Letupan Besar

Gambaran keseluruhan

Berdasarkan pengukuran pengembangan semesta dengan menggunakan Supernova Type Ia, pengukuran akan kekasaran latar belakang mikrogelombang kosmos, dan pengukuran fungsi sama bagi galaksi, usia alam semesta dikira selama 13.7 ± 0.2 bilion tahun. Persetujuan 3 pengukuran tidak bersandar ini dikira sebagai bukti kukuh bagi Model ΛCDM yang menerangkan secara terperinci sifat isi kandungan alam semesta.
Alam semesta yang awal diisi secara lama keadaan dan seragam dengan ketumpatan bertenaga tinggi bersama suhu dan tekanan tinggi. Ia mengembang dan menyejuk, melalui perubahan fasa seperti pemeluwapan wap atau penyejukan air apabila ia menyejuk tetapi berkaitan dengan zarah asas.
Lebih kurang 10⁻³⁵ saat selepas zaman Planck, peralihan fasa menyebabkan alam semesta mengalami pertumbuhan eksponen ketika pengembungan kosmos. Selepas pengembungan terhenti, komponen-komponen jirim alam semesta berada dalam bentuk plasma kuark-gluon (juga termasuk zarah lain—dan mungkin dihasilkan secara eksperimen seperti cecair kuark-gluon ) yang mana juzuk zarah semuanya bergerak secara relatif. Apabila alam semesta berterusan membesar, suhu pula menurun. Pada suhu tertentu, melalui peralihan yang masih tidak diketahui yang dipanggil bariogenesis, kuark dan gluon akan bergabung menjadi barion seperti proton dan neutron, malah menghasilkan ketaksimetrian seperti antara jirim dan antijirim.
Suhu rendah masih boleh menyebabkan fasa peralihan pecahan simetri berlaku yang meletakkan daya dan zarah asas kepada keadaan seperti sekarang. Kemudian, sebahagian proton dan neutron membentuk nucleus-nukleus deuterium dan helium dalam proses yang dipanggil Nukleosintesis letupan besar. Apabila alam semesta semakin sejuk, jirim berandur-ansur berhenti bergerak secara relatif dan jisim rehat tenaga ketumpatannya menjadi secara graviti yang menguasai sinaran. Selepas 300,000 tahun, elektron dan nukleus bergabung membentuk atom (kebanyakannya hidrogen); maka sinaran terpancar dari jirim dan bersambungan merentasi angkasa yang tidak berpenghalang. Sinaran peninggalan inilah latar belakang gelombang mikro kosmik.
Lama-kelamaan, kawasan yang lebih tumpat yang jirimnya disebarkan secara seragam tertarik secara graviti berhampiran jirim lalu bertambah tumpat dan membentuk awan gas, bintang, galaksi, dan lain-lain struktur astronomi yang boleh dilihat hari ini. Perincian proses ini bergantung kepada jumlah dan jenis jirim dalam alam semesta. Tiga jenis yang mungkin dikenali sebagai jirim gelap sejuk, jirim gelap panas, dan jirim barionan]]. Pengukuran terbaik (dari WMAP) menunjukkan yang bentuk utaman jirim dalam alam semesta adalah jirim gelap sejuk. Dua yang lain mengambil 20% daripada jirim alam semesta.
Alam semesta kini dipenuhi sejenis bentuk tenaga yang misteri yang dikenali sebagai tenaga gelap. Lebih kurang 70% daripada keseluruhan ketumpatan tenaga alam semesta masa kini dalam bentuk tersebut. Komponen sebatian alam semesta ini didedahkan oleh sifatnya yang menyebabkan pengembangan alam semesta menyimpang dari hubungan jarak-halaju linear dengan menyebabkan ruang-masa mengembang dengan lebih cepat dari yang dijangka pada suatu jarak yang besar. Tenaga gelap yang berada dalam pembentukan yang teringkas mengambil bentuk istilah pemalar kosmologi dalam persamaan medan Einstein tentang kerelatifan am, tetapi kandungannya tidak diketahui dan lebih umumnya, perincian persamaan keadaannya dan hubungannya dengan model piawai bagi zarah fizik masih disiasat secara cerapan dan teori.
Semua cerapan ini akan dirangkumkan ke dalam model ΛCDM kosmologi, iaitu model matematik bagi Letupan Besar dengan enam parameter tidak bersandar. Misteri muncul ketika ia hampir kepada permulaan, apabila tenaga zarah lebih tinggi dari apa yang boleh dikaji melalui eksperimen. Tiada bantuan model fizik bagi 10⁻³³ saat yang pertama alam ini iaitu sebelum peralihan fasa yang dipanggil teori penyatuan agung (grand unification theory, GUT). Pada mulanya, teori Einstein tentang graviti meramalkan kewujudan ketunggalan graviti iaitu ketika ketumpatannya tidak terhingga. Untuk menguraikan paradoks ini, teori kuantum graviti diperlukan. Memahami tempoh tersebut dalam sejarah alam semesta adalah satu masalah besar yang masih belum dapat diselesaikan.
Lihat juga: Garis masa Letupan Besar

Bukti-bukti pencerapan

Secara umumnya, dinyatakan yang tiga pemerhatian yang menyokong teori Letupan Besar. Ia adalah pengembangan jenis Hubble yang dilihat pada anjakan merah galaksi, pengukuran terperinci latar belakang gelombang mikro kosmik, dan limpakan unsur cahaya. (Lihat Nukleosintesis Letupan Besar.) Sebagai tambahan, fungsi perkaitan struktur berskala besar kosmos yang telah dicerap berpadanan dengan teori Letupan Besar.

Ciri-ciri, persoalan-persoalan dan masalah-masalah

Beberapa masalah timbul selari dengan teori Letupan Besar sepanjang sejarahnya. Sebahagian daripadanya hanya tinggal sejarah dan telah dielakkan sama ada ketika pengubahsuaian teori mahupun sebagai keputusan daripada cerapan yang lebih baik. Isu lain seperti masalah ‘halo cluspy’ dan masalah galaksi kerdil jarim gelap sejuk, tidak dikira teruk kerana ia masih boleh diterima melalui penapisan teori.
Terdapat sedikit penyokong kosmologi bukan piawai yang ragu-ragu yang wujudnya Letupan Besar. Mereka mendakwa penyelesaian kepada masalah biasa teori Letupan Besar adalah melibatkan perubahan ad hoc (sesuatu yang tidak dirancang dan tidak formal) dan tambahan kepada teori. Yang sering dibidas adalah bahagian kosmologi biasa termasuklah jirim gelap, tenaga gelap dan pengembungan kosmik. Walau bagaimanapun, ketika penjelasan bagi perkera berkenaan masih menjadi persoalan, telah dicadangkan cerapan nukleosintesis Letupan Besar bebas, latar belakang gelombang mikro kosmik, struktur berskala besar dan supernova Type Ia. Kesan graviti bagi ciri tersebut difahami secara cerapan dan teori tetapi mereka masih belum lagi disekalikan ke dalam Model Piawai fizik zarah. Walaupun beberapa aspek teori masih tidak cukup lagi diterangkan oleh fizik asas, hampir semua ahli astronomi dan fizik menerima bahawa perkaitan di antara teori dan cerapan Letupan Besar telahpun membentuk bahagian asas teori tersebut.
Berikut adalah senarai pendek “masalah” dan kekeliruan Letupan Besar.

Ekakutub magnet

Bangkangan terhadap ekakutub magnet telah timbul pada akhir dekad 1970-an. Teori penyatuan agung meramalkan kecacatan titik di angkasa yang dinyatakan sebagai ekakutub magnet dengan ketumpatan yang lebih tinggi dari apa yang malar dengan cerapan, menyatakan yang pencari tidak pernah menjumpai apa-apa ekakutub. Masalah ini turut diselesaikan oleh pengembangan kosmik yang mengalihkan semua kecacatan titik dari semesta tercerapkan dengan cara yang sama bagi kaitan geometri dengan kedataran.

Ketaksimetrian barion

Masih belum difahami mengapa alam semesta mempunyai lebih jirim berbanding antijirim. Telah dianggap bahawa apabila alam semesta masih muda dan sangat panas, ia berada dalam keseimbangan statistik dan mengandungi bilangan yang sama bagi barion dan anti-barion. Walau bagaimanapun, cerapan mencadangkan bahawa alam semesta, termasuk bahagian yang jauh, dibuat hampir kesemuanya daripada jirim. Proses yang tidak diketahui yang dipanggil bariogenesis menciptakan ketaksimetrian. Untuk berlakunya bariogenesis, syarat Sakharov, yang diperkenalkan Andrei Sakharov, harus dipatuhi. Ia memerlukan nombor barion tidak diabadikan, simetri C dan CP harus dicanggahi dan alam semesta muncul dari keseimbangan termodinamik. Semua syarat ini terdapat dalam Model Piawai tetapi kesannya belum cukup kuat untuk menjelaskan kehadiran asimetri barion. Eksperimen bertempat di CERN berhampiran Geneva untuk memerangkap anti-hidrogen untuk membandingkan spektrumnya dengan hidrogen. Apa-apa perbezaan akan menjadi bukti pencabulan simetri CPT dan juga pencabulan Lorentz.

Usia kelompok membulat

Pada pertengahan 1990-an, cerapan kelompok membulat kelihatan tidak sepadan dengan Letupan Besar. Simulasi komputer yang berpadanan dengan cerapan populasi stellar bagi kelompok membulat mencadangkan yang ia berusia 15 bilion tahun yang berselisih dengan usia alam semesta iaitu 13.7 bilion tahun. Isu ini telah diselesaikan pada akhir dekad 1990-an apabila simulasi komputer yang baru yang memasukkan sekali kesan kehilangan jisim disebabkan ribut stellar lalu menunjukkan usia yang lebih muda bagi kelompok membulat . Masih terdapat persoalan tentang berapa tepatnya usia kelompok itu dikira tetapi jelas bahawa objek tersebut adalah antara yang tertua dalam alam semesta.