, თუმცა, მისი წილი ამ სიმკვრივეში სამყაროს გაფართოებასთან ერთად, შორეულ მომავალში, კიდევ უფრო შემცირდება, ხოლო ბნელი ენერგია კიდევ უფრო დომინანტური გახდება.
ბნელი ენერგიის, როგორც სამყაროს შემადგენელი კომპონენტის ახსნა არაერთი თეორიით სცადეს, რომლებიც აინშტაინის კოსმოლოგიურ მუდმივასთან ერთად უფრო ეგზოტიკურ მოდელებსაც მოიცავენ, როგორიცაა კვინტესენცია და სხვა, მოდიფიცირებული გრავიტაციის სქემები. კოსმოლოგიური მუდმივას პრობლემას ხშირად „ფიზიკის ყველაზე უხერხულ პრობლემას“ უწოდებენ. იგი შედეგია იმ სხვაობისა, რომელიც ბნელი ენერგიის გაზომილ სიმკვრივესა და ამ სიმკვრივის პლანკის ერთეულებით, ზედაპირულად პროგნოზირებულ სიდიდეს შორის არსებობს.
ბნელი მატერია
1970-იან და 1980-იან წლებში სხვადასხვა დაკვირვებამ აჩვენა, რომ გალაქტიკების შიგნით და მათ შორის არსებული გრავიტაციის სიძლიერის ასახსნელად საკმარისი რაოდენობის ხილული მატერია არ არსებობს. ამან წარმოშვა მოსაზრება, რომ სამყაროში არსებული მატერიის 90% წარმოადგენს ბნელ მატერიას, რომელიც არ გამოყოფს სინათლეს და არ ურთიერთქმედებს ჩვეულებრივ ბარიონულ მატერიასთან. გარდა ამისა, დასკვნა, რომ სამყარო, მეტწილად, ჩვეულბრივი მატერიისგან შედგება, იწვევდა პროგნოზებს, რომლებიც ძლიერ განსხვავდებოდა არსებული დაკვირვებებით მიღებული შედეგებისგან. მაგალითად, დღევანდელი სამყარო ბევრად უფრო მცირე რაოდენობის დეიტერიუმს შეიცავს, ვიდრე ეს ბნელი მატერიის გარეშე იქნებოდა შესაძლებელი. ბნელი მატერია ყოველთვის დავის საგანი იყო, თუმცა, მასზე მიუთითებს არაერთი დაკვირვება: ანიზოტროპიები კოსმოსურ მიკროტალღურ ფონში, გადახრები გალაქტიკური გროვების სიჩქარეებში, დიდი ზომის სტრუქტურების განაწილება, გრავიტაციული ლინზირების კვლევები და გალაქტიკური გროვების რენტგენული გაზომვები.
ბნელი მატერიის არაპირდაპირი მტკიცებულება სხვა ტიპის მატერიაზე მისი გრავიტაციული გავლენიდან მომდინარეობს, რადგანაც ბნელი მატერიის რაიმე ნაწილაკზე დაკვირვება ლაბორატორიაში არასოდეს მომხდარა. ნაწილაკების ფიზიკაში ბნელი მატერიის ნაწილაკების კანდიდატურების რამდენიმე ვერსია არსებობს და რამდენიმე პროექტი, რომელიც მათ დაფიქსირებას ისახავს მიზნად, ამჟამადაც მიმდინარეობს.
გარდა ამისა, არსებობს რამდენიმე პრობლემა, რომელიც ამჟამად მიღებულ ცივი ბნელი მატერიის მოდელში არსებობს, მათ შორისაა ჯუჯა გალაქტიკების პრობლემა და ჰალოს კონცენტრაციის პრობლემა. შემოთავაზებულია ალტერნატიული თეორიებიც, რომელიც არ საჭიროებს შეუმჩნეველი მატერიის დიდ რაოდენობას, ნაცვლად ამისა, ისინი ახდენენ ნიუტონისა და აინშტაინის მიერ დადგენილი გრავიტაციის კანონების შესწორებას. მიუხედავად ამისა, ცივი ბნელი მატერიის მოდელის გარდა, ჯერ არ არსებობს თეორია, რომელისაც ყველა არსებული დაკვირვების წარმატებით ახსნა შეუძლია.
