Alkuräjähdyksen aikajana
Alkuräjähdyksen aikajana kuvaa alkuräjähdyksen jälkeistä maailmankaikkeuden kehittymistä. Tapahtumat ajoitetaan mukanaliikkuvien koordinaattien aikaparametrin mukaan. Havaintojen tukeman teorian mukaan kaikkeus alkoi noin 13,82 miljardia vuotta sitten. Tähänastinen kehitys voidaan jakaa kolmeen päävaiheeseen. Hyvin varhainen ensimmäinen vaihe kesti alle sekunnin. Siinä kaikkeuden hiukkaset olivat korkeammilla energiatasoilla kuin mitä voidaan nykyisillä hiukkaskiihdyttimillä saavuttaa. Tämän vuoksi aikakauden tapahtumien yksityiskohdat ovat pikemminkin alkuräjähdysteoriasta johdettuja valistuneita arvauksia kuin vakiintuneita kokeellisesti todettuja käsityksiä. Seuraava vaihe alkoi, kun hiukkasten energisyys pieneni tasoille, jotka voidaan saavuttaa nykyisessä suuren energian hiukkasfysiikassa. Tässä vaiheessa muodostuivat ensimmäiset protonit, elektronit ja neutronit ja näistä edelleen ytimiä ja lopulta atomeja. Kosmisen taustasäteilyn vapauduttua alkoi rakenteiden muodostumisen vaihe, jonka aikana tähdet, galaksit ja galaksijoukot muodostuivat. Kolmas vaihe on edelleen meneillään ja tulevaisuudesta on esitetty lukuisia valistuneita arvioita.
Kaikki käsitykset aivan varhaisimmista vaiheista ovat spekulaatioita. Missään nykyisin käytössä olevassa hiukkaskiihdyttimessä ei saavuteta riittävän suuria energiatasoja. Esitetyt skenaariot vaihtelevat keskenään suuresti ja ovat yleensä myös keskenään yhteen sovittamattomia. Näitä ovat muun muassa Hartlen-Hawkingin tila, erinäiset säieteorian ehdotelmat ja braani-inflaatio.
Mikäli supersymmetria pitää paikkansa, Planckin epookin aikana kaikki neljä perusvuorovaikutusta eli sähkömagnetismi, heikko vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja gravitaatio olisivat olleet yhtä voimakkaita ja siten muodostaneet mahdollisesti yhden yhtenäisen voiman. Tästä epookista tiedetään vähän ja lukuisia toisistaan poikkeavia malleja on esitetty. Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että tätä ajanjaksoa edelsi gravitationaalinen singulariteetti, mutta yleisesti uskotaan yleisen suhteellisuusteorian hajoavan kvantti-ilmiöiden vuoksi. Tämän ajanjakson kuvaamiseksi on esitetty useita kvanttigravitaatioteorioita kuten säieteoria ja silmukkakvanttigravitaatio (LQG).
Planckin epookin aikaan ei ollut lainkaan hiukkasia, sillä maailmankaikkeuden säde oli ajanhetkellä 10 pienempi kuin yhdenkään tunnetun alkeishiukkasen Comptonin aallonpituus.
Alkuräjähdyksen katsotaan alkaneen ajan hetkellä 10. Kaikkeuden laajentuessa se jäähtyi ja gravitaatio erkani mittateorian perusvuorovaikutuksista eli sähkömagnetismista, vahvasta ja heikosta vuorovaikutuksesta.
Varmuutta siitä, missä lämpötilassa ja ajassa kosminen inflaatio tapahtui, ei ole. Inflaation aikana kaikkeuden muoto tasoittui ja kaikkeus laajeni homogeenisesti, isotrooppisesti ja äärimmäisen nopeasti.
Uudelleenlämpenemisen aikana eksponentiaalinen laajeneminen loppui ja säteily dominoi kaikkeutta. Lopulta kvarkit, elektronit ja neutriinot alkoivat muodostua.
Se, miksi kaikkeudessa on enemmän baryoneja kuin antibaryoneja, on vielä selvittämättä. Baryonigeneesin kuvaukset ovat vielä hypoteettisia, mutta niiden tulee täyttää ns. Saharovin ehdot.
Kosmisen inflaation päätyttyä kaikkeus on täynnä kvarkki-gluoniplasmaa, tästä hetkestä eteenpäin varhaisen kaikkeuden vaihteet ovat vähemmän spekulatiivisia ja paremmin ymmärrettyjä.
Lämpötila on riittävän korkea yhdistämään sähkömagnetismin ja heikon vuorovaikutuksen, mutta vahva vuorovaikutus on erkaantunut näistä. Hiukkasten vuorovaikutukset ovat riittävän energeettisiä muodostaakseen suuret määrät eksoottisia hiukkasia, mukaan lukien W- ja Z-bosonit ja Higgsin bosonit.
Mikäli supersymmetria on todella kaikkeuden ominaisuus, sen tulee hajota noin 1 TeV:n energiatasoilla.
Perusvuorovaikutukset gravitaatio, sähkömagnetismi, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus ovat ottaneet nykyiset muotonsa, mutta kaikkeus on vielä liian kuuma kvarkkien hadroneiksi sitoutua.
Kaikkeus on viilentynyt riittävästi, jotta hadronit voivat muodostua. Aikana noin 1 sekunti neutriinot vapautuvat ja alkavat matkata vapaasti läpi avaruuden. Tämä kosminen neutriinotaustasäteily on analoginen kosmiselle mikroaaltotaustasäteilylle, mutta sitä ei luultavasti koskaan havaita yksityiskohtaisesti. Epookin lopulla kaikkeus on jäähtynyt niin kylmäksi, ettei uusia hadroni-antihadronipareja synny, joten suurin osa hadroneista ja antihadroneista annihiloi toisensa ja jäljelle jää pieni jäännös hadroneita.
Leptonit ja antileptonit dominoivat kaikkeuden massaa. Aikana noin 3 sekuntia lämpötila on laskenut niin alhaiseksi, että uusia leptoni-antileptonipareja ei enää synny, joten useimmat leptonit ja antileptonit annihiloivat toisensa ja jäljelle jää pieni jäännös leptoneita.
Kaikkeuden energiaa dominoivat fotonit, jotka vuorovaikuttavat jatkuvasti varattujen protonien ja elektronien kanssa sekä myöhemmin myös ydinten kanssa. Tätä jatkui seuraavat 300 000 vuotta.
Fotoniepookin aikana lämpötila laskee niin alas, että protonit ja neutronit alkavat fuusioitua ytimiksi. Tätä jatkuu noin kolme minuuttia ja sitten kaikkeuden lämpötila ja tiheys on laskenut liian alas, eikä fuusioituminen voi jatkua. Vety-ytimiä on noin neljä kertaa enemmän kuin helium-4-ytimiä ja muutamia muita vain pienet määrät.
Tähän mennessä ei-relativistisen aineen (atomiytimet) ja relativistisen säteilyn (fotonit) tiheydet ovat yhtä suuret. Gravitaation kokoon vetävä vaikutus ja muun muassa lämpöliikkeestä johtuva paine vuorottelevat.
Vety- ja heliumatomit alkavat muodostua ja kaikkeuden tiheys pienenee. Fotonit vapautuvat aineesta ja alkavat matkata varsin vapaasti avaruudessa. Tämä säteily muodostaa nykyisin havaittavan kosmisen taustasäteilyn.
Pimeän kauden aikana, joka oli rekombinaation ja reionisaation välissä, vain hyvin harvat atomit ionisoituivat, joten ainoa tänä aikana vapautunut säteily on neutraalin vedyn spinin muutoksessa vapautunut nk. 21 senttimetrin säteily. Tätä säteilyä pyritään havaitsemaan, sillä se on periaatteessa vielä kosmista mikroaaltotaustasäteilyäkin tehokkaampi keino tutkia varhaista kaikkeutta.
Rakenteenmuodostuminen etenee hierarkkisesti siten, että pienet rakenteet muodostuvat ennen isompia. Ensimmäiset muodostuvat rakenteet ovat kvasaareita, joiden arvellaan olevan aktiivisia galakseja ja populaation III tähtiä.
Ensimmäiset kvasaarit muodostuvat aineen gravitationaalisista romahduksista. Näiden lähettämä voimakas säteily reionisoi ympäröivän kaikkeuden ja tästä lähtien suurin osa aineesta on plasmaa.
Ensimmäiset, ilmeisesti populaation III, tähdet muodostuvat ja alkavat fuusioida kevyitä aineita eli vetyä, heliumia ja litiumia raskaammiksi aineiksi.
Suuret määrät ainetta romahtaa galakseiksi. Populaation II tähdet muodostuvat tämän prosessin alkuvaiheessa ja populaation I tähdet myöhemmin.
Gravitaatio vetää galakseja kohti toisiaan ja muodostuu galaksiryhmiä, -joukkoja ja superjoukkoja.
Aurinkokunnan kokoluokan kohteita syntyy aiempien tähtien jäänteistä.
Paras arvio kaikkeuden iäksi eli ajaksi, joka on kulunut varsinaisesta alkuräjähdyksestä, on 13,82 miljardia vuotta. Koska kaikkeuden laajeneminen vaikuttaa kiihtyvän, superklusterit jäänevät suurimmiksi koskaan muodostuneiksi rakenteiksi.
Kaikkeuden lopullisesta kohtalosta on esitetty lukuisia valistuneita veikkauksia, mutta tarvitaan runsaasti fysiikan perustutkimusta ennen kuin voidaan tehdä minkäänlaisella varmuudella pitkän aikavälin ennusteita.
Tätä skenaariota pidetään yleisesti todennäköisimpänä, sillä tämä tapahtuu mikäli kaikkeus jatkaa laajenemistaan kuten tähänkin saakka. Aikaskaalalla triljoona vuotta tähdet ovat palaneet loppuun ja kaikkeus pimenee. Kaikkeus lähenee korkean entropian tilaa. Vielä pidemmän ajan kuluessa galaksit romahtavat mustiin aukkoihin, jotka sitten tuhoutuvat Hawkingin säteilyllä. Joidenkin teorioiden mukaan protonit hajoavat elektroneiksi ja positroneiksi, jotka sitten annihiloituvat fotoneiksi. Näin lähestulkoon kaikki on muuttunut lämpösäteilyksi, joka hiljalleen punasiirtyy ja jäähtyy.
Mikäli pimeän energian energiatiheys on negatiivinen tai kaikkeuden muoto on suljettu, niin on mahdollista, että laajeneminen lakkaa ja kääntyy kutistumiseksi, joka johtaisi loppurysäykseen.
Tämä skenaario on mahdollinen, mikäli pimeän energian energiatiheys kasvaa rajatta ajan myötä. Tällaista pimeää energiaa kutsutaan haamuenergiaksi, ja se saattaisi olla lähinnä virtuaalihiukkasten energiaa. Tässä tapauksessa laajenemisnopeus kasvaisi rajatta. Gravitaation sitomat systeemit kuten galaksijoukot, galaksit ja Aurinkokunta repeäisivät kappaleiksi. Lopulta myös muiden vuorovaikutusten koossa pitämät rakenteet hajoaisivat.
Mikäli maailmankaikkeus on hyvin pitkäikäinen virheellinen tyhjiö, on mahdollista, että kaikkeus tunneloituu matalampaan energiatasoon, jolloin kaikki rakenteet tuhoutuisivat välittömästi ja varoittamatta.