Kaip prasidėjo Visata. Pirmosios Didžiojo sprogimo akimirkos, kad tai yra Planko era ir kas dėjosi per pirmas Visatos gyvavimo minutes

Ne viename pažintiniame straipsnyje esu rašęs apie šio modelio dalis – Visatos plėtimąsi ir jo matavimo problemas, galaktikų formavimąsi, Visatos pabaigą, ir taip toliau. O čia kviečiu susipažinti su tuo, kas vyko daug anksčiau, maždaug per pirmąsias dvidešimt Visatos gyvavimo minučių.

Prieš pradedant kalbėti apie tai, kas vyko pačioje Visatos pradžioje, reikia paaiškinti, kaip skaičiuojame šių įvykių laiką. Visatos amžius – 13,8 milijardo metų – apskaičiuotas su maždaug 20-30 milijonų metų paklaida. Bet kai kalbame apie pirmąsias Visatos gyvavimo akimirkas, mes nekalbame apie šią paklaidą, o skaičiuojame laiką nuo Visatos atsiradimo momento – Didžiojo sprogimo. Taigi, jei sakome, kad kažkas įvyko praėjus vienai minutei po Didžiojo sprogimo, tai ir reiškia vieną minutę (galbūt su nedidele paklaida), o ne minutę plius minus 20 milijonų metų.

Tokį laiko matavimą galėtume palyginti, pavyzdžiui, su toli skrendančio paukščio stebėjimu. Atstumas iki paukščio gali būti, pavyzdžiui, kilometras su šimto metrų paklaida, bet atstumą tarp paukščio sparnų galų žinome gerokai didesniu, nei šimto metrų tikslumu.

Pati Visatos pradžia skendi migloje. Deja, mūsų šiandieninis supratimas apie fizikos dėsnius nėra pajėgus paaiškinti, kas vyko pirmąsias 10^-43 sekundės po Visatos atsiradimo. Šis laiko tarpas yra neįsivaizduojamai trumpas – norėdami jį parašyti įprastesniu būdu, po nulio ir kablelio turėtume padėti dar 42 nulius ir tik tada vienetą. Net palyginti jo nelabai yra su kuo: trumpiausi šiuo metu pasiekti lazerių impulsai trunka kiek daugiau nei 10^-17 sekundės. Nepažįstamasis Visatos pradžios laiko intervalas už šį impulsą trumpesnis maždaug tiek kartų, kiek tas impulsas trumpesnis už šimtmetį. Apskritai šis laiko tarpas, vadinamas Planko laiku, yra trumpiausias įmanomas, remiantis šiandieniniais fizikos dėsniais – trumpesni intervalai tiesiog neturi fizikinės prasmės.

Kartais ši Visatos pradžios dalis vadinama Planko era. Jos metu visos keturios Visatoje veikiančios jėgos buvo susijungusios į vieną, o eros pabaigoje gravitacija nuo jų atsiskyrė ir suformavo „žaidimo lauką“ – keturių matmenų erdvėlaikį, kuriame vyksta visa tolesnė Visatos evoliucija.

Po Planko eros kurį laiką – čia vis dar kalbame apie neįsivaizduojamai mažas sekundės dalis – trys kitos sąveikos dar buvo susijungusios tarpusavyje. Šios sąveikos yra elektromagnetizmas bei stiprioji ir silpnoji branduolinė sąveikos. Kad galėtume tyrinėti šį „Didžiosios apjungiančiosios teorijos“ (angl. Grand Unified Theory arba tiesiog GUT) laikotarpį eksperimentais, turėtume pasiekti energijas, bent šešis milijardus kartų viršijančias Didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) galimybes.

Pasibaigus GUT, prasidėjo infliacija. Šios epochos, trukusios nuo 10^-36 iki 10^-33 sekundės, metu Visata išaugo 10²⁶ kartų. Šis dydžių santykis panašus į atstumo nuo Žemės iki Saulės santykį su atomo branduolio skersmeniu. Kodėl vyko infliacija – kol kas neaišku; taip pat kol kas neturime ir tiesioginių įrodymų, kad ji tikrai vyko, tačiau šis procesas puikiai išsprendžia dvi problemas, nedavusias ramybės mokslininkams prieš pusšimtį metų.

Pirmoji problema yra ta, kad šiandieninė matoma Visata yra beveik vienoda visomis kryptimis, jei žvelgiame į ją labai dideliais masteliais, didesniais už galaktikų spiečius. Tai reiškia, kad visos regimosios Visatos dalys kažkada „žinojo“ vienos apie kitas – atstumas tarp jų buvo pakankamai mažas, kad iš vienos pusės į kitą galėtų sulakstyti fotonai ar kitos dalelės ir išlyginti tankį bei temperatūrą. Bet jei Visata plėtėsi tolygiai, tokį kontaktą galėjo turėti tik maždaug poros laipsnių skersmens apskritimai ant dangaus skliauto.

Kita problema yra Visatos „plokštumas“ – visoje erdvėje beveik tiksliai galioja mums įprasti geometrijos dėsniai. Visatai plečiantis be infliacijos, nuokrypiai nuo plokštumo tik didėja, tad bet kokie minimalūs pradiniai nuokrypiai reikštų, kad šiandieninė Visatos erdvė būtų visiškai ne plokščia. Infliacijos metu, priešingai, erdvė labai sparčiai išsilygina, taigi pradiniai netolygumai yra panaikinami ir Visata, plėsdamasi toliau, išlaiko plokštumą.

Vykstant infliacijai, atsiskiria stiprioji ir elektrosilpnoji sąveikos. Netrukus po infliacijos atsiskiria elektromagnetinė ir silpnoji sąveikos – jėgos, veikiančios Visatoje, tampa tokios, kokios yra ir dabar. Kartu Visata nuolat vėsta, kaip ir bet koks besiplečiantis kūnas. Netrukus po infliacijos temperatūra nukrenta iki trilijonų laipsnių, o vidutinės Visatoje esančių dalelių energijos tampa tokios, kokias įmanoma pasiekti LHC.

Praėjus mikrosekundei, temperatūra nukrenta iki vos dešimčių milijardų laipsnių. Susidaro sąlygos formuotis įvairiems elementariųjų dalelių junginiams. Pirmieji jungtis ima kvarkai – viena iš medžiagą sudarančių dalelių rūšių. Jie suformuoja protonus, neutronus ir įvairias kitas daleles. Beveik visos jos yra labai nestabilios ir per mažiau nei sekundę suskyla bei persiformuoja į tuos pačius protonus ir neutronus.

Neutronai taip pat yra nestabilūs, bet jiems suskilti užtrunka apie dešimt minučių – gerokai daugiau, nei Visatos amžius tuo metu, apie kurį kalbame. Protonai ir neutronai kiek vėliau duoda pradžią pirmiesiems cheminiams elementams. Taip pat tuo metu išnyksta beveik visa Visatos antimaterija. Antidalelės yra tarsi elementariųjų dalelių porininkės, nuo įprastų dalelių besiskiriančios tik elektros krūviu.

Dalelė ir antidalelė, susidūrusios viena su kita, anihiliuoja ir išskiria du energingus fotonus. Iš pradžių Visatoje dalelių ir antidalelių buvo beveik vienodai, ir per pirmąją sekundę po Didžiojo sprogimo visa antimaterija išnyko, kartu išsinešdama beveik visą materiją. Bet pastarosios buvo šiek tiek daugiau, tad galiausiai liko tik materija. Kodėl materijos buvo daugiau, nei antimaterijos, yra dar vienas neatsakytas klausimas apie Visatos pradžią.

Praėjus maždaug sekundei po Visatos pradžios, tankis joje sumažėja tiek, kad neutrinai – silpniausiai su kita medžiaga sąveikaujančios dalelės – gali su niekuo nesusidurdamos nulėkti atstumą, panašų į regimosios Visatos tuometinį dydį. Visata tampa permatoma neutrinams ir jie toliau evoliucionuoja atskirai nuo kitų dalelių. Teoriškai įmanoma aptikti šiuos pirmykščius neutrinus ir taip sužinoti daug daugiau apie sekundės amžiaus Visatos savybes, nei žinome dabar. Bet tą padaryti kol kas praktiškai nėra įmanoma.

Keletą pirmųjų Visatos sekundžių vyko procesas, vadinamas porų produkcija. Šis reiškinys yra atvirkščias materijos ir antimaterijos anihiliacijai: du didelės energijos fotonai susiduria ir suformuoja elektroną bei jo antidalelę pozitroną. Esant labai didelėms energijoms, elektronai ir pozitronai greitai vėl susinaikina, o kai fotonų energija žema, produkcija tiesiog nevyksta. Bet kurį laiką Visatoje buvo tokios sąlygos – beje, panašios į sąlygas labai masyvių žvaigždžių branduoliuose – kad elektronų ir pozitronų formavimasis vyko gana intensyviai ir jie buvo gausiausios dalelės Visatoje. Bet netrukus, temperatūrai nenumaldomai krentant, šios poros taip pat susinaikino.

Dešimt sekundžių po Didžiojo sprogimo prasidėjo procesas, palikęs rimtą pėdsaką, kurį galime matyti ir tyrinėti dar ir dabar: pirmykštė nukleosintezė. Tai yra cheminių elementų branduolių formavimasis, jungiantis protonams ir neutronams. Kiekvienas branduolys sudarytas iš vieno ar daugiau protonų – jų skaičius nurodo cheminį elementą, pavyzdžiui vandenilis visada turi vieną protoną, helis – du, ir taip toliau. Taip pat branduolyje gali būti kažkiek neutronų, dažniausiai jų skaičius yra panašus į protonų skaičių, nors sunkiuose elementuose neutronai įprastai dominuoja. Kiekvienas elementas gali turėti keletą atmainų, vadinamų izotopais, kurios skiriasi neutronų skaičiumi. Štai vandenilis turi tris atmainas: protis neutronų neturi, deuteris turi vieną, tritis – du.

