Veliki prasak: kako je nastao svemir

Prije 13,8 milijardi godina cijeli vidljivi svemir bio je sabijen u nezamislivo vruće i gusto stanje, iz kojeg se od tada širi i hladi. To je teorija Velikog praska, najbolje potvrđeno objašnjenje nastanka svemira koje imamo. Njezine tragove možete vidjeti i sami: počevši od jednostavnog pitanja zašto je noću nebo tamno. U ovom članku saznajte kako je svemir nastao, kako znamo da se širi i što još ne znamo.

Što je Veliki prasak?

Unatoč imenu, Veliki prasak nije bio eksplozija u nekom praznom prostoru, nego početak širenja samog prostora. Nema središta iz kojeg se svemir širi i nema ruba do kojeg bi stigao. Najbolja usporedba je tijesto s grožđicama koje se diže u pećnici: svaka grožđica udaljava se od svake druge, i to brže što je dalje, a nijedna nije u središtu. Galaksije su grožđice, a tijesto je prostor.

Ime je smislio britanski astronom Fred Hoyle 1949., u radijskoj emisiji, pomalo podrugljivo, jer je zagovarao suprotnu teoriju o vječnom i nepromjenjivom svemiru. Ideju je prvi razradio belgijski svećenik i fizičar Georges Lemaître, koji je 1927. pokazao da se svemir širi, a 1931. predložio da je nastao iz „prvobitnog atoma”.

Kako znamo da se svemir širi?

Postoje tri glavna dokaza, a svaki je potvrđen bezbroj puta:

• Galaksije se udaljavaju. Edwin Hubble je 1929. pokazao da se gotovo sve galaksije udaljavaju od nas, i to brže što su dalje. Svjetlost galaksija koje se udaljavaju razvučena je prema crvenom dijelu spektra, a taj crveni pomak raste s udaljenošću. Kad se ta slika pusti unatrag, sve galaksije sastaju se u istoj točki vremena.
• Svemir je ispunjen „jekom” Velikog praska. Godine 1965. Arno Penzias i Robert Wilson slučajno su otkrili slabo mikrovalno zračenje koje dolazi jednako iz svih smjerova. To je svjetlost oslobođena 380 000 godina nakon Velikog praska, kad se svemir dovoljno ohladio da nastanu atomi. Širenje svemira razvuklo ju je u mikrovalove, pa danas odgovara temperaturi od samo 2,7 stupnjeva iznad apsolutne nule. Europski satelit Planck izradio je njezinu najdetaljniju kartu.
• Omjer elemenata. U prvim minutama svemir je bio vrući nuklearni reaktor. Teorija predviđa da je iz njega izašlo oko tri četvrtine vodika i jedna četvrtina helija, uz tragove litija, a upravo to mjerimo u najstarijim zvijezdama i oblacima plina.

Prvih 13,8 milijardi godina

1. Djelić sekunde: prema teoriji inflacije, svemir se u sićušnom djeliću sekunde napuhao s veličine manje od atoma na veličinu grejpa. Sitne neravnine iz tog trenutka kasnije su postale sjeme galaksija.
2. Prve sekunde i minute: nastaju protoni i neutroni, a zatim, u prvih dvadesetak minuta, jezgre helija i litija.
3. 380 000 godina: elektroni se vežu za jezgre i nastaju prvi atomi. Svemir postaje proziran i svjetlost slobodno putuje. To je zračenje koje danas mjerimo kao mikrovalnu pozadinu.
4. Mračno doba: sljedećih stotinjak milijuna godina u svemiru nema zvijezda. Gravitacija polako skuplja plin i tamnu tvar u oblake.
5. Prve zvijezde i galaksije: nastaju nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska. Svemirski teleskop James Webb pronašao je galaksije koje vidimo kakve su bile manje od 300 milijuna godina nakon Velikog praska, sjajnije i zrelije nego što su astronomi očekivali.
6. Prije 4,6 milijardi godina: u Mliječnom putu, od oblaka plina obogaćenog elementima iz ranijih generacija zvijezda, nastaju Sunce i planeti. Ugljik, kisik i željezo u našim tijelima nastali su u zvijezdama koje su postojale prije Sunca.

Zašto je noću tamno?

Jedan od dokaza da svemir ima početak vidite svake vedre noći. Kada bi svemir bio beskonačan, vječan i nepromjenjiv, u kojem god smjeru pogledali, pogled bi prije ili kasnije završio na površini neke zvijezde. Cijelo nebo sjalo bi kao površina Sunca. To proturječje zove se Olbersov paradoks.

Odgovor je da svemir ima konačnu starost. Svjetlost je imala samo 13,8 milijardi godina da putuje do nas, pa vidimo samo zvijezde i galaksije unutar tog dometa, a ne beskonačno mnogo njih. Uz to, širenje svemira svjetlost najudaljenijih izvora razvlači u nevidljive valne duljine. Tamno noćno nebo, na kojem promatramo Mliječni put i daleke galaksije, zato je na neki način posljedica Velikog praska.

Pogled u daleke galaksije ujedno je i pogled u prošlost. Andromedinu galaksiju vidimo kakva je bila prije 2,5 milijuna godina, a najudaljenije galaksije na snimkama teleskopa Webb kakve su bile prije više od 13 milijardi godina. Više o tome pročitajte u članku Svjetlosna godina.

Što još ne znamo

• Tamna tvar. Galaksije se vrte prebrzo da bi ih na okupu držala samo vidljiva tvar. Nešto nevidljivo, oko pet puta više od obične tvari, svojom gravitacijom oblikuje galaksije i skupove galaksija, a ne znamo što je to. Više o tome pročitajte u članku Tamna tvar na Znanost.hr.
• Tamna energija. Godine 1998. astronomi su otkrili da se širenje svemira ubrzava, a za to je 2011. dodijeljena Nobelova nagrada. Uzrok je nazvan tamna energija i čini oko dvije trećine svemira. Nova mjerenja upućuju na to da bi se tamna energija mogla mijenjati s vremenom, ali to još nije potvrđeno.
• Koliko se brzo svemir širi. Mjerenja brzine širenja iz bliskih galaksija i iz mikrovalne pozadine daju različite rezultate. Ta razlika, nazvana Hubbleova napetost, možda krije novu fiziku.
• Što je bilo „prije”. Fizika kakvu poznajemo ne može opisati sam trenutak nastanka, kad su gustoća i temperatura bile beskonačne. Za taj trenutak potrebna je teorija koja ujedinjuje gravitaciju i kvantnu fiziku, a nju još nemamo.

Česta pitanja

Gdje se dogodio Veliki prasak?

Posvuda. Veliki prasak nije se dogodio na jednom mjestu u svemiru, nego se cijeli prostor počeo širiti. Točka u kojoj se sada nalazi Hrvatska bila je dio Velikog praska jednako kao i svaka druga.

Udaljavaju li se i zvijezde i planeti zbog širenja svemira?

Ne. Širenje se osjeća tek na udaljenostima između skupova galaksija. Planete, zvijezde i galaksije na okupu drži gravitacija. Najbliža velika galaksija, Andromeda, čak nam se približava brzinom od oko 110 kilometara u sekundi.

Postoje li drugi svemiri?

To ne znamo. Neke teorije, poput pojedinih inačica inflacije, predviđaju mnoštvo svemira, ali za to zasad nema dokaza. O tome pročitajte u članku Paralelni svemir na Znanost.hr.

Izvori: NASA Science (Universe), ESA Planck, NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope.