Co je vesmír? Vesmír je všechno, co existuje planety, hvězdy, galaxie a prostor mezi nimi. Součástí vesmíru je dokonce i čas. Nikdo neví, jak je vesmír velký nebo kde začíná a končí. Všechno je tak daleko od naší malé planety, že světlu hvězd a galaxií trvá miliardy let, než k nám doletí, a proto vidíme vzdálený vesmír takový, jaký byl před miliardami let. Informaci, kterou toto světlo nese, však můžeme využít k tomu, abychom se dozvěděli, jak vesmír začal a jak asi skončí. SVĚTELNÉ ROKY, JAK VYPADAL raný vesmír, to můžeme zjistit pomocí různých druhů dalekohledů. Představ si... Světlo cestuje prázdným prostorem rychlostí 300 000 kilometrů za sekundu. Touto rychlostí by světelná vlna obletěla celou zeměkouli sedmkrát za jedinou sekundu. Dalekohledy jsou jako stroje času. Zachytávají světlo, které putuje od vzdálených hvězd a galaxií. To znamená, že tyto objekty vidíme v okamžiku, kdy se jejich světlo vydalo na cestu před tisíci, nebo dokonce miliardami let. Astronomové měří velikost vesmíru ve světelných rocích. Světelný rok je vzdálenost, kterou světlo urazí na jeden rok přibližně 9,5 bilionu kilometrů. Světlu z nejvzdálenějších galaxií, na které můžeme dohlédnout, trvala cesta k nám kolem 13 miliard roků. Vidíme je dnes tak, jak vypadaly dlouho před tím, než se zrodilo Slunce a Země. BUDOUCÍ VESMÍR Po mnoho let se vědci domnívali, že působení gravitace hvězd a galaxií postupně zpomalí rozpínání vesmíru. Současná pozorování však nasvědčují tomu, že expanze se zrychluje. Kdyby to byla pravda, galaxie se budou od sebe stále více vzdalovat. Nebudou se tvořit nové hvězdy, černé díry zmizí a vesmír skončí jako chladný, tmavý, mrtvý a prázdný prostor. 38
NĚCO NAVÍC... Můžeme pozorovat a měřit tři dimenze prostoru výšku, šířku a hloubku. Čtvrtou dimenzí je čas. Vědci se domnívají, že vesmír může mít přinejmenším šest dalších, skrytých dimenzí. Všechny jsou stočené jedna v druhé a nekonečně malé. u KDYŽ SE OBJEKTY pohybují od nás, jejich světelné spektrum se mění. Změřením odchylky můžeme zjistit, jak rychle se vzdalují. hvězda Země CO JE VESMÍR? Měření vzdáleností Pro měření vzdáleností ve vesmíru existuje důmyslná metoda. Mnohé galaxie jsou tak daleko, že jedinou možností je vzít si na pomoc světlo. Vzhledem k tomu, že se vesmír rozpíná a prostor se roztahuje, vlnová délka světla od objektů se také zvětšuje. Všechny tmavé čáry v jejich spektru jsou posunuty k červenému konci a tomuto jevu se říká rudý posuv. Zjištěním jeho velikosti mohou vědci spočítat vzdálenost určité galaxie a rychlost jejího vzdalování. Nejstarší a nejrychleji se vzdalující galaxie jsou ty, které mají největší rudý posuv. Tvar vesmíru Protože žijeme uvnitř vesmíru, je pro nás těžké si představit, že má nějaký tvar. Vědci si však myslí, že tvar má a že závisí na hustotě hmoty. Jestliže je větší než kritická mez, pak je vesmír takzvaně uzavřený. Pokud je menší, říkáme, že je vesmír otevřený (sedlového tvaru). Podle pozorování z družic se nyní zdá, že vesmír je velmi blízko kritické hodnotě a popisuje se jako plochý. Dokonale plochý vesmír nemá žádné hranice a bude se navždy rozpínat., VŠECHNY hvězdy, prach a plyn, které vidíme na obloze, tvoří pouze malou část vesmíru. Většina vesmíru je ze záhadné neviditelné temné hmoty a temné energie ( str. 62 63). otevřený uzavřený plochý MNOHOČETNÉ VESMÍRY? Je náš vesmír jediný, nebo existují další vesmíry, které nevidíme? To nikdo neví, ale někteří vědci se domnívají, že jiných vesmírů může být dokonce velmi mnoho. Celé by se to mohlo podobat obrovské bublinkové pěně, v níž některé vesmíry ještě nejsou nafouklé. V některých možná platí jiné fyzikální zákony a mají jiné dimenze než náš vesmír. Teoreticky by mohl být dokonce spojen jeden vesmír s druhým rotující černou dírou. Ať je to tak nebo tak, žádný vesmír nemůže ovlivnit nic v našem vesmíru, a proto je nemožné zjistit, zda existuje. 39
Zrození vesmíru Podle vědců se vesmír zrodil v obrovském výbuchu před 13,7 miliardy let. Tento takzvaný velký třesk byl začátkem všeho: času a prostoru, stejně jako hmoty a energie ve vesmíru. INFLACE V prvním okamžiku byl novorozený vesmír neuvěřitelně malý a nepředstavitelně horký a hustý. Energie této ohnivé koule se přeměnila na hmotu a antihmotu. Potom se vesmír začal rozpínat a chladnout. Po zlomek sekundy byla expanze poměrně pomalá, ale pak se vesmír prudce rozepnul. Od té doby se soustavně rozpíná a možná, že se rozpínání dokonce zrychluje. d MODRÁ A PURPUROVÁ barva znázorňuje rentgenové záření, které vzniká při srážkách vysokoenergetických částic hmoty a antihmoty proudících z bílého pulzaru (uprostřed obrázku). VELKÝ TŘESK Čas Teplota 1 Vesmír se začíná zvětšovat z nekonečně malého bodu na velikost grapefruitu. Tím se spustí přeměna obrovského množství počáteční energie na hmotu a antihmotu. 1 0 sekund Výbuch kvarky elektrony u K NEJBĚŽNĚJŠÍM ČÁSTICÍM dnešního vesmíru patří kvarky a elektrony. Jsou to stavební kameny všech atomů. Hmota a antihmota V kratičkém okamžiku po velkém třesku se nesmírná prvotní energie přeměnila na částice hmoty a zrcadlové částice antihmoty. Když se tyto dva typy setkají, navzájem se zničí v záblesku záření. V případě, že by vznikl stejný počet částic a jejich antičástic, navzájem by se zrušily. Ovšem vše, co vidíme ve vesmíru, se skládá zejména z hmoty. Jako jediné vysvětlení se nabízí, že z nám neznámého důvodu velký třesk vytvořil nepatrně víc hmoty než antihmoty. 40
Co nastalo nejdřív? Nebylo žádné před velkým třeskem, protože neexistoval prostor a čas. Po velkém třesku se začal zvětšovat prostor a plynout čas. Ale ani jedno nemohlo odstartovat bez druhého. Vědcům trvalo roky, než tuto fascinující skutečnost pochopili! Teď už má vesmír velikost fotbalového hřiště. Obrovské množství částic hmoty a antihmoty se sráží a navzájem ničí, přičemž vzniká energie. PRVNÍ TŘI MINUTY Během prvních tří minut se vesmír ochladil z nepředstavitelného žáru na méně než miliardu kelvinů. V téže době se rozepnul z oblasti několikamiliardkrát menší než atom do velikosti naší Mléčné dráhy. 2 3 4 Vesmír se náhle nafukuje a začíná se ochlazovat. Tvoří se nové druhy částic hmoty, včetně kvarků a elektronů. Vesmír je stále příliš horký na to, aby v něm přežily atomy, ale kvarky se již sdružují a vytvářejí těžší částice, zvláště protony a neutrony. 2 10 43 sekundy 35 3 10 sekundy 4 10 7 sekundy 3 minuty 32 10 K 27 10 K 14 10 K 8 10 K u Písmeno K označuje jednotku kelvin, která se v astronomii používá pro vyjádření teploty. Nula kelvinů se rovná 273,15 C a je to nejnižší možná teplota, které může cokoli ve vesmíru dosáhnout. VZNIK ATOMŮ proton neutron jádro helia Protony a neutrony jsou částice obsahující po třech kvarcích. Jakmile byl v rozpínajícím se vesmíru dostatek protonů a neutronů, začaly vytvářet jednoduchá atomová jádra základ atomů vodíku a helia. Z těchto dvou druhů atomů je složena většina hvězd. V prvních třech minutách velkého třesku vznikly téměř všechny atomy vodíku a helia přítomné ve vesmíru. 41
Hvězdám, galaxiím a planetám trvalo stovky milionů let, než začaly zaplňovat vesmír. Kdyby vesmír postupně nevychládal, nikdy by nemohly vzniknout atomy. ZAMLŽENÝ VESMÍR Uplynulo zhruba 300 000 let, než vznikly první atomy. Jejich tvorba mohla být zahájena, až když teplota vesmíru klesla na asi 3 000 K. V tomto chladnějším prostředí už protony a atomová jádra dokázaly k sobě připoutat extrémně maličké částice zvané elektrony a vytvořily spolu atomy. Až do tohoto okamžiku byl vesmír zamlžený světlo nemohlo cestovat daleko v přímém směru, protože se neustále odráželo od volných částic. Tato mlha způsobuje, že nemůžeme vidět nic z toho, co se tehdy odehrávalo dokonce ani těmi nejmocnějšími dalekohledy. 300 000 let 3 000 K CO JE ATOM? Atom je nejmenší částice hmoty, která může existovat sama o sobě. Jeho jádro je složeno z protonů a (kromě nejjednoduššího vodíku) neutronů a obklopeno elektrony. Počet protonů, neutronů a elektronů určuje, o jaký atom se jedná. Atomy stejného druhu tvoří prvky. Když explodovaly první hvězdy jako supernovy, z energie výbuchu se zrodily nové, těžší prvky například uhlík, kyslík a železo. Tento proces pokračuje dodnes. 42
ZÁKLADNÍ SÍLY PRVNÍ HVĚZDY Asi 200 milionů let po velkém třesku se obrovské oblaky plynného vodíku a helia zahušťovaly. Vlivem gravitace se nakonec zhroutily do hustých shluků atomů. Dalším smršťováním se rozehřívaly, až v nich vzplály první hvězdy. Tyto hvězdy neměly dlouhého trvání, brzy explodovaly a z jejich materiálu se vytvořily další hvězdy. VZNIK GALAXIÍ Galaxie se začaly formovat brzy po vzniku prvních hvězd. Husté oblaky plynu a mladé hvězdy byly k sobě přitahovány gravitací a temnou hmotou, až se vytvořily malé galaxie a nové hvězdy. Postupně se tyto galaxie spolu střetávaly a vznikaly větší galaxie. Velký třesk stvořil také čtyři základní síly, které ovlivňují vesmír. Jsou to gravitace, elektromagnetická síla, slabá jaderná síla a silná jaderná síla. Gravitace je síla, která udržuje planety na dráze kolem hvězd. Elektromagnetismus má souvislost s elektřinou a magnetismem. Slabá jaderná síla určuje, jak hvězdy svítí, zatímco silná jaderná síla drží pohromadě protony a neutrony v atomovém jádru. Měsíc je na oběžné dráze kolem Země udržován gravitací. 