ในการเริ่มต้นจักรวาลขยายตัวเร็วมาก
(ภาพ: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter เป็นนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ The Ohio State University และหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์ COSI ซัทเทอร์ยังเป็นเจ้าภาพถาม Ask Spaceman และ Space Radio และเป็นผู้นำไปสู่การเดินทางรอบโลก ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้เพื่อเสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights
เมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อนจักรวาลที่สังเกตได้ทั้งหมดของเรามีขนาดเท่าลูกพีชและมีอุณหภูมิมากกว่าหนึ่งล้านล้านองศา
นั่นเป็นคำสั่งที่เรียบง่าย แต่มีความกล้าหาญมากที่จะทำและไม่ใช่คำสั่งที่ทำเบาหรือง่าย ที่จริงแล้วแม้กระทั่งเมื่อร้อยปีก่อนมันจะฟังดูน่ารังเกียจอย่างสิ้นเชิง แต่ที่นี่เรากำลังพูดว่ามันไม่ใช่เรื่องใหญ่อะไร แต่เช่นเดียวกับสิ่งใดก็ตามในวิทยาศาสตร์ข้อความง่ายๆอย่างนี้สร้างขึ้นจากภูเขาของหลักฐานหลายบรรทัดที่ทุกคนชี้ไปยังข้อสรุปเดียวกัน - ในกรณีนี้บิกแบงต้นแบบของประวัติศาสตร์จักรวาลของเรา [จักรวาล: บิ๊กแบงถึงตอนนี้ใน 10 ขั้นตอนง่ายๆ]
แต่อย่างที่พวกเขาพูด นี่คือหลักฐานห้าชิ้นสำหรับบิกแบง:
# 1: ท้องฟ้ากลางคืนมืด
ลองจินตนาการถึงช่วงเวลาที่เราอาศัยอยู่ในจักรวาลที่ไม่มีที่สิ้นสุดอย่างสมบูรณ์แบบทั้งในเวลาและสถานที่ คอลเลกชันของดวงดาวระยิบระยับดำเนินไปตลอดกาลในทุกทิศทางและจักรวาลก็เป็นเช่นนี้ตลอดไป นั่นหมายถึงทุกที่ที่คุณมองท้องฟ้า - เพียงแค่เลือกทิศทางแบบสุ่มและจ้อง - คุณจะต้องหาดาวดวงหนึ่งที่นั่นในระยะหนึ่ง นั่นเป็นผลลัพธ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของจักรวาลที่ไม่มีที่สิ้นสุด
และถ้าเอกภพเดียวกันนั้นมีอยู่ตลอดไปมันก็มีเวลามากมายสำหรับแสงจากดาวนั้นคลานผ่านจักรวาลด้วยความเร็ว c ที่ค่อนข้างเชื่องช้าเพื่อเข้าถึงดวงตาของคุณ แม้แต่การปรากฏตัวของฝุ่นที่แทรกเข้ามาใด ๆ ก็ไม่สามารถลดแสงสะสมจากดาวที่ไม่มีที่สิ้นสุดที่แผ่กระจายไปทั่วจักรวาลขนาดใหญ่ที่ไม่มีที่สิ้นสุด
เออร์โกท้องฟ้าควรจะสว่างด้วยแสงรวมของดวงดาวจำนวนมาก แต่กลับเป็นความมืดเป็นส่วนใหญ่ สิ่งที่ว่างเปล่า เป็นโมฆะ ความมืด คุณรู้ไหมอวกาศ
นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันไฮน์ริคโอลเบอร์อาจไม่ใช่คนแรกที่สังเกตความขัดแย้งนี้ แต่ชื่อของเขาติดอยู่กับความคิด: มันเป็นที่รู้จักกันในนามของความขัดแย้งของ Olbers ความละเอียดง่าย ๆ ? จักรวาลไม่ได้มีขนาดไม่ จำกัด หรือไม่มีเวลา จำกัด หรืออาจจะไม่ใช่
# 2: ควาซาร์มีอยู่
ทันทีที่นักวิจัยพัฒนากล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีความละเอียดอ่อนในปี 1950 และ '60s พวกเขาสังเกตเห็นแหล่งกำเนิดวิทยุที่ดังมากในท้องฟ้า นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าแหล่งกำเนิดวิทยุเสมือน - ดาวฤกษ์เหล่านี้หรือ "ควอซาร์" นั้นห่างไกลมาก แต่กระจ่างกาแลคซีที่เคลื่อนไหวอย่างไม่ธรรมดา
สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับการสนทนานี้คือส่วน "ไกลโพ้น" ของข้อสรุปนั้น
เนื่องจากแสงต้องใช้เวลาเดินทางจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งเราไม่เห็นดาวและกาแล็กซี่เหมือนตอนนี้ แต่เมื่อพวกเขาเป็นพันล้านล้านหรือหลายพันล้านปีก่อน นั่นหมายถึงการมองลึกเข้าไปในจักรวาลก็ดูลึกลงไปในอดีตด้วย เราเห็นควาซาร์จำนวนมากในจักรวาลที่อยู่ไกลออกไปซึ่งหมายความว่าวัตถุเหล่านี้เป็นเรื่องปกติเมื่อหลายพันล้านปีก่อน แต่แทบจะไม่มีควาซาร์ใด ๆ ในพื้นที่ใกล้เคียงที่ทันสมัยของเรา และพวกมันก็มีอยู่ทั่วไปในจักรวาลที่ห่างไกล (นั่นคืออายุน้อย) ที่เราควรเห็นมากขึ้นในบริเวณใกล้เคียง
ข้อสรุปง่ายๆ: จักรวาลแตกต่างในอดีตมากกว่าในทุกวันนี้
# 3: มันใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ
เราอาศัยอยู่ในจักรวาลที่กำลังขยายตัว โดยเฉลี่ยแล้วกาแลคซีก็ห่างออกไปจากกาแลคซีอื่นทั้งหมด แน่นอนว่าการชนกันในท้องถิ่นเล็ก ๆ เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงที่เหลือเช่นทางช้างเผือกจะปะทะกับแอนโดรเมดาในอีกไม่กี่พันล้านปี แต่ในระดับขนาดใหญ่ความสัมพันธ์แบบเรียบง่ายที่ขยายได้นี้ยังคงเป็นจริง นี่คือสิ่งที่นักดาราศาสตร์เอ็ดวินฮับเบิลค้นพบในต้นศตวรรษที่ 20 ไม่นานหลังจากที่พบว่า "กาแลคซี" เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นจริง [การชนกันระหว่างดาราจักรกับทางช้างเผือกของดาราจักรกับ Andromeda: รูปภาพศิลปิน]
ในจักรวาลที่กำลังขยายตัวกฎนั้นเรียบง่าย กาแลคซีทุกแห่งกำลังถอยห่างจากกาแลคซีอื่น ๆ (เกือบ) แสงจากกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลจะได้รับการเปลี่ยนใหม่ - ความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมาจะยาวขึ้นและทำให้แดงขึ้นจากมุมมองของกาแลคซีอื่น คุณอาจถูกล่อลวงให้คิดว่านี่เป็นเพราะการเคลื่อนไหวของกาแลคซีแต่ละแห่งเร่งรอบจักรวาล แต่คณิตศาสตร์ไม่ได้เพิ่มขึ้น
จำนวน redshift สำหรับกาแลคซีที่เฉพาะเจาะจงนั้นเกี่ยวข้องกับความห่างไกลของมัน กาแลคซีใกล้ชิดจะได้รับการเปลี่ยนถ่ายจำนวนหนึ่ง กาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปสองเท่าจะได้รับ redshift สองครั้งนั้น ระยะทางสี่เท่า? ถูกต้องสี่เท่าของ redshift ในการอธิบายเรื่องนี้ด้วยกาแลคซีที่เพิ่งซิปไปรอบ ๆ มันจะต้องมีการสมรู้ร่วมคิดที่แปลกประหลาดอย่างมากซึ่งประชากรกาแลคซีทุกคนในเอกภพตกลงที่จะเคลื่อนไหวในรูปแบบเฉพาะนี้
แต่มีคำอธิบายที่ง่ายกว่ามาก: การเคลื่อนที่ของกาแลคซีเกิดจากการยืดพื้นที่ระหว่างกาแลคซีเหล่านั้น
เราอาศัยอยู่ในจักรวาลที่มีการเปลี่ยนแปลงและมีชีวิตชีวา มันมีขนาดเล็กกว่าในอดีตและจะใหญ่ขึ้นในอนาคต
# 4: รังสีที่ระลึก
เล่นเกมกันเถอะ. สมมติว่าจักรวาลมีขนาดเล็กลงในอดีต หมายความว่ามันจะเป็นทั้งทึบและร้อนใช่ไหม? ถูกต้อง - เนื้อหาทั้งหมดของจักรวาลจะรวมอยู่ในพื้นที่ขนาดเล็กและความหนาแน่นที่สูงขึ้นหมายถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้น
