Cilvēka eksistences jautājumi ir nodarbinājuši ne mazums cilvēku prātu, tomēr cilvēka vecums, salīdzinot ar Visuma eksistēšanas laiku, ir niecīgs, tādēļ nozīmīgu vietu astronomu dienas kārtībā ieņem jautājumi par Visuma rašanos un evolūciju. Lai gan debess ķermeņi ir novēroti jau no pašiem cilvēces pirmsākumiem, tikai pēc dažādas novērojumu tehnikas un metožu attīstības, 1929. gadā Edvīns Habls, analizējot datus par maiņzvaigžņu – cefeīdu – periodiskajām spožuma maiņām, atklāja, ka Visuma objekti attālinās no Zemes. Tātad var secināt, ka attālumi starp objektiem Visumā palielinās un tas izplešas gluži kā balons, ko pamazām piepūš (1. att.).
1.att. Visuma izplešanās attēlojums
Ja Visums arvien izplešas, tad, pagriežot laiku atpakaļ, tam sākotnēji bija jābūt sakoncentrētam vienā punktā. Zinātnieki ir atklājuši, ka Visums neizplešas vienmērīgi, bet gan paātrināti. Šo Visuma paātrināto izplešanos var attēlot kā piltuvi, kuras vertikāle (y-ass) simbolizē laika ritējuma virzienu, bet rādiuss simbolizē Visuma izmērus (2. att.). Līdz ar to šādas piltuves rādiuss nepieaug vienmērīgi, jo arī Visums neizplešas vienmērīgi.
2.att. Paātrinātas Visuma izplešanās attēlojums
Iepriekš tika minēts: ja Visums arvien izplešas, tad, pagriežot laiku atpakaļ, tam sākotnēji bija jābūt sakoncentrētam vienā punktā, no kura sākusies tā attīstība. Šo Visuma attīstības scenāriju izskaidro ar Lielā sprādziena modeli, kas apraksta Visuma dzimšanu milzīgā sprādzienā un nosaka tā turpmāko attīstību. Šobrīd nav zināms, kas un kā īsti notika, jo nav pieejama informācija par tā laika notikumiem, tomēr, pamatojoties uz šajā brīdī uzkrātajām fizikas zināšanām, ir iespējams izstrādāt teorijas, kas skaidro Visuma dzīvi no pašiem pirmsākumiem. Lai gan Visumam ir 14 miljardu gadu, ļoti saspringti un nozīmīgi notikumi ritēja tieši tā pirmajās 10 dzīves sekundēs (3. att.), jo šajā laikā Visums atdzisa no 1032 K līdz 107 K un izveidojās tās elementārdaļiņas, no kurām šobrīd sastāv Visums. 300 000 gadu pēc Visuma rašanās ir nākamais nozīmīgais atskaites punkts, jo šajā vecumā veidojās pirmie ūdeņraža un hēlija atomi, kā arī no vielas atdalījās starojums. Tā kā starojums ir informācijas krātuve, kas ir saglabājusies līdz mūsdienām un kuru var izmantot Visuma attīstības izpētē, tad tieši šie 300 000 gadu pēc Visuma rašanās ir laiks, par kuru Visuma pētnieki var iegūt kādu informāciju.
3.att. Visuma attīstība pirmajos 300 000 gados
Tālāk Visuma attīstība vairs nenotika tik spraigos tempos, bet pamazām būvējās tā Visuma aina, ko redzam mūsdienās (4. att.)
Apskaties DZM materiālu par Visuma evolūciju, vai noskaties lekciju par Visuma attīstību!
4.att. Visuma attīstība lielos vilcienos
Attālumi Visumā ir ļoti milzīgi, tādēļ izmantošanas ērtībai tiek lietotas speciālas mērvienības. Viena no astronomijā lietotām mērvienībām ir gaismas gads (l.y.), kas ir attālums, ko gaisma vakuumā veic viena gada laikā. Ja šo attālumu pārrēķinātu kilometros, tad iznāktu 9,46 ∙ 1012jeb teju 10 triljonu kilometru. Piemēram, attālums līdz Saulei tuvākajai zvaigznei Centaura Alfa ir 4,4 gaismas gadi, bet mūsu galaktikas diametrs ir ap 100 000 gaismas gadu. Lielāka mērvienība ir parseks (pc), kura lielums ir ap 3,26 gaismas gadi. Šīs mērvienības lielumu iegūst tā: ja novērotājs stāvētu viena pc lielā attālumā no Saules, tad viņš Zemi redzētu vienu sekundi (1’’) lielā leņķī (1. att.). Starp citu, arī attālumam no Zemes līdz Saulei ir speciāla mērvienība – astronomiskā vienība (AU), kuras lielums ir ap 150 miljonu kilometru (1. att.).
1.att. Astronomijā lietotu attāluma mērvienību ilustrācija
Iepriekš tika minēts, ka Visuma objekti attālinās no Zemes, un tie to dara to ar ātrumu v, kas ir tieši proporcionāls attālumam R līdz Visuma objektam. Šo ātrumu (km/s) var izteikt kā v = H · R (Habla likums), kur
H – Habla konstante, km/(s·Mpc)
R – attālums līdz Visuma objektam, Mpc
Mērvienība Mpc ir megaparseks un 1 Mpc = 3,1·1022 m.
Tas nozīmē: ja grafikā atliek objektu attālināšanās ātrumu atkarībā no to attāluma līdz Zemei (2. att.), tad iegūst lineāru sakarību. Habla likumu var izmantot, lai aptuveni novērtētu Visuma vecumu. Pieņemot, ka Visuma izplešanās bijusi vienmērīga, Visuma objekti tā eksistēšanas laikā t veikuši attālumu R = v · t. Ievietojot šo lielumu Habla likumā, iegūst v = H·R = H·v·t, no kurienes, izsakot t, iegūst t = 1 : H ≈ 4,4·1017 s ≈ 13,7 miljardi gadu, kas ir aptuvens Visuma vecuma novērtējums.
2.att. Visuma objektu attālināšanās ātrums atkarībā no attāluma
Datus par galaktiku attālināšanās ātrumu var iegūt, izmantojot spektrālo analīzi un Doplera efektu gaismai. Doplera efekts izpaužas kā viļņa garuma maiņa atkarībā no tā, cik ātri un kurā virzienā pārvietojas viļņa avots. Piemēram, ja policijas automašīna ar ieslēgtu sirēnu brauc mūsu virzienā, tad sirēnas izdoto skaņas viļņu garums ir īsāks un mēs to dzirdam kā augstāku skaņu nekā tad, ja auto pārvietojas prom no mums. Tas pats ir arī ar gaismu un gaismas avota kustību, tikai, ja gaismas vilnim izmainās viļņa garums, tad, atšķirībā no skaņas, izmainās gaismas krāsa. Piemēram, ja mēs galaktikas spektrā apskatām spektrāllīniju, kas atrodas spektra violetajā daļā, tad, objektam kustoties ar ātrumu 1200 km/s, šī spektrāllīnija nobīdās uz sarkano spektra galu (3. att. a). Pieaugot objekta ātrumam, pieaug arī spektrāllīnijas nobīde (3. att. b, c), un, piemēram, ja ātrums ir sasniedzis 61 000 km/s, tad violetā spektrāllīnija jau ir kļuvusi par dzeltenu spektrāllīniju (3. att. d). Šādu līniju nobīdi sauc par sarkano nobīdi. Tā kā iepriekš noskaidrojām, ka pārvietošanās ātrums ir atkarīgs no objekta attāluma līdz Zemei, tad 3. att. labākai sapratnei klāt ir norādīts šāda objekta attālums megaparsekos (Mpc).
3.att. Spektrāllīnijas nobīdes lielums atkarībā no objekta pārvietošanās ātruma
Bet par cik tāliem objektiem mēs īstenībā varam iegūt informāciju? Šādā gadījumā nākas saskarties ar Visuma robežas jēdzienu, tomēr Visuma robežai ir cita nozīme nekā tam, ko mēs ikdienā saprotam ar jēdzienu robeža, jo kopumā Visumam tādas robežas īsti nav, tas tiek uzskatīts par bezgalīgu. Noskaidrojot jautājumu par objektiem, ko var ieraudzīt no Zemes, tiek apskatīts redzamais Visums jeb tā Visuma daļā, kuru var saskatīt no Zemes, bet tā ir tikai daļa no visa lielā Visuma. Redzamo Visumu var iedomāties kā gaišu riņķi visā lielajā Visumā, turklāt atšķirībā no Visuma kopumā redzamajai tā daļai ir robeža, un tā ir robeža, līdz kurai mēs varam objektus saskatīt (4. att.).
4.att. Redzamā Visuma robeža
Zinot, ka Visums ir aptuveni 14 miljardu gadu vecs, var domāt, ka redzamā Visuma robeža ir 14 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes jeb tādā attālumā, ko gaisma spēj noiet laikā, kas vienāds ar Visuma vecumu (5. att.). Līdz ar to redzamā Visuma diametrs būtu aptuveni 28 miljardi gaismas gadu.
5.att. Nepareizs redzamā Visuma lieluma novērtējums
Tomēr redzamā Visuma diametrs ir krietni lielāks par šiem 28 miljardiem gaismas gadu, un tas ir tādēļ, ka Visuma objekti kustas prom no mums. Piemēram, iedomāsimies galaktiku, kas, atrodoties attālumā R no Zemes, izstaro gaismu (6. att. a). Kamēr šī gaisma nonāk līdz Zemei jeb kamēr mēs šo galaktikas izstaroto gaismu ieraugām, galaktika jau ir pārvietojusies tālāk nekā attālumā R no Zemes. Ņemot vērā šo faktu, redzamā Visuma diametrs iznāk aptuveni 92 miljardi gaismas gadu (6. att. b), bet vēlreiz jāpiemin, ka tas ir redzamā Visuma lielums. Viss lielais Visums ir bezgalīgs, un tam izmēru un robežas nav.
6.att. Redzamā Visuma lieluma novērtēšana
Varētu domāt, ka Visums sastāv no tā, ko mēs tajā varam ieraudzīt, bet tā nav. Tikai 4 % no Visuma “sastāvdaļām” mēs varam tieši konstatēt (1. att.), pārējos 96 % veido tumšā matērija un tumšā enerģija, kuru eksistence ir jāpieņem, ja vēlamies izskaidrot Visumā notiekošo, bet ko tieši novērot nevaram. Domājams, ka tumšā matērija nodrošina galaktiku neizjukšanu, jo gravitācijas spēki, ko rada mums ierastā redzamā matērija, vieni paši būtu pa vājiem, lai saturētu galaktikas zvaigznes kopā pie esošajiem kustības ātrumiem. Savukārt tumšā enerģija nodrošina to, ka Visums izplešas paātrināti.
1.att. Visuma sastāvs
Apskatīsim tuvāk, kādēļ nepieciešama tumšā matērija un tumšā enerģija, lai izskaidrotu Visumā notiekošos procesus. Piemēram, ja automašīna brauc līkumā (2. att. a), tad pārāk liela ātruma dēļ automašīna var sākt slīdēt. Tas notiek tad, ja centrbēdzes spēks gūst virskroku pār berzes spēkiem. Līdzīgs piemērs ir, ja ar mikseri tiek maisīts olu kultenis. Ja mikseri apstādina un lāpstiņas izvelk no maisītā satura, tad daļa no satura spītīgi turas pie miksera lāpstiņām. Bet ja šādā gadījumā mikseri atkal ieslēdz, tad pie lāpstiņām pielipušais saturs aiziet “pa gaisu” (2. att. b). Tas notiek tādēļ, ka centrbēdzes spēks pārspēj spēkus, kuru dēļ maisītais saturs pie lāpstiņām turējās.
2.att. Automašīnas izslīdēšana līkumā (a) un ķēpa ar mikseri (b)
Ja šo piemēru kontekstā mēs apskatām Visumā esošu galaktiku, tad redzam, ka līdzīgi kā piemēros galaktika ir pakļauta rotācijas kustībai. Visi galaktikai piederošie ķermeņi riņķo ap galaktikas centru (3. att.). Līdzīgi kā berze notur automašīnu līkumā, lai tā neizslīd, gravitācijas spēki notur galaktiku kopā, lai rotācijas rezultātā radušais centrbēdzes spēks galaktikas ķermeņus neizmētā uz visām pusēm. Gravitācijas spēka avots ir galaktikas ķermeņi, kuriem piemīt masa, turklāt šo masu ir iespējams izrēķināt, veicot novērojumus no Zemes. Arī galaktikas rotācijas ātrumu ir iespējams noteikt, tomēr izrādās, ka ar gravitācijas spēkiem, kas rodas no visiem redzamajiem galaktikas ķermeņiem, ne tuvu nepietiek, lai saturētu galaktiku kopā. Pēc aprēķiniem iznāk, ka galaktikai vajadzētu būt nestabilai un pie esošajiem rotācijas ātrumiem izjukt. Tādēļ bija jāpieņem, ka galaktiku ieskauj kāds neredzams tumšās matērijas tīkls, kas nodrošina nepieciešamo gravitācijas spēku, lai galaktikas saturētu kopā.
