Suur Pauk

Suure Paugu koht teoreetilises füüsikas

Universumi arengut kirjeldavad Friedmanni võrrandid, mis tuginevad Albert Einsteini üldrelatiivsusteooriale. Nende võrrandite lahendamisel lähtutakse Universumi praegusest seisundist ning jälgitakse arengut ajas tagasi. Täpne lahend sõltub Hubble'i konstandi mõõdetud väärtustest ja tihedusparameetritest. Tulemuseks saadakse, et Universum oli varem väiksem (Universumi paisumine), kuumem ja tihedam. Formaalselt viib lahend hetkeni, mil skaalateguri väärtuseks saab null, st hetkeni, mil Universumil ei olnud mõõtmeid ning temperatuur ja tihedus olid lõpmata suured. Seda hetke nimetatakse Suureks Pauguks. Tegemist on Friedmanni võrrandite formaalse singulaarsusega. See aga ei ütle midagi säärase algsingulaarsuse füüsikalise reaalsuse kohta, sest klassikalise füüsika võrrandite kehtivusvaldkond on piiratud ning nad pole kasutatavad juhtudel, mil etendavad olulist osa kvantefektid, nagu see ongi varajases kuumas ja tihedas Universumis. Universumi väga varajase arengu kirjeldamiseks on tarvis kvantgravitatsiooni teooriat.

Universumi varajane ajalugu

Et teadaolevad füüsikateooriad ei ole Suurele Paugule lähedase aja kohta rakendatavad, puudub Suure Paugu üldtunnustatud teooria. Erinevaid ajajärke pärast Suurt Pauku vaadeldakse universumi omaette perioodide või ajastutena. Kui rakendada teadaolevaid füüsikaseadusi olukorrale vahetult pärast Suurt Pauku, tuleb välja, et Universum pidi paisumise esimeste sekundi murdosade jooksul läbima mitu ülilühikest faasi. Et tollastel osakestel olid väga suured kiirused ning nende omavahelised kaugused olid väga väikesed, sai nendes toimuda hilisemate faasidega võrreldaval hulgal sündmusi. Tinglik jaotus ajastuteks on järgmine:

Kvarkide periood

Pärast 10⁻³³ s langes temperatuur 10²⁵ kelvinile. Moodustusid tänapäeva raskete osakeste ehituskivid kvargid ja antikvargid. Temperatuur oli aga nii kõrge ning osakestevaheliste kokkupõrgete vahelised ajavahemikud nii väikesed, et ei moodustunud veel stabiilseid prootoneid ega neutroneid, vaid ligikaudu vabadest osakestest koosnev kvark-gluuonplasma. Raskemad osakesed, nagu näiteks X-bosonid, surid välja, sest nad olid ebastabiilsed ning nende taastekkeks kiirgusest oli temperatuur juba liiga madal.

Topofaas

Pärast 10⁻¹⁵ s tõusis temperatuur mõningate autorite arvates lühikeseks ajaks nii kõrgele, et kiirgusest sai veel kord tekkida raskeid osakesi. Et aga temperatuur üsna ruttu jälle langes, lagunesid ka need osakesed jälle.

Neli vastasmõju

Pärast 10⁻¹² s oli universum jahtunud 10¹⁶ kelvinile. Elektronõrk vastasmõju lagunes nõrgaks ja elektromagnetiliseks vastasmõjuks. Sellega oli algse vastasmõju lagunemine neljaks tuntud fundamentaalseks vastasmõjuks lõpule jõudnud.

Hadronite perioodi algus

Pärast 10⁻⁶ s oli temperatuur 10¹³ K. Kvargid ei saanud enam vabade osakestena eksisteerida, vaid ühinesid hadroniteks. Temperatuuri langedes raskemad hadronid lagunesid ning lõpuks jäid üle prootonid ja neutronid ning nende antiosakesed. Prootonite ja neutronite vastastikusel muundumisel tekkis ka suur hulk neutriinosid.

Leptonite perioodi algus

Pärast 10⁻⁴ s oli temperatuur langenud 10¹² kelvinile. Enamik prootoneid ja neutroneid annihileerus kokkupõrgetel oma antiosakestega; järele jäi vaid ülalmainitud miljardikune liig. Need prootonid ja neutronid moodustavadki suurema osa tänapäeval tuntud ainest. Prootoni ja neutroni massi väikese erinevuse tõttu kujunes sealjuures prootonite ja neutronite arvuline vahekord 6:1, mis etendas tähtsat osa hilisemas heeliumi osatähtsuses kosmoses. Temperatuurist jätkus nüüd vaid selleks, et moodustada leptonite paare (nagu näiteks elektron ja selle antiosake positron). Neist sai nüüd domineeriv aineosakeste liik. Tihedus langes 10¹³ g·cm⁻³-le, mis oli ikka veel tohutu suur. Neutriinod aga ei olnud selle tiheduse juures enam soojuslikus tasakaalus teiste osakestega. Neutriinode vastasmõju muu ainega on sellest ajast alates nii nõrk, et nad liiguvad Universumis vabalt, ilma neeldumata siiamaani.

