Tudományos tanácskozással ünneplik az ősrobbanást a Vatikánban

Az ősrobbanás, az univerzum keletkezésének kezdő pillanata, az elméleti fizika legnagyobb, máig nem pontosan tisztázott kérdése

Tudományos tanácskozással ünneplik az ősrobbanás elméletét a Vatikánban, ezzel is bizonyítandó, hogy az istenhit és a tudomány nem összeegyeztethetetlen. Az elmúlt években új forradalom bontakozott ki az elméleti fizika és napjaink egyik legizgalmasabb kérdése, az ősrobbanás-kozmológia területén. 

Gravitációs hullámok és tér-idő szingularitások a Vatikánban

Vezető tudósokat és kozmológusokat hívtak meg a Vatikáni Csillagvizsgálóban ma kezdődő négynapos tanácskozásra, amelyet az ősrobbanás elméletének egyik atyjaként számon tartott belga katolikus pap és fizikus, George Lemaitre (1894–1966) halálának fél évszázados évfordulója alkalmából hirdettek meg „Fekete lyukak, gravitációs hullámok és tér-idő szingularitások” címmel.

Archív fotó a Vatikáni Csillagvizsgáló refraktorjáról Forrás: Vatican Observatory

„Lemaitre megértette, hogy időben visszatekintve az univerzumnak eredetileg nagy energiasűrűségű állapotban kellett lennie, egyfajta ősatomként kellett léteznie, amelyből minden kiindult” – olvasható a tanácskozásról kiadott közleményben.

Teológia és asztrofizika

A vatikáni csillagvizsgáló vezetője, Guy Consolmagno szerint

Lemaitre kutatásai azt bizonyítják, hogy egyszerre lehet hinni Istenben és az ősrobbanás elméletében.

„Lemaitre azonban gondosan emlékeztetett mindenkit arra, hogy Isten teremtő aktusa nem olyan valami, ami 13,8 milliárd éve történt, hanem ma is folyamatosan történik” – tette hozzá.

George Lemaitre belga csillagász és fizikus, az ősrobbanás-elmélet atyja Forrás: Wikimedia Commons

„Pusztán azt hinni, hogy Isten hozta létre az ősrobbanást, azt jelentené, hogy Istent egy természeti istenség szintjére redukáljuk, például villámokat hajigáló Jupiterére. A keresztények egy természetfölötti Istenben hisznek, aki az univerzumot létrehozta, míg a tudomány azt mondja el nekünk, hogyan tette mindezt” – fejtegette Consolmagno.

A nulladik másodperc

Georges Lemaitre-t, a Louvaini Római Katolikus Egyetem fizika- és csillagászatprofesszorát Edwin Powell Hubble amerikai csillagász felfedezése gondolkodtatta el.

Edwin Powell Hubble amerikai csillagász, a vöröseltolódás felfedezője Forrás: Time /Margaret Bourke-White

Hubble 1929-ben felfedezte, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb a színképében a vöröseltolódás,

azaz a távolságával arányosan egyre nagyobb sebességgel távolodik tőlünk, pontosabban a földi megfigyelőpontunkhoz képest.

A hozzánk legközelebbi, 2,5 millió fényév távolságra fekvő csillagváros, az Androméda-galaxis Forrás: NASA/Hubble Space Telescope

Lemaitre a világegyetem tágulásának tényéből kiindulva arra a következtetésre jutott, hogy visszafelé haladva az időben kellett lennie egy olyan pillanatnak, a nulladik másodpercnek, amikor az univerzumot alkotó anyag egyetlen pontban, „atomban” sűrűsödött össze.

A világegyetem keletkezése, az ősrobbanás pillanatában az univerzum anyaga egyetlen pontba sűrűsödött össze Forrás: Getty Images/(c) BjArn Kindler/Bjarn Kindler

Elméletét „ősatom” néven 1931-ben publikálta.

A később ősrobbanásként vagy „nagy bummként” ismertté vált tudományos elmélet felfogásában az ősrobbanás az a kezdő pillanat, amikor mintegy 13,8 milliárd évvel ezelőtt a napjainkban is megfigyelhető világegyetem kialakult, és elkezdődött a tágulása.

Einstein legnagyobb tévedése

Az ősrobbanásból az következik, hogy az univerzum jelenlegi állapota jelentősen eltér mind a múltbeli, mind pedig a jövőbeli állapotától. Az ősrobbanás teóriája eleinte egyáltalán nem volt magától értetődő sem a csillagászok, sem pedig az elméleti fizikusok körében. Maga Albert Einstein, a 20. század és az egyetemes tudománytörténet egyik legnagyobb elméleti fizikusa is először úgy gondolta, hogy az általa feltételezett végtelen korú és változatlan univerzum statikus entitás.

Albert Einstein utóbb élete legnagyobb tévedésének nevezte a statikus univerzum modelljét Forrás: Wikimedia Commons

Einstein az úgynevezett kozmikus állandó bevezetésével vélte feloldhatónak azt a problémát, hogy a csillagok nem zuhannak egymásba a saját gravitációjuk miatt. Hubble felfedezése után azonban a híres tudós

élete legnagyobb tévedésének nevezte

és végleg elvetette a statikus világegyetem elméletét.

Gamow atommagokat keletkeztető forró ősuniverzuma

Lemaitre hipotézisét George Gamow orosz származású amerikai fizikus fejlesztette tovább, aki Fred Hoyle brit asztrofizikussal szemben, az ősrobbanás-elmélet elszánt hívévé és védelmezőjévé vált. Gamow volt az első, aki az ősrobbanás elméletét elfogadva megpróbálta kiszámítani, hogyan keletkezhettek az első elemek.

George Gamow orosz származású amerikai asztrofizikus Ann Blythe színésznő társaságában Forrás: Pinterest

Eleinte úgy vélte, hogy az ősuniverzumnak a nulladik pillanatban nagyon sűrű és forró neutrongázból kellett állnia.

Ilyen körülmények között ugyanis a neutronok gyorsan egy protonná illetve neutronná bomlanak el, és ezekből alakult ki az univerzum ősanyaga, a hidrogén.

Az intersztelláris porból és gázból álló Lófej-köd az Orion-csillagképben. Az univerzum ősanyaga a hidrogén Forrás: NASA/Hubble Space Telescope

Kellőképpen sűrű és forró viszonyok között az ütköző protonok először deutériummá állnak össze, majd végül azok további ütközése a kellően stabil hélium-atommagok (alfa-részecskék) kialakulásához vezet. További számítások segítségével azt is megállapította, hogy ebben a folyamatban a héliumnál nehezebb elemek nem alakulhattak ki, mivel a világegyetem tágulásával és lehűlésével megszűnnek a magfúzió feltételei.

Már 1948-ban megjósolta a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást

Gamow 1948-ban elméletileg megjósolta, hogy az ősrobbanás a magfúzió miatt ugyan nagyon forró volt, ám a hőmérséklet egy határértéknél nem lehetett forróbb, ugyanis ebben az esetben a fotonok szétszakították volna az alfa-részecskéket, azaz a hélium-atommagokat.

Fred Hoyle, neves brit csillagász Gamowval szemben a statikus világegyetem teóriáját vallotta Forrás: Hoyle.org.uk

Gamow Ralph Alpherrel és Robert Hermannal közösen kiszámította, hogy

a héliumot keletkeztető magfúzióhoz egymilliárd foknál nagyobb hőmérsékletre volt szükség,

majd ezt követően, az ősrobbanás után 10 K-nál (Kelvin-foknál) alacsonyabb hőmérsékletű mikrohullámú háttérsugárzásnak kellett visszamaradnia a táguló univerzumban.

A két Nobel-díjas amerikai asztrofizikus, Penzias és Wilson, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás felfedezői Forrás: Pinterest

Gamow sokak által vitatott hipotézisét,

a mikrohullámú háttérsugárzás tényét két amerikai csillagász, Arno Penzias és Robert W. Wilson 1965-ben megfigyelésekkel is igazolta.

A két tudós számára Nobel-díjat érdemlő felfedezés az addig csak elméletileg feltételezett ősrobbanás legfontosabb bizonyítéka.

Új forradalom az ősrobbanás-kozmológiában

Az ősrobbanás-kozmológiában az 1990-es évek végétől új forradalom kezdett kibontakozni, az egyre pontosabb megfigyeléseket biztosító rendkívüli technológiai fejlődésnek és a légkörön kívülre juttatott megfigyelőeszközöknek, a Hubble-űrtávcsőnek, illetve más kozmikus mérőplatformoknak köszönhetően.

A Hubble-űrtávcső karbantartását végzi a Discovery űrsikló személyzete egy 2008-as misszió során Forrás: NASA/ESA

Az egyre bővebb és pontosabb adatok lehetővé tették az ősrobbanás paramétereinek minden korábbinál részletesebb megfigyelését,

amelyek egy új váratlan felfedezést hoztak, a gyorsulva táguló univerzumról,

és az ennek hátterében álló rejtélyes sötét anyagról, illetve energiáról. Gamow tudománytörténeti jelentőségű elméletét az elemek kialakulásáról szintén tovább árnyalták a modern eszközökkel végrehajtott mérések és megfigyelések.

Születési aszimmetria: az egymást megsemmisítő anyag és antianyag

A legújabb eredmények tükrében a korai univerzumot a hihetetlenül nagy energiasűrűség, illetve az ezzel együtt járó hőmérséklet és nyomás egyenletesen töltötte ki. Az úgynevezett Planck-korszak után 10^-35 másodperccel később kialakult fázisátmenet vezetett el a világegyetem exponenciális növekedéséhez, amelyet kozmikus inflációnak neveznek az asztrofizikusok.

A világegyetem és az elemi részecskék, illetve az égitestek időbeli kialakulásának folyamatát ábrázoló infografika Forrás: NASA/Wikimedia Commons

Amikor ez leállt, akkor az anyag még kvark-gluon plazmaállapotban létezett. (A kvark-gluon halmazállapot az anyagnak az a fázisa, ami csak rendkívül magas hőmérsékleten és nyomáson jön létre, és amely gluonokból, illetve csaknem teljesen szabad kvarkokból áll, azaz az anyag teljes, alapvető részecskéire való bomlását jelenti.)

Az ősrobbanás, az univerzum keletkezésének kezdő pillanata, az elméleti fizika legnagyobb, máig nem pontosan tisztázott kérdése Forrás: Space Wallpapers

A világegyetem tágulása az univerzum további lehűléséhez és egy olyan fázismenethez vezetett, amelyben a kvarkok és gluonok barionokká, protonokká és neutronokká álltak össze,

létrehozva az anyag és antianyag közötti aszimmetriát.

(Az antianyagban a protont, a neutront és az elektront az antiproton, antineutron és a pozitron helyettesíti. Ha az antianyag közönséges anyaggal találkozik, mindkettő megsemmisül.)

Amikor az atomok a születésnapjukat ünnepelték

A világegyetem további lehűlésével újabb aszimmetrikus fázisátmenet lépett fel, létrehozva az elemi részecskék és a fizikai erők mai formáit. Az univerzum lehűlése az anyagmozgás lelassulásához és az úgynevezett nyugalmi tömeg kialakulásához vezetett,

amelyben az energiasűrűséget már nem a sugárzás, hanem a gravitáció uralta.

Az NGC 4038 és NGC 4039 spirálgalaxisok Forrás: NASA/ESA/Hubble Space Telescope

A számítások szerint a nulladik pillanattól a nyugalmi tömeg kialakulásáig tartó időszak mintegy 380 ezer évet vett igénybe. Az atommagok és az elektronok atomokká álltak össze, ami a sugárzás leválásához vezetett, ennek maradványa a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás.

A végső nagy kérdés: a sötét energia

E folyamatok eredményeként a kezdetben egyenletes eloszlású anyag, a sugárzás helyébe lépett gravitáció hatására sűrűsödni kezdett, porködöket, majd ezekből csillagokat, illetve a csillagokból galaxisokat hozva létre.

A Fátyol-köd a Hattyú (Cygnus) csillagképben. Az univerzum több mint hetven százalékát a rejtélyes sötét energia tölti ki Forrás: NASA/ESA/Hubble Space Telescope

A legújabb felismerés szerint az univerzum 72 százalékát az energia egy még tisztázatlan, rejtélyes formája, az úgynevezett sötét energia uralja.

A sötét energia léte a standard modellhez, a Friedmann–Robertson–Walker-féle lassulva tágulás modelljéhez képest jelent eltérést azzal, hogy nagy távolságokban a téridő számítottnál nagyobb tágulását okozza.

A MACSJ0717 galaxishalmaz a Hubble-űrtávcső felvételén. A képen látható csillagvárosok egyenként több százmilliárd csillagból állnak Forrás: NASA/ESA/Hubble Space Telescope

A sötét energia összetevői egyelőre ismeretlenek,

mint ahogy az univerzum keletkezésének első, 10^-33 másodpercére sincs kiérlelt modell. A sötét energiának a részecskefizikai standard modellel való kapcsolatát mind elméleti, mind pedig kísérleti úton is folyamatosan vizsgálják. Mindenesetre a világegyetem keletkezési pillanatának mindent kielégítő leírása még várat magára, ez a kozmológia „Szent Grálja” és az elméleti fizika legnagyobb megoldásra váró kérdése.

A Vatikáni Csillagvizsgáló egyik lencsés távcsöve Forrás: Vatican Observatory

Annyi bizonyos, hogy az ősrobbanás előtt sem anyag, sem pedig téridő nem létezett. Talán csak a Vatikánban tudják biztosan, hogy mi volt a nulladik másodperc előtt...