Büyük Patlama Zaman Çizelgesi

Büyük Patlama Kronolojisi, uyumlu koordinatların (en: Comoving coordinates) kozmolojik zaman katsayılarını kullanarak, genel olarak kabul gören Big Bang (Büyük Patlama) teorisine göre gerçekleşmiş olan olayları anlatır.

Yapılan gözlemler, bilindiği kadarıyla evrenin, bundan yaklaşık 13,7 milyar yıl önce başladığını göstermektedir. Bu zamandan beri, evrenin gelişimi 3 aşamadan geçmiştir. Evrenin “en erken” dönemi, ki hala tam olarak anlaşılamamıştır, parçaçıkların, günümüzde parçacık hızlandırıcıların kazandıracağı enerjiden bile daha fazla enerjiye sahip olduğu zamandır. Bu nedenle, bu dönemin basit özellikleri büyük patlama teorisi kapsamında anlaşılmaya çalışılsa da, detaylar büyük oranda varsayımlara dayanır.

Bu dönemi takip eden “erken” dönemde, evrenin gelişimi parçacık fiziğine göre ilerlemiştir. Bu ilk proton, elektron ve nötronların oluştuğu, böylece çekirdeğin meydana geldiği ve sonunda atomların oluştuğu zamandır. Saf hidrojenin oluşmasıyla, kozmik mikrodalga zemini (kozmik mikrodalga arkaplan ışıması) yayılmaya başlamıştır. Böylece madde bir araya gelerek ilk yıldızları ve sonunda galaksileri, yıldızsı gökcisimlerini, takım galaksileri ve süpertakımları oluşturdu. Evrenin nihai kaderi hakkında birçok alternatif teori bulunmaktadır.

EVREN (EN ERKEN DÖNEM)

Evrenin en erken dönemini ilgilendiren tüm fikirler (evrendoğum) kuramsaldır. Bugün, hiçbir parçacık hızlandırıcı deneyi,dönemi anlamayı sağlayacak şiddetteki enerjilere ulaşamamaktadır. İleri sürülen tüm senaryolar, temel farklılıklar göstermektedir. Bu senaryolara örnek olarak; Hartle-Hawking ilk