เมื่อถึงจุดหนึ่งเมื่อเอกภพบอกว่าเล็กกว่าหนึ่งล้านเท่าในตอนนี้ทุกสิ่งจะถูกชนเข้าด้วยกันจนกลายเป็นพลาสมา ในรัฐนั้นอิเล็กตรอนจะหลุดออกจากโฮสต์นิวเคลียร์ของพวกมันและมีอิสระในการว่ายน้ำทั้งหมดนี้อาบด้วยรังสีพลังงานสูงที่เข้มข้น
แต่เมื่อเอกภพทารกนั้นขยายตัวมันก็จะเย็นลงจนถึงจุดที่ทันใดนั้นอิเล็กตรอนสามารถตั้งตัวได้อย่างสะดวกสบายรอบนิวเคลียสทำให้เกิดอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมที่สมบูรณ์ ในขณะนั้นการแผ่รังสีที่เข้มข้นอย่างบ้าคลั่งจะไม่ จำกัด ผ่านจักรวาลที่บางและโปร่งใสใหม่ และเมื่อเอกภพนั้นขยายตัวแสงที่เริ่มจากสีขาว - ร้อนจะเย็นลงเย็นลงถึงไม่กี่องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์สัมบูรณ์ทำให้ความยาวคลื่นมั่นคงในช่วงไมโครเวฟ
และเมื่อเราเล็งกล้องโทรทรรศน์ไมโครเวฟไปที่ท้องฟ้าเราจะเห็นอะไร รังสีพื้นหลังอาบน้ำล้อมรอบเราในทุกด้านและเกือบจะเหมือนกันอย่างสมบูรณ์ (ส่วนหนึ่งใน 100,000!) ในทุกทิศทาง รูปเด็กแห่งจักรวาล โปสการ์ดจากยุคที่ตายมานาน แสงสว่างจากกาลเวลาเกือบแก่เท่ากับตัวจักรวาลเอง
# 5: มันเป็นองค์ประกอบ
ผลักนาฬิกากลับไปให้ไกลกว่าการก่อตัวของพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิคและในบางจุดสิ่งต่าง ๆ ก็รุนแรงมากบ้ามากที่ไม่มีโปรตอนและนิวตรอนอยู่ มันเป็นแค่ส่วนสำคัญพื้นฐานควาร์กและกลูออน แต่อีกครั้งเมื่อเอกภพขยายตัวและเย็นลงจากการมีอยู่ของมันในช่วงสองสามนาทีแรกนิวเคลียสที่เบาที่สุดเช่นไฮโดรเจนและฮีเลียมจะรวมตัวกันและก่อตัวขึ้น
ทุกวันนี้เรามีวิชาฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ค่อนข้างดีและเราสามารถใช้ความรู้นั้นในการทำนายปริมาณสัมพัทธ์ขององค์ประกอบที่เบาที่สุดในจักรวาลของเรา การคาดการณ์: ซุปที่นำมาปรุงควรมีไฮโดรเจนสามในสี่วางไข่ฮีเลียมหนึ่งในสี่และอีกส่วนของ "อื่น ๆ "
ความท้าทายนั้นไปถึงนักดาราศาสตร์และพวกเขาพบอะไร จักรวาลประกอบด้วยไฮโดรเจนสามในสี่ประมาณหนึ่งฮีเลียมหนึ่งในสี่และเปอร์เซ็นต์ของ "อื่น ๆ " ที่น้อยลง การเล่นชนิดหนึ่ง
มีหลักฐานมากขึ้นเช่นกันแน่นอน แต่นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นสำหรับภาพบิ๊กแบงที่ทันสมัยของจักรวาล หลักฐานอิสระหลายสายชี้ไปที่ข้อสรุปเดียวกัน: จักรวาลของเรามีอายุประมาณ 13.8 พันล้านปีและครั้งหนึ่งมันมีขนาดเท่ากับลูกพีชและมีอุณหภูมิมากกว่าหนึ่งล้านล้านองศา
เรียนรู้เพิ่มเติมโดยการฟังตอน "เกิดอะไรขึ้นเมื่อกาแลคซีชนกัน" เกี่ยวกับพอดคาสต์ Ask A Spaceman มีอยู่ใน iTunes และบนเว็บที่ http://www.askaspaceman.com ขอบคุณ Mike D. , Tripp B. , Sedas S. , Isla และ Patrick D. สำหรับคำถามที่นำไปสู่งานชิ้นนี้! ถามคำถามของคุณบน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือทำตาม Paul @PaulMattSutter และ facebook.com/PaulMattSutter ติดตามเรา @Spacedotcom, Facebook และ Google+ บทความต้นฉบับบน Space.com
