Wszechświat

Składowymi Wszechświata jest materia i energia. Widoczna, normalna materia jest budulcem wszystkiego co możemy dotknąć: nas samych, naszego psa, drzew, planet i gwiazd. Przez około 20 ostatnich lat odkryliśmy, że stanowi ona zaledwie 20% całkowitej masy Wszechświata. Pozostała masa ukryta jest w postaci niewidzialnego składnika tzw. ciemnej materii. Ta nie świeci i nie emituje światła, ale możemy zaobserwować jak wpływa grawitacyjnie na normalną materię. Ciemna materia sprawia, że gwiazdy skupiają się w grupy zwane galaktykami i kształtuje ułożenie galaktyk w grupy i włókna. Najpóźniej poznaliśmy składnik Wszechświata zwany ciemną energią. Przeciwstawia się ona grawitacji, powodując przyśpieszenie rozszerzania się Wszechświata.

Niemal całą naszą wiedzę o Wszechświecie zdobywamy dzięki światłu które jest emitowane, pochłaniane lub odbijane przez obiekty. W efekcie tego, że światło ma określoną, skończoną prędkość im dalej patrzymy Wszechświat tym dalej cofamy się w czasie. Gdy naciskamy przycisk włączający światło w naszym pokoju, światło potrzebuje zaledwie kilka nanosekund (miliardowe części sekundy) aby dotrzeć do naszych oczu. Jednak w wypadku Słońca jest to już 8 minut, światło pochodzące z najbliższych gwiazd potrzebuje kilku a nawet setek lat aby dolecieć do nas, zaś od odległych galaktyk nawet miliardy lat. Liczne teleskopy: na powierzchni Ziemi, krążące wokół Ziemi, Słońca czy też podróżujące przez kosmos, obserwują światło w wielu długościach fali. Sondy kosmiczne są przedłużeniem naszej obecności w niedostępnych miejscach Układu Słonecznego, przesyłając do nas dane i próbki. Ponieważ skale odległości i czasu we Wszechświecie są dosłownie astronomiczne, są one niemożliwe do odtworzenia w laboratorium. W związku z tym aby je zbadać naukowcy konstruują modele matematyczne i symulacje komputerowe.

Około 13,8 miliarda lat temu cały Wszechświat był rozmiarów mniejszych niż atom i jednocześnie bardzo gorący i gęsty. Czas ten nazywany jest przez naukowcówWielkim Wybuchem. Następnie Wszechświat zaczął się gwałtownie i bardzo szybko rozszerzać. Jego temperatura i gęstość zmniejszyła, się ale była nadal porównywalna z tą w środku gwiazd. W tych warunkach powstały atomy ciężkiego wodoru (deuteru) i helu. Od tego czasu w naturalnych warunkach deuter nie powstawał, dlatego też wyznaczanie jego ilości pozwala naukowcom wyjaśnić jakie warunki panowały zaledwie 15 minut po Wielkim Wybuchu. Nadal Wszechświat był bardzo gęsty i niemal całkowicie nieprzeźroczysty: światło były uwięzione w materii. Po około 380 000 latach (co stanowi zaledwie 0,01% obecnego wieku Wszechświata), dzięki rozszerzaniu i ochłodzeniu się Wszechświata powstały warunki w których zjonizowane do tej pory atomy wodoru i helu mogły związać się trwale z elektronami. Powstały neutralne atomy a światło mogło swobodnie podróżować, Wszechświat stał się przeźroczysty. Wspomnienie o czasie w którym Wszechświat stał się przeźroczysty widzimy dzisiaj w postaci mikrofalowego promieniowania tła (CMB). Jest to najwcześniejszy obraz Wszechświata, jaki możemy bezpośrednio zaobserwować z pomocą światła.

Od Wielkiego Wybuchu Wszechświat cały czas się rozszerza. Składa się z tej samej ilości materii, ale jest tysiące razy większy i zimniejszy niż w momencie emisji mikrofalowego promieniowania tła. W ciągu milionów lat grawitacja działała na niewielkie niejednorodności rozłożenia materii. Materia skupiała się i zapadała pod własnym ciężarem, tworząc pierwsze gwiazdy, ich skupiska w postaci małych galaktyk a z czasem grupy większych galaktyk w gromady i włókniste struktury. Galaktyki w gromadach galaktyk związane są ze sobą siłami grawitacji i nie podlegają rozszerzaniu Wszechświata. Jednocześnie przestrzeń się rozszerzała, niosąc ze sobą gromady galaktyk. Aż do roku 1998 naukowcy skłaniali się za teorią, w której to prędkość rozszerzania się Wszechświata maleje. Wówczas odkryto, że grawitacji przeciwdziała tajemnicze ciśnienie. Nazwano je ciemną energią i powoduje ona przyśpieszanie rozszerzania się Wszechświata w ostatnich pięciu miliardach lat.