3.att. Rotējoša galaktika
Lai gan tumšo matēriju nevar ieraudzīt, astronomi ir izveidojuši 3D kartes, kurās norādīta tumšās matērijas atrašanas vieta, un tas ir iespējams viena efekta dēļ, kuru vienādi izraisa gan redzamā, gan neredzamā matērija. Salīdzinājumam – piemērs: kā zināt, ka uz acīm ir brilles, ja nevar tās sajust? Mēs redzam, ka briļļu lēcas izmaina gaismas stara virzienu. Līdzīgu efektu gaismai izraisa jebkurš ķermenis, kuram piemīt masa, – tas noliec gaismu, un, jo lielāka ir ķermeņa masa, jo vairāk gaisma tiek noliekta. Ikdienā mēs šo efektu nenovērojam, jo uz Zemes esošo ķermeņu masa ir pārāk niecīga, lai efekts būtu pamanāms, bet veselas galaktikas masa ir pietiekoša, lai efekts būtu ļoti izteikts.
4.att. Optiskā lēca
5. attēlā redzams gravitācijas lēcas piemērs. Ja novērotājs atrodas uz Zemes un vēlas ieraudzīt tālu esošu galaktiku, tad varētu likties, ka novērojuma ceļā esoša cita galaktika varētu šo novērošanu traucēt, tomēr “traucējošā” galaktika šajā gadījumā darbojas kā gravitācijas lēca, kas no novērojamās galaktikas nākošo gaismu noliec, un tā var nonāk līdz novērotājam, kurš galaktiku nu redz gan pa labi, gan pa kreisi no gravitācijas lēcas (5. att.). Astronomi, analizējot galaktikas kā gravitācijas lēcas un zinot, kur atrodas redzamā matērija, var izskaitļot tumšās matērijas atrašanās vietu, jo tā uz gaismu iedarbojas tieši tāpat kā redzamā, mums pierastā matērija.
5.att. Gravitācijas lēca
Bet arī redzamā un tumšā matērija kopā veido tikai 25 % no Visuma. Lielākā daļa jeb 75 % pieder tumšajai enerģijai (1. att.). Sākotnēji doma par Visuma izplešanos bija līdzīga kā par gaisā pamestu priekšmetu: ja mēs vertikāli izsviežam, piemēram, ābolu (6. att.), tad tas kustas prom no mums, bet tā ātrums samazinās, līdz vienā brīdī tas vispār apstājas. Līdzīga bija doma par Visumu. Tas izplešas, bet izplešanās ātrums samazinās. Liels bija zinātnieku šoks, kad, izmantojot 2. solī aprakstīto spektrālanalīzes sarkano nobīdi, tika noskaidrots, ka Visums izplešas paātrināti. Situācija būtu pielīdzināma tam, ka jūs pamestu gaisā ābolu, un tas ar paātrinājumu aizlidotu prom no Zemes, sasniedzot arvien lielāku un lielāku ātrumu (6. att.).
6.att. Zemes gravitācijas laukā izmests objekts, ja uz to darbotos tumšā enerģija
Sadaļā par Ņūtona likumiem noskaidrojām: lai ķermeņiem piešķirtu paātrinājumu, ir nepieciešams spēks. Tā kā ar līdz šim zināmajām sakarībām Visuma paātrinātu izplešanos nevarēja izskaidrot, tad nu nācās pieņemt, ka pastāv tumšā enerģija, kas nodrošina Visuma paātrinātu izplešanos. Ja Visumu iedomātos kā atsperi, tad tumšā enerģija būtu spēcīgs tēvainis, kas ar lielu spēku šo atsperi izstiepj (7. att.).
7.att. Tumšās enerģijas spēks iedarbojas uz Visumu