Tam, kad protonai ir neutronai galėtų jungtis į branduolius, reikalingas tinkamas aplinkos tankis ir temperatūra. Jei yra per karšta, branduoliai neišsilaiko sukibę ir subyra, jei per šalta – protonai neturi pakankamai energijos, kad įveiktų elektrinės stūmos jėgą, ir niekada nesuartėja pakankamai, kad suformuotų branduolį. Jei medžiaga pernelyg tanki, susidūrimai tarp branduolių juos išardo, jei per reta, susidūrimai gali niekada ir neįvykti. Tinkamos nukleosintezei sąlygos Visatoje buvo nuo dešimties sekundžių iki maždaug dvidešimties minučių po Didžiojo sprogimo.

Branduolių formavimosi – sintezės – reakcijos, vykusios pirmykštės nukleosintezės metu, yra gana įvairios. Lengviausia sukibti protonui ir neutronui, suformuojant deuterį. Du deuterio branduoliai arba deuteris ir protonas susidūrę suformuoja helį, deuteris ir neutronas – tritį. Helio egzistuoja dvi atmainos, su vienu arba dviem neutronais; antroji, žymima helis-4, yra stabilesnė už pirmąją ir, kartą susiformavę, šie branduoliai nebeišnyksta. Dar kelios reakcijos kartais sukuria sunkesnių elementų, ličio ir berilio, branduolius, bet jie ilgai negyvena. Praėjus 20 minučių, reakcijos baigiasi ir Visatoje maždaug 90 procentų dalelių yra pavieniai protonai, dešimtadalis – stabilūs helio-4 branduoliai.

Tarp šimto tūkstančių atsitiktinai paimtų branduolių rasime tris deuterio ir vieną helio-3 branduolį, tarp dešimties milijardų – vieną ar du ličio-7 branduolius. Tokia, beveik nekintanti, Visatos sudėtis išliks daugiau nei šimtą milijonų metų iki pirmųjų žvaigždžių susiformavimo. Net ir šiandien vandenilis bei helis sudaro didžiąją dalį Visatos, o sunkesnieji elementai – vos kelis procentus.

Galbūt atkreipėte dėmesį, kad aprašomi Visatos evoliucijos laikotarpiai yra vis ilgesni. Iš pradžių buvo neįsivaizduojamai trumpos sekundės dalys, paskui perėjome prie mikrosekundžių ir sekundžių, tada – prie minučių.

Tolesnis šuolis yra daug didesnis: sekantis esminis pokytis Visatoje įvyksta tik po 380 tūkstančių metų. Iki to laiko Visata yra tokia karšta, kad elektronai negali išsilaikyti prikibę prie branduolių. Kitaip tariant, neegzistuoja neutralūs atomai, o tik jonai (branduoliai be elektronų) ir laisvai skraidantys elektronai.

Pro tokią terpę, vadinamą plazma, fotonai negali sklisti laisvai – jie nuolatos sąveikauja su elektronais ir pakeičia judėjimo kryptį. Visatai atvėsus, elektronai prikimba prie branduolių – įvyksta rekombinacija. Tada fotonai atsiskiria nuo medžiagos ir suformuoja kosminį spinduliuotės foną, o Visatoje prasideda tamsieji amžiai, nes ilgą laiką nėra jokių šviesos šaltinių.

Nuo pat pirmųjų momentų Visatoje ima formuotis įvairios struktūros. Jos formuojasi dėl gravitacijos poveikio, kuris verčia įvairius sutankėjimus augti. Bet iki rekombinacijos struktūros užauga labai nedaug: tankiausių vietų tankis yra mažiau nei viena tūkstantąja dalimi didesnis, nei rečiausių. Visgi iš šių netolygumų laikui bėgant susiformuoja galaktikos ir jų spiečiai, taip pat ir Paukščių Takas. Šie procesai tęsiasi iki šiol, nors pastaruosius dešimt milijardų metų po truputį lėtėja.

Pirmosios kelios minutės Visatai davė labai daug: erdvę, laiką, materiją, neutrinus, fotonus, elektronus, pirmuosius atomų branduolius. Nors daugybė tuo metu vykusių reiškinių kol kas nagrinėjami tik skaitmeniniais kompiuteriniais modeliais bei teoriniais skaičiavimais, iš jų po truputį susidarome vis geresnį vaizdą apie Visatos kilmę ir raidą. Galbūt ateityje neutrinų ar gravitacinių bangų stebėjimai leis pažvelgti į pirmąsias akimirkas ir daug geriau jas suprasti, bet to gali tekti laukti net ne vieną šimtmetį.