200 milionů let 500 milionů let 100 K 10 K Současnost 2,7 K STROJ NA VELKÝ TŘESK u RELIKTNÍ ZÁŘENÍ je nejlepším důkazem velkého třesku. Označuje místa, v nichž teplota klesla natolik, že se mohly tvořit atomy. Žhnoucí uhlíky velkého třesku Třebaže nemůžeme vidět žádné světlo z velkého třesku, můžeme zachytit slabé záření známé jako reliktní záření, které přichází ze všech stran oblohy. Toto zbytkové záření ukazuje, jak vypadal vesmír 300 000 let po svém vzniku. Mapa ukazuje teplejší a chladnější oblasti. První galaxie pravděpodobně vznikly v místech, kde byl plyn o něco chladnější a hustší (modrá barva). Vědci se nemohou podívat, jak vypadal vesmír ihned po velkém třesku. Staví proto obrovská zařízení, která jim umožní se o něm dozvědět co nejvíc. Nejpokročilejší je Velký hadronový srážeč ve švýcarském CERN, který stál 4 miliardy dolarů. Vědci se v něm pokoušejí napodobit velký třesk tak, že proti sobě vypouštějí rychle letící svazky protonů, přičemž vzniká 800 milionů srážek za sekundu. Z těchto srážek by mělo vzejít množství nových částic a možná i napodobení vesmíru v jeho úplném počátku. 43
100 miliard galaxií Kamkoli se na obloze podíváme, tam je vesmír plný galaxií obrovských hvězdných soustav, které dohromady poutá gravitace. První galaxie se vytvořily za méně než 1 miliardu let po zrození vesmíru velkým třeskem. OBŘI A TRPASLÍCI Ve vesmíru existuje nejméně 100 miliard galaxií. Některé jsou ohromné, se stovkami miliard hvězd. Jiné jsou mnohem menší, neobsahují ani milion hvězd. Trpasličích galaxií je významně víc než obřích, dokonce i přes skutečnost, že časem bývají pohlceny svými většími sousedkami. My žijeme v galaxii zvané Mléčná dráha (či Galaxie), která má asi 200 miliard hvězd. 44
100 MILIARD GALAXIÍ GALAXIE M51 POD LUPOU: VÍR Do poloviny 19. století astronomové objevili na noční obloze mnoho mlhavých skvrnek, které nazvali mlhoviny. Aby o nich zjistil víc, sestrojil lord Rosse toho času největší, 1,8metrový dalekohled. Prováděl s ním první pozorování objektu nyní známého jako Vírová galaxie (M51). Jeho kresba této galaxie pochází z roku 1845. V různém záření Galaxie mají mnohé rysy, které se neprojevují ve viditelném světle. Aby se zjistila skutečná povaha galaxie, je třeba ji pozorovat různými přístroji na různých vlnových délkách. Obrázek galaxie M51 nahoře je složen ze snímků čtyř dalekohledů. Jeden ukázal rentgenové záření z okolí černých děr, od neutronových hvězd a horkého mezihvězdného plynu (fialová), infračervený a optický přístroj odhalily hvězdy, plyn a prach ve spirálních ramenech (červená a zelená). Mladé horké hvězdy, které produkují množství ultrafialového záření, jsou modré. ZWICKY 18 u M51 neboli Vírová galaxie je od Země vzdálená asi 30 milionů světelných let. Na obrázku Hubbleova dalekohledu je Zwicky 18, trpasličí galaxie vzdálená 60 milionů světelných let. PLYNNÉ GALAXIE HUBBLEOVO HLUBOKÉ POLE V říjnu 1998 se Hubbleův dalekohled po dobu 10 dní zaměřil na malou oblast vesmíru a naskytl se mu dosud nevídaný pohled tisíce galaxií vzdálených až 12 miliard světelných let. Byly mezi nimi spirální galaxie, jako je naše, ale i eliptické a nepravidelné galaxie, pošramocené srážkami. Některé galaxie jsou velké, ačkoli mají málo hvězd. Takové galaxie obsahují převážně jen plyn, proto se na snímcích jeví jako šmouha na obloze. Příkladem je galaxie Malin 1, která má plynu jako 1 000 galaxií podobných Mléčné dráze. Zdá se, že v ní teprve začínají vznikat hvězdy. Její rozlehlý, pustý disk je šestkrát větší než disk Mléčné dráhy. U spodního okraje obrázku je bližší, běžná galaxie. Šipka míří ke galaxii Malin 1. Lépe je vidět na tomto upraveném snímku. 45
Vznik galaxií Galaxie existují již mnoho miliard let ale kde se vzaly? Astronomové se dnes pomocí observatoří mohou dívat zpět do raného vesmíru. Obrázky z minulosti ukazují neuspořádané galaxie v divokých srážkách. Mohl by to být způsob, jak vznikaly první galaxie? u ZKOUŠKA TEORIE Počítačový model ukazuje shlukování hmoty do pramenů působením gravitace. V těchto pramenech vznikají první galaxie. CO SE STANE? Na vznik galaxií existují dvě teorie. Podle jedné se obrovský oblak plynu a prachu smrští a vytvoří se galaxie. Druhá teorie předpokládá, že hvězdy se rodí v malých skupinkách, které se později spojují do větších skupin, posléze galaxií a nakonec skupin galaxií. Změna tvaru Mnoho galaxií začíná život jako malá spirála, která se později změní na větší elipsu, často jako výsledek srážky. To neznamená, že galaxie do sebe přímo narazí mezi hvězdami v galaxiích jsou natolik rozlehlé prázdnoty, že se galaxie jen vzájemně prostoupí. I to ovšem změní jejich tvar. u MLADÁ SPIRÁLA NGC 300 je spirální galaxie s množstvím hvězdných porodnic. 46 u PŘECHOD K DOSPĚLOSTI Jak galaxie stárne, je v ní méně oblastí vzniku hvězd. u STARÁ ELIPSA Velká eliptická galaxie chudá na plyn obsahuje staré hvězdy.
Výstřední případ Hoagův objekt je velmi neobvyklá galaxie. Vůbec nevypadá jako ostatní nepravidelné, spirální nebo eliptické galaxie. Tvoří ji kruh mladých modrých hvězd obklopujících žluté jádro starých hvězd. VZNIK GALAXIÍ JAK VZNIKÁ SPIRÁLA Podle většiny vědců raný vesmír vyplňovaly vodík a helium. Někteří z nich soudí, že oblaky plynu a prachu, smršťující se a rotující pod vlivem gravitace, vytvořily spirální galaxie. u MODRÝ KRUH Kruhu dominují skupiny horkých modrých hvězd. Mohou to být pozůstatky srážky s jinou galaxií. u PŘIBLÍŽENÍ Oblaky prachu, plynu a hvězd se k sobě gravitačně přitahují., KOUŘÍ! Doutníková galaxie je nepravidelná galaxie s mnoha oblastmi překotného zrodu hvězd. V mladých galaxiích se tvoří více hvězd než ve starých. u OTÁČENÍ Kolabující oblak se vlivem gravitace otáčí. Tvoří se nové hvězdy a obíhají střed útvaru. TYPY GALAXIÍ Podle tvaru a uspořádání hvězd rozeznáváme tři typy galaxií. Nepravidelné galaxie obsahují množství plynu, prachu a horkých modrých hvězd, ale nemají žádný určitý tvar. Často bývají výsledkem srážky dvou galaxií. Eliptické galaxie jsou kulaté, oválné nebo doutníkové systémy hvězd. Obvykle se v nich vyskytují velmi staré červené a žluté hvězdy, mezi nimiž je jen málo plynu a prachu. Spirální galaxie jsou ohromné ploché disky plynu a prachu s navinutými rameny. u ZPLOŠŤOVÁNÍ Otáčení způsobí, že se oblak zploští a vytvoří galaktický disk prachu, plynu a hvězd. u NEPRAVIDELNÁ Tyto galaxie mohou mít i náznaky spirálních ramen. u ELIPTICKÁ Neobsahují žádný plyn, a proto se v nich nemohou tvořit nové hvězdy. u SPIRÁLNÍ Velmi pomalu se otáčejí, přibližně jednou za několik set milionů let. u NÁSTUP RAMEN Jak se disk otáčí, začínají se odvíjet spirální ramena. 47