ჰორიზონტის პრობლემა
ჰორიზონტის პრობლემა წარმოსდგება იმ მოცემულობიდან, რომ ინფორმაციას არ შეუძლია მოძრაობა სინათლის სიჩქარეზე სწრაფად. სასრული ასაკის მქონე სამყაროში ეს ზღვარს აწესებს იმაზე, თუ რამდენად დაშორებული შეიძლება იყოს ერთმანეთთან კაუზალურ კავშირში მყოფი სამყაროს ორი რეგიონი. კოსმოსური მიკროტალღური ფონის იზოტროპია, რომელიც დაკვირვებებით დასტურდება, ამ მხრივ პრობლემურია: თუ სამყაროში ბოლო გაფანტვის ეპოქამდე ენერგია და მატერია დომინირებდა, ნაწილაკების ჰორიზონტი ამ დროს ცაზე 2° იქნებოდა. ამის შემდეგ აღარ იარსებებდა მექანიზმი, რომლის ძალითაც უფრო ფართო რეგიონებს ერთი და იგივე ტემპერატურა ექნებოდათ.
ამ შეუსაბამობის ახსნა შესაძლებელია ინფლაციის თეორიით, სადაც სამყაროს არსებობის ძალიან ადრეულ ეპოქაში (ბარიოგენეზამდე) ჰომოგენური და იზოტროპული ენერგიის სკალარული ველი დომინირებს. ინფლაციის დროს სამყარო ექსპონენციურ გაფართოებას განიცდის და ნაწილაკების ჰორიზონტი ბევრად უფრო სწრაფად იზრდება, ვიდრე მანამდე ითვლებოდა. ამდენად, ამჟამად დაკვირვებადი სამყაროს საპირისპირო მხარეს არსებული რეგიონები მაშინ ერთმანეთის ნაწილაკების ჰორიზონტის შიგნით იქნებოდა, კოსმოსური მიკროტალღური ფონის იზოტროპია კი გამომდინარეობს იმ ფაქტიდან, რომ აღნიშნული რეგიონები ინფლაციის დაწყებამდე კაუზალურ კონტაქტში იყო ერთმანეთთან.
ჰაიზენბერგის განუსაზღვრელობის პრინციპი პროგნოზირებს, რომ ინფლაციურ ფაზაში ადგილი ექნებოდა კვანტურ რხევებს, რომლებმაც შემდეგ კოსმოსური მასშტაბები მიიღო. ეს ფლუქტუაციები საფუძვლად უდევს სამყაროს დიდი ზომის სტრუქტურებს. ინფლაციის თეორიის მიხედვით, ეს პირველყოფილი რხევები მასშტაბურად უცვლელი და ნორმალური განაწილების მქონეა, რასაც კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გაზომვებიც ადასტურებს.
თუ ინფლაცია მართლაც მოხდა, ექსპონენციური გაფართოების გამო კოსმოსის მოზრდილი მონაკვეთები ჩვენი დაკვირვებადი ჰორიზონტის მიღმა აღმოჩნდებოდა.
ჰორიზონტის კლასიკურ პრობლემას კიდევ ერთი საკითხი უკავშირდება. სტანდარტულ კოსმოლოგიურ მოდელებში, რომლებიც ინფლაციასაც მოიცავს, იგი, უმეტესად, ელექტროსუსტი სიმეტრიის დარღვევამდე (ჰიგსის მექანიზმის ამოქმედებამდე) სრულდება. ამდენად, ინფლაციას არ უნდა შეეძლოს მასშტაბური წყვეტის თავიდან აცილება ელექტროსუსტ ვაკუუმში, რადგანაც, დაკვირვებადი სამყაროს მოშორებული ნაწილები ელექტროსუსტი ეპოქის დასრულებისას კაუზალურ კავშირში უკვე აღარ იმყოფებოდნენ.
მაგნიტური მონოპოლები
მაგნიტური მონოპოლების საკითხი 1970-იან წლებში წამოიჭრა. დიდი უნიფიკაციის თეორიები (სადაც ელექტრომაგნიტური, სუსტი და ძლიერი ძალები გაერთიანებულია) პროგნოზირებენ სივრცის ტოპოლოგიურ დეფექტებს, რასაც მაგნიტური მონოპოლები უნდა გამოეწვია. ცხელ, ადრეულ სამყაროში მსგავსი ობიექტები მართლაც უნდა წარმოშობილიყო, რასაც ბევრად უფრო მაღალი სიმკვრივე უნდა გამოეწვია, ვიდრე დღეს არსებობს, თუმცა, მონოპოლები აღმოჩენილი არ არის. ამ პრობლემას პასუხობს ინფლაცია, რომელიც დაკვირვებად სამყაროში წერტილოვანი დეფექტების წარმოქმნას არ უშვებს და სამყაროს გეომეტრიას სიბრტყელისკენ უბიძგებს.
სიბრტყელის პრობლემა
სიბრტყელის (იგივე სიძველის) პრობლემა წარმოადგენს დაკვირვებად პრობლემას, რომელიც ფრიდმანი-ლემეტრი-რობერტსონი-უოლკერის (FLRW) მეტრიკას უკავშირდება. სამყაროს შეიძლება ჰქონდეს პოზიტიური, ნეგატიური ან ნულოვანი სივრცული სიმრუდე, რაც მის მთლიან ენერგიის სიმკვრივეზეა დამოკიდებული. სიმრუდე ნეგატიურია, თუ სიმკვრივე კრიტიკულ ნიშნულზე დაბალია; პოზიტიურია, თუ სიმკვრივე მეტია კრიტიკულზე; ხოლო კრიტიკულ ნიშნულზე სიმრუდე ნულის ტოლია და სივრცე „ბრტყელია“. დაკვირვებები მიუთითებს, რომ სამყაროს ზოგადი გეომეტრია ბრტყელია.
პრობლემა ისაა, რომ ნებისმიერი უმცირესი გადახრა კრიტიკული სიმკვრივიდან დროის გასვლასთან ერთად იზრდება და მაინც, სამყარო დღესაც ბრტყელთან მიახლოვებული რჩება. იმ მოცემულობით, რომ სიბრტყელიდან გადახრის ბუნებრივი დრო შეიძლება პლანკის დრო, 10−43 წამი იყოს, ის ფაქტი, რომ სამყარომ არც სითბური სიკვდილი („დიდი გაყინვა“) განიცადა და არც „დიდი შეკუმშვა“ მილიარდობით წლის განმავლობაში, ახსნას საჭიროებს. გაფართოების დაწყებიდან რამდენიმე წუთის შემდეგაც კი (ნუკლეოსინთეზის დროს), სამყაროს სიმკვრივე კრიტიკული ნიშნულიდან 1/1014 ფარგლებში უნდა ყოფილიყო; წინააღმდეგ შემთხვევაში, იგი დღევანდელი ფორმით ვერ იარსებებდა.
სამყაროს საბოლოო ბედი
ბნელ ენერგიასთან დაკავშირებული დაკვირვებების არსებობამდე კოსმოლოგები სამყაროს მომავალი ბედის ორ სცენარს განიხილავდნენ.
თუ სამყაროს მასის/ენერგიის სიმკვრივე კრიტიკულ სიმკვრივეზე მეტია, სამყარო მიაღწევდა მაქსიმალურ ზომას და შემდეგ დაიწყებდა კოლაფსირებას. იგი გახდებოდა სულ უფრო მკვრივი და ცხელი, რაც დასრულდებოდა იმის მსგავსი მდგომარეობით, რაც დასაწყისში იყო. ამ სცენარს „დიდი შეკუმშვა“ ეწოდება.
მეორეს მხრივ, თუ სამყაროს სიმკვრივე ტოლია ან ნაკლებია კრიტიკულ ნიშნულზე, მისი გაფართოება თანდათან შენელდებოდა, მაგრამ არასოდეს დასრულდებოდა. გალაქტიკებში არსებული ვარსკვლავთშორისი გაზის ამოწურვის შედეგად შეწყდებოდა ვარსკვლავების ფორმირება, მათ ადგილას კი დარჩებოდა თეთრი ჯუჯები, ნეიტრონული ვარსკვლავები და შავი ხვრელები. ამათ შორის შეჯახებები წარმოშობდა მასის აკუმულირებას სულ უფრო და უფრო მასიურ შავ ხვრელებად. სამყაროს საშუალო ტემპერატურა მიუახლოვდებოდა აბსოლუტურ ნულს — „დიდი გაყინვა“ (Big Freeze). მეტიც, თუ პროტონები არასტაბილურია, ბარიონული მატერია გაქრებოდა, რის შედეგადაც სამყაროში მხოლოდ რადიაცია და შავი ხვრელები დარჩებოდა. საბოლოოდ, შავი ხვრელებიც, ჰოკინგის რადიაციის გამოსხივების შედეგად თანდათან აორთქლდებოდა. სამყაროს თერმოდინამიკური ენტროპია მიაღწევდა ნიშნულს, როცა მისგან შეუძლებელი გახდებოდა ენერგიის ორგანიზებული ფორმით მიღება. ამ სცენარს „სითბური სიკვდილიც“ ეწოდება.
თანამედროვე დაკვირვებები მიუთითებს, რომ აჩქარებული გაფართოების შედეგად ამჟამად დაკვირვებადი სამყაროს სულ უფრო მეტი ნაწილი გასცდება ჩვენს მოვლენათა ჰორიზონტს და გავა ჩვენთან კონტაქტიდან. ამის საბოლოო შედეგი უცნობია. ΛCDM მოდელი ბნელ ენერგიას კოსმოლოგიური მუდმივას სახით შეიცავს. ამ მოდელის მიხედვით მხოლოდ გრავიტაციულად დაკავშირებული სისტემები, მაგალითად, გალაქტიკები დარჩებიან ერთ ობიექტად შეკრული და სამყაროს გაფართოებასთან და გაგრილებასთან ერთად მათაც სითბური სიკვდილი ელით. ბნელი ენერგიის სხვა თეორიები, რომელთაც ფანტომური ენერგიის თეორიები ეწოდებათ, ამბობს, რომ საბოლოოდ, გალაქტიკური გროვები, ვარსკვლავები, პლანეტები, ატომები, ბირთვები და თავად მატერიაც სულ უფრო მზარდი გაფართოების შედეგად დაიშლება, რასაც „დიდი გახლეჩა“ (Big Rip) ეწოდება.
მცდარი მოსაზრებები
ერთ-ერთი გავრცელებული მცდარი მოსაზრება დიდი აფეთქების თეორიასთან დაკავრშირებით ისაა, რომ იგი მთლიანად განმარტავს სამყაროს წარმოშობას. დიდი აფეთქების მოდელი არ ხსნის, თუ საიდან წარმოიშვა ენერგია, დრო და სივრცე, არამედ აღწერს ამჟამინდელი სამყაროს წარმოშობას ულტრამკვრივი და ცხელი საწყისი მდგომარეობიდან. შეცდომაში შეიძლება შეგვიყვანოს დიდი აფეთქების ზომის შედარებამ ყოველდღიური საგნების ზომასთან. დიდი აფეთქების დროს სამყაროს ზომა აღნიშნავს არა მთელი სამყაროს, არამედ დაკვირვებადი სამყაროს ზომას.
ჰაბლის კანონი პროგნოზირებს, რომ ჰაბლის მანძილზე შორს მდებარე გალაქტიკების რეცესიის სიჩქარე სინათლის სიჩქარეს აღემატება. თუმცა, ფარდობითობის სპეციალური თეორია ეხება მხოლოდ სივრცის ფარგლებში მოძრაობას. ჰაბლის კანონი კი აღწერს სიჩქარეს, რომელიც შედეგია სივრცის გაფართოების და არა სივრცეში მოძრაობისა.
ასტრონომები კოსმოლოგიურ წითელ წანაცვლებას ზოგჯერ დოპლერის წანაცვლებას უწოდებენ, რამაც დაბნეულობა შეიძლება გამოიწვიოს. მსგავსების მიუხედავად, კოსმოლოგიური წითელი წანაცვლება კლასიკური დოპლერის წანაცვლება არ არის, რადგან ეს უკანასკნელი სივრცის გაფართოებას არ მიესადაგება. კოსმოლოგიური წანაცვლების სწორი აღწერა ზოგადი ფარდობითობის თეორიას საჭიროებს. ახლომდებარე გალაქტიკებისთვის დოპლერის უფრო მარტივი ეფექტის გამოყენება თითქმის იგივე შედეგებს იძლევა, თუმცა, შორეული გალაქტიკების წითელი წანაცვლების განმარტებისას ამან შეიძლება დაბნეულობა გამოიწვიოს.