Tuumasünteesi algus

Pärast 10 sekundit, temperatuuridel alla 10⁹ K, ühinesid prootonid ja neutronid tuumasünteesis esimesteks aatomituumadeks. Seda protsessi nimetatakse ürgseks tuumasünteesiks. Sealjuures moodustus 25% heelium-4 (⁴He) ja 0,001% deuteeriumi ning heelium-3 (³He), liitiumi ja berülliumi. Ülejäänud 75% moodustasid prootonid, hilisemad vesiniku aatomi tuumad. Vanimatel tähtedel kosmoses on veel praegugi just niisugune koostis. 5 minuti pärast oli aine niipalju hõrenenud, et tuumasüntees vaibus. Järelejäänud vabad neutronid ei olnud stabiilsed ning järgmiste minutite jooksul lagunesid nad prootoniteks ja elektronideks.
Kõik raskemad keemilised elemendid tekkisid alles hiljem tähtede sisemuses. Temperatuur oli ikka veel nii kõrge, et aine eksisteeris plasma kujul – seguna vabadest aatomituumadest, prootonitest ja elektronidest röntgenikiirguse (temperatuurikiirguse) käes.

Kiirguseajastu lõpp ja aineajastu algus

Seni moodustas elektromagnetkiirgus põhiosa kosmose energiatihedusest. Ent paisumisega seotud temperatuuri alanemisel see aina vähenes. Aine energiatihedus kahanes seisumassi tõttu tunduvalt aeglasemalt. Umbes 200 000 aasta pärast ületas aine osatähtsus Universumi koguenergias kiirguse oma.

Taustkiirguse vabanemine

Algfaasis oli kiirgus pidevas vastastikuses toimes vabade laengutega. Universum oli seetõttu läbipaistmatu. Umbes 300 000 aasta pärast oli temperatuur langenud umbes 3600 kelvinile. Selle väärtuse juures moodustasid aatomituumad ja elektronid stabiilseid aatomeid (rekombinatsioon). Footonite vastastikune toime neutraalsete aatomitega muutus väikeseks, nii et valgus sai nüüd hakata üha enam takistamatult levima. Universum muutus läbipaistvaks.
Edasise paisumise käigus vabanenud taustkiirguse (kosmiline mikrolaine-taustkiirgus) lainepikkus ruumi laienemise tõttu suurenes. Seda on näha selle spektri punanihkest. See taustkiirgus on mõõdetav. Ta vastab absoluutselt musta keha temperatuurile 2,73 K.

Suuremastaabiliste struktuuride moodustumise algus

Pärast kiirguse vabanemist sattus aine gravitatsiooni tugevama mõju alla. Lähtudes tiheduse kõikumistest, mis võisid tekkida juba inflatsioonilise paisumise ajal kvantfluktuatsioonide tõttu, moodustusid miljoni aasta pärast kosmoses suuremastaabilised struktuurid. Suurema massitihedusega ruumipiirkondades hakkas aine gravitatsioonilise ebastabiilsuse tõttu kollabeeruma ning moodustama massikogumeid. Sealjuures hakkasid kõigepealt tekkima varjatud ainest nn halod. Need toimisid "gravitatsiooninõgudena", kuhu hiljem kogunes meile nähtav aine.
Et kindlaks teha, mis see varjatud aine täpselt on, on püütud struktuuride moodustumise protsessi arvutisimulatsioonidega imiteerida. Mängiti läbi mitmesugused stsenaariumid, millest mõned välistati kui täiesti ebarealistlikud. Kõige realistlikumatena tunduvad tänapäeval nn ΛCDM-mudelid ( on Einsteini väljavõrrandite kosmoloogiline konstant, CDM on külm varjatud aine (cold dark matter)). Varjatud aine olemus on tänini teadmata.

Galaktikate ja tähtede tekkimine

300 miljoni aasta pärast tekkisid paljud galaktikad algul kvasaritena. Tegu oli galaktikatega, mille keskmes oli must auk, kuhu paiskus suur hulk ainet, mis tõi kaasa tohutu hulga kiirguse väljumise.
Kollabeeruvad gaasipilved olid nüüd nii tihedaks muutunud, et moodustusid tähed ja kerasparved. Tähtedes moodustusid nüüd tuumasünteesi teel kõik raskemad keemilised elemendid kuni rauani. Raskemad tähed plahvatasid juba mõne miljoni aasta pärast supernoovadena. Plahvatustega sattusid tähtedevahelisse ruumi rauast raskemad elemendid. Need tekkisid plahvatuse ajal neutronihaarde tagajärjel.