Promieniowanie reliktowe 1. Przesłanki za jego istnieniem

   Wyniki obserwacji astronomicznych, zbieżne z zasadą kosmologiczną, skłaniają nas do przyjęcia tezy (by nie powiedzieć: przekonują), że Wszechświat rozszerza się. Jeśli „teoria” ta jest słuszna, powinna także antycypować efekty obserwacyjne dotąd nie znane, wskazując kierunek przyszłych badań i poszukiwań. Jak wiadomo, materia Wszechświata to nie tylko gwiazdy i planety. To także promieniowanie elektromagnetyczne. Istniało ono z całą pewnością już w bardzo wczesnych fazach ewolucji, już w pierwszych sekundach po „starcie”. Tu nie chodzi o szczegóły. O nich będzie w odpowiednim czasie.

     Można oczekiwać, że temperatura w pierwszych chwilach (nie koniecznie na samym początku) była bardzo wysoka. Jak wiadomo, materia (ciało) o dowolnej temperaturze bezwzględnej (wyższej od 0K), jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego. [Skąd się to promieniowanie bierze? Klasyczna mechanika statystyczna na to pytanie nie odpowie. Konieczne jest uwzględnienie oddziaływań elektromagnetycznych istniejących w strukturze każdego bez wyjątku materiału. Trzeba podkreślić, że chodzi o promieniowanie cieplne, czyli o promieniowanie ciała nagrzanego, którego molekuły tworzą układ chaotyczny nieskoordynowanych ze sobą ruchów. Czy Wszechświat w swych początkach był właśnie taki? To wcale nie jest takie oczywiste.] Cechy takiego promieniowania zależą od temperatury źródła, a także od cech jego powierzchni. My jednak zajmujemy się promieniowaniem ciała doskonale czarnego. W tym sensie mówić można o temperaturze promieniowania w sposób jednoznaczny. Można więc oczekiwać istnienia kosmologicznego, a więc także izotropowego promieniowania cieplnego. Izotropowego, gdyż źródłem jego był cały Wszechświat, wtedy, gdy był bardzo mały. Nie może to być promieniowanie monochromatyczne. Temperaturę określa średnia energia kinetyczna chaotycznych ruchów cząstek. Energia ich wzajemnych oddziaływań jest oczywiście zróżnicowana, a wynikiem tych oddziaływań jest promieniowanie elektromagnetyczne o określonym widmie, w którym dominujące promieniowanie jest tym bardziej krótkofalowe, im wyższa jest temperatura układu. 
 
   W pełni zasadne jest oczekiwanie, że do dziś istnieje promieniowanie będące reliktem bardzo wczesnego etapu ekspansji, momentu, w którym pojawiły się oddziaływania elektromagnetyczne. Wtedy też wyodrębnić się musiały cząstki masywne (leptony i hadrony), w każdym razie te, które oddziałują elektromagnetycznie. Od tego momentu, przez jakiś czas, panowała równowaga między promieniowaniem, a materią cząstek. Kreacja cząstek i ich anihilacja, przebiegały w jednakowym tempie. 

     Zgodnie z sugestiami zawartymi w mych pracach, najwcześniej wyodrębniły się neutrina. Miało to miejsce jeszcze podczas trwania przyśpieszonej ekspansji, ale nie inflacji, aż do przemiany fazowej, w wyniku której wyodrębniły się kwarki i elektrony. Z kwarków utworzyły się od razu protony. Elektrony i protony są cząstkami trwałymi. Równocześnie, pojawiły się pozostałe cząstki – wszystkie nietrwałe, przede wszystkim wskutek oddziaływania z neutrinami. W szczególności pojawiły się neutrony. [O neutrinach, jak wyodrębniły się i o ich roli, napisałem rzeczy dosyć zaskakujące w eseju im poświęconym – może kiedyś i o tym napiszę.] Tak ja to widzę.

     Współistniała z tą materią (substancjalną) mnogość fotonów, tworzących środowisko, w którym zachodziły, jak opisałem powyżej, procesy kreacji i anihilacji par różnorodnych cząstek. Z czasem, w związku z obniżaniem się temperatury, procesy kreacji i anihilacji w zasadzie zanikły i pozostało promieniowanie elektromagnetyczne odpowiadające coraz niższej temperaturze (patrz prawa promieniowania ciała doskonale czarnego). Istnieje ono do dziś jako relikt tej wczesnej fazy  ekspansji.

     Materia wraz z promieniowaniem na początku stanowiła kipiącą zupę o bardzo wysokiej temperaturze miliardów, bilionów kelwinów. Stopniowo, wraz z ekspansją, temperatura obniżała się. Dopiero po około pół miliona lat nieprzerwanej ekspansji (ściślej: 300 – 700 tys. lat) temperatura i gęstość spadły na tyle, by promieniowanie oddzieliło się ostatecznie od materii substancjalnej. To oddzielenie się nazwano rozprzężeniem. Od tego czasu promieniowanie ilościowo (liczbą fotonów) nie zmieniło się. Temperatura promieniowania wynosiła wówczas około 3000K, a Wszechświat stał się przeźroczysty ponieważ promieniowanie nie jest już w stanie usunąć elektronów z atomów*. Wodór i hel wypełniały przestrzeń prawie nie świecąc. Było dosyć ciemno pomimo istnienia promieniowania, gdyż jego oddziaływanie z materią było znikome, a sama materia nie była wystarczająco skondensowana, by w jej obrębie zajść mogły procesy będące źródłem promieniowania wtórnego... aż do pojawienia się pierwszych gwiazd po około 200 milionach lat.

Promieniowanie to powinno istnieć do dziś będąc skamieniałością, reliktem czasów poprzedzających prawie o dwa miliardy lat powstanie galaktyk. Promieniowanie to nie opuściło przecież Wszechświata będąc jego integralną częścią. Dodajmy, tak „na chłopski rozum”, że nie było to możliwe w związku z tym, że prędkość ekspansji (hubblowskiej) równa jest c, a poza tym, przecież  obserwowalny Wszechświat jest wszystkością. Mamy więc przy okazji, jeszcze jeden argument wspierający to (podkreślone) twierdzenie, dziś wcale nie oczywiste.

     Od procesu rozprzężenia do pojawienia się pierwszych gwiazd musiało jeszcze upłynąc sporo czasu. Materia była mimo wszystko zbyt gorąca, by się skupiać we fluktuacjach gęstości. Gaz będący mieszaniną wodoru i helu (lit stanowił znikomą domieszkę), nie mógł świecić na tyle, by mogło być to dziś dostrzegalne nawet dla największych teleskopów. Bazując na znanych i ugruntowanych modelach ewolucji materii i gwiazd, sądzić można, że pierwsze z nich pojawiły się, jak wspomniałem powyżej,  dopiero po ok. 200 milionach lat. Czy kiedyś je dostrzeżemy? Chyba jesteśmy na dobrej drodze, by dostrzec. Dziś zdajemy się dostrzegać, dzięki teleskopom satelitarnym, coś w rodzaju poświaty, chyba pierwotnych gwiazd. Najnowsze obserwacje zdają się wskazywać na coś takiego, ale w znacznym stopniu, jak na razie, to sprawa interpretacji.      

     A samo promieniowanie... powinniśmy je wykryć, z tym, że dziś jego temperatura powinna być stosunkowo niska – nie powinno to być promieniowanie świetlne, sądząc po tym, że niebo jest przecież czarne. Jeśli rzeczywiście miał miejsce Wielki Wybuch, to promieniowanie takie powinno być wykryte. Powinno to być promieniowanie o charakterze cieplnym. Tak rozumowano już pod koniec lat czterdziestych ubiegłego wieku (George Gamow i jego uczniowie: Herman, Alper).

     Zatem promieniowanie to powinno istnieć cały czas i wypełniać całą przestrzeń (ograniczoną przez horyzont Hubblowski). Łączna ilość fotonów nie powinna ulegać zmianie. Powinno więc to promieniowanie dochodzić do nas zewsząd i manifestować się prawie tym samym natężeniem, zgodnie z zasadą kosmologiczną. „Prawie” w związku z lokalnymi niejednorodnościami materii już w samych początkach (tu nie ważne, czy chodzi o fluktuacje kwantowe, czy o udział ciemnej materii w kształtowaniu się form istniejących dziś), które chyba mają jakiś niewielki wpływ na lokalną kierunkowo gęstość promieniowania. Wpływ niewielki, gdyż fotonów jest znacznie więcej, niż cząstek masywnych.

  

*) Istniały wówczas tylko trzy pierwiastki: wodór, hel i lit. Warunki dla syntezy pozostałych pierwiastków stworzyły się dopiero z chwilą pojawienia się gwiazd.