კოსმოლოგია დიდ აფეთქებამდე
დიდი აფეთქება აღწერს სამყაროს ევოლუციას მაღალი სიმკვრივისა და ტემპერატურის საწყისი მდომარეობიდან, რომლის რეპლიკაცია კაცობრიობის შესაძლებლობებისგან შორსაა. ამდენად, საწყის ექსტრემალურ პირობებთან და უადრეს პერიოდებთან დაკავშირებული მსჯელობები სპეკულაციური ხასიათისაა. საწყის მდგომარეობას ლემეტრი „პირველყოფილ ატომს“ უწოდებდა, ხოლო გამოვი „ილემს“ (ძველი ინგლისური სიტყვიდან ylem). თუ როგორ წარმოიქმნა სამყაროს ეს საწყისი მდგომარეობა, უცნობია, თუმცა, დიდი აფეთქების მოდელით მისი გარკვეული მახასიათებლები უკვე განსაზღვრულია. მაგალითად, ბუნების კონკრეტული კანონები, სავარაუდოდ, შემთხვევით ჩამოყალიბდა, თუმცა, როგორც ინფლაციის მოდელები აჩვენებს, მათი ზოგიერთი კომბინაცია ბევრად უფრო მაღალი ალბათობისაა, ვიდრე სხვები. ტოპოლოგიურად ბრტყელი სამყარო გულისხმობს ბალანსს გრავიტაციულ ენერგიასა და ენერგიის სხვა ფორმებს შორის და არ მოითხოვს დამატებითი ენერგიის წარმოქმნას.
დიდი აფეთქების თეორია, რომელსაც საფუძვლად ზოგადი ფარდობითობის კლასიკური თეორიის განტოლებები უდევს, მიუთითებს, რომ კოსმოსური დროის დასაწყისში სინგულარობა იყო, თუმცა, მსგავსი უსასრულო სიმკვრივე ფიზიკურად, შესაძლოა, არ იყოს შესაძლებელი. თუმცა, ზოგადი ფარდობითობის და კვანტური მექანიკის ფიზიკური თეორიები პლანკის ეპოქამდე არ მოქმედებს, ამის გამოსწორებას კი კვანტური გრავიტაციის სწორი განმარტება სჭირდება. კვანტური გრავიტაციის ზოგიერთი თეორია, მაგალითად, უილერ–დევიტის განტოლება, გულისხმობს, რომ დროც კი, შესაძლოა, წარმოქმნილი მახასიათებელი იყოს. შესაბამისად, შეიძლება, აღმოჩნდეს, რომ დრო დიდ აფეთქებამდე არ არსებობდა.
უცნობია, რა უსწრებდა წინ სამყაროს ცხელ, მკვრივ საწყისს და როგორ ან რატომ წარმოიქმნა ის, ან რამდენად აზრიანია მსგავსი შეკითხვები. მიუხედავად ამისა, „კოსმოგონიის“ თემაზე სპეკულაციები მრავლადაა.
ამ მხრივ აღსანიშნავია რამდენიმე სპეკულაციური მოსაზრება, რომელთაგანაც თითოეული არაერთ გაუტესტავ ჰიპოთეზას შეიცავს:
უმარტივესი მოდელები, რომლებშიც დიდი აფეთქება კვანტურმა რხევებმა გამოიწვია. ამ სცენარის განვითარების შანსი ძალიან დაბალია, თუმცა, ტოტალიტარული პრინციპის თანახმად, ყველაზე დაბალი ალბათობის მქონე მოვლენაც კი, საბოლოოდ, აუცილებლად მოხდება. ჩვენი პერსპექტივიდან, ეს პროცესი მყისიერად და დაუყოვნებლივ მოხდა, რადგანაც დიდ აფეთქებამდე აღქმადი დრო არ არსებობდა.
მოდელები, რომლებშიც მთელი დრო-სივრცე სასრულია, მაგალითად, ჰარტლი–ჰოკინგის საზღვრისგარეშე მდგომარეობა. აქ დიდი აფეთქება დროის საწყისს წარმოადგენს, თუმცა, სინგულარობის გარეშე. ამ მოდელებში სამყარო თვითკმარია.
ბრანების კოსმოლოგია, რომელიც სიმების თეორიის ნაწილია და სადაც ინფლაცია ბრანების მოძრაობითაა გამოწვეული; ეკპიროტული მოდელი, სადაც დიდი აფეთქება ბრანებს შორის შეჯახებითაა გამოწვეული; ციკლური მოდელი, ეკპიროტული მოდელის ვარიანტი, სადაც ეს შეჯახებები პერიოდულად ხდება. ამ უკანასკნელ მოდელში დიდ აფეთქებას წინ უძღოდა დიდი შეკუმშვა და სამყაროს არსებობაც ამ ორი პროცესისგან შემდგარ ციკლს წარმოადგენს.
მარადიული ინფლაცია, სადაც სამყაროს ინფლაცია ლოკალურად, შემთხვევით ადგილებში სრულდება, თითოეული დასრულება კი წარმოშობს „ბუშტისებრ სამყაროს“, რომელიც საკუთარი დიდი აფეთქებით წარმოიქმნა.
ბოლო ორი კატეგორიის ჰიპოთეზები გულისხმობს ან ბევრად უფრო დიდ და ძველ სამყაროს, ან მრავალი სამყაროს (მულტივერსის) არსებობას.
რელიგიური და ფილოსოფიური ინტერპრეტაციები
რმადენადაც დიდი აფეთქება სამყაროს წარმოშობას აღწერს, რელიგიასა და ფილოსოფიაში იგი მნიშვნელოვანი საკითხია და რელიგიასა და მეცნიერებას შორის არსებული დისკურსის მნიშვნელოვანი ნაწილი გახდა. მას შემდეგ, რაც თეორია დომინანტურ კოსმოლოგიურ პარადიგმად ჩამოყალიბდა, რელიგიური ჯგუფებისგან მას მრავალგვარი გამოხმაურება მოჰყვა, რაც რელიგიურ კოსმოლოგიაში მის ადგილს უკავშირდება. ზოგიერთი ჯგუფი სამეცნიერო დასაბუთებას ეთანხმება, ზოგი კი თეორიის საკუთარ რელიგიურ მცნებებთან შესაბამისობაში მოყვანას ცდილობს, სხვები თეორიას სრულებით უარყოფენ და მტკიცებულებებს უგულვებელჰყოფენ. არსებობს მოსაზრებები, რომ დიდი აფეთქება თავისთავად გულისხმობს შემოქმედს, სხვები კი ამტკიცებენ, რომ დიდი აფეთქების კოსმოლოგიაში შემოქმედის ადგილი არ არის.
შენიშვნები
იხილეთ აგრეთვე
გრავიტაციული სინგულარობა
სივრცე-დრო
ვარსკვლავი
ლიტერატურა
"Reprinted from Astrophysics and Space Science Volumes 269–270, Nos. 1–4, 1999".
"Lectures presented at the XX Canary Islands Winter School of Astrophysics, held in Tenerife, Spain, November 17–18, 2008."
"Symposium held in Dallas, Tex., Dec. 11-16, 1988."
The 2004 edition of the book is available from the Internet Archive. Retrieved 20 December 2019.
რეკომენდებული ლიტერატურა
1st edition is available from the Internet Archive. Retrieved 23 December 2019.
რესურსები ინტერნეტში
Once Upon a Universe – STFC-ის მიერ დაფინანსებული პროექტი, სადაც სამყაროს ისტორია მარტივად გასაგებ ენაზეა ახსნილი
"Big Bang Cosmology" – NASA/WMAP Science Team
"The Big Bang" – NASA Science
"Big Bang, Big Bewilderment" – დიდი აფეთქების მოდელი ანიმაციური გრაფიკით, ავტორი იოჰანეს კელმანი
www.talkorigins.org
University of California
დიდი ადრონული კოლაიდერი (ოფიციალური საიტი)
სქოლიო
კოსმოლოგია
ასტრონომიული მოვლენები