Kronika Vesmíru (4) – Rekombinace, CMB a temná hmota

Představ si vesmír dlouho po primordiální nukleosyntéze. Už existují jádra vodíku a helia, ale celých atomů zatím žádných — elektrony pořád létají volně a vesmír je ionizované plazma. Tuto dobu jsme v předchozím díle nazvali érou jader.

Cesta k rekombinaci

Mezi koncem nukleosyntézy a rekombinací uběhne zhruba 380 000 let. Vesmír se pomalu ochlazuje a rozpíná. Zpočátku v něm dominuje záření — fotony brání hmotě, aby se příliš shlukovala. Kolem věku přibližně 47 000 let nastává důležitý předěl: rovnost hmoty a záření. Od té chvíle gravitace začíná vítězit nad tlakem záření a v jemných nerovnostech z dob inflace se pomalu rýsují zárodky budoucích struktur.

Temná hmota v tom hraje klíčovou roli — na rozdíl od běžné hmoty reaguje jen gravitací a pomáhá vytvářet hlubší gravitační jamy, do kterých se později stahuje vodík a helium.

Až ve věku zhruba 380 000 let teplota klesne na přibližně 3000 °C. To je dostatečně málo na to, aby se stalo něco zásadního.

Rekombinace – vznik prvních atomů

Až do této chvíle byl vesmír plný jader vodíku a helia a volných elektronů — všechno bylo ionizované. Světlo se nemohlo volně šířit, protože neustále naráželo na volné elektrony a odráželo se zpátky. Tuto neprůhlednou fázi někdy nazýváme také kosmickou mlhou.

Pak se stalo něco klíčového.

Teplota klesla natolik, že elektrony získaly dostatek klidu a mohly se navázat na protony a jádra helia. Vznikly první neutrální atomy – především vodík a helium.

Tento okamžik nazýváme rekombinace.

Jakmile elektrony přilnuly k jádrům, vesmír se najednou stal průhledným. Světlo už nemělo tolik překážek a mohlo se volně šířit vesmírem. Poprvé v historii vesmíru mohlo světlo cestovat na velké vzdálenosti.

Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB)

To světlo z doby rekombinace putuje vesmírem dodnes.

Vidíme ho jako velmi slabé mikrovlnné záření, které přichází ze všech směrů oblohy. Říkáme mu kosmické mikrovlnné pozadí neboli CMB.

Dnes má teplotu jen 2,725 kelvinu (tedy asi minus 270 °C). Je to vlastně „fotografie“ vesmíru, jak vypadal ve věku 380 000 let. Díky tomuto záření můžeme vidět, jak vesmír vypadal v době, kdy ještě neexistovaly žádné hvězdy ani galaxie.

CMB je jeden z nejdůležitějších důkazů Velkého třesku a poskytuje nám obrovské množství informací o raném vesmíru. Jemné nerovnosti v jeho teplotě — měřené například družicemi WMAP a Planck — jsou přímým dědictvím kvantových fluktuací z dob inflace, o kterých jsme mluvili v prvním díle Kroniky vesmíru.

Temná hmota – neviditelný hráč

Už v této rané fázi hraje důležitou roli ještě jedna věc – temná hmota.

Temná hmota netvoří atomy, nereaguje se světlem ani elektromagnetickou silou a nedá se přímo „vyfotografovat“. Poznáme ji jen nepřímo — podle rotace galaxií, gravitačního čočkování a chování hvězd v galaktických halách. Přesto tvoří zhruba 27 % veškeré hmoty a energie ve vesmíru, zatímco běžná hmota (hvězdy, planety, my) jen asi 5 %.

Právě temná hmota pomáhala už v raném vesmíru gravitací přitahovat obyčejnou hmotu do hustších oblastí. Bez ní by se galaxie a velké struktury nevytvořily tak rychle, jak je dnes pozorujeme — vesmír by možná vypadal úplně jinak.

Temná energie – třetí skrytá složka

Kromě temné hmoty existuje ještě temná energie — záhadná složka, která dnes tvoří zhruba 68 % vesmíru. Na rozdíl od temné hmoty nezpůsobuje gravitaci, ale zrychluje expanzi vesmíru. Objevili jsme ji teprve na konci 20. století (Nobelova cena 2011) díky pozorování vzdálených supernov typu Ia.

V raném vesmíru po rekombinaci ještě nehrála velkou roli — dominovala hmota a záření. Ale dnes právě temná energie určuje budoucnost vesmíru: zda se bude rozpínat stále rychleji (scénář Velkého roztrhání), nebo zda jednou zvolní. K tomu se vrátíme až v závěrečných dílech Kroniky Vesmíru.

Co bude dál

Rekombinace je velký předěl. Do této chvíle byl vesmír neproniknutelnou mlhou. Po rekombinaci se stal průhledným a my dnes můžeme vidět světlo z té doby.

Ale pozor — průhledný neznamená osvětlený. Po rekombinaci nastane dlouhé období, kterému říkáme kosmická temná éra (neplést s temnou hmotou!). Přibližně 400 milionů let vesmír zůstane bez hvězd — jen chladný vodík a helium v temnotě, osvětlený jen slabým CMB.

Teprve pak se rozsvítí první hvězdy Populační III a začne nová kapitola — reionizace, první galaxie a cesta k prvkům, ze kterých se jednou složí planety a život.

Ale to už je další díl Kroniky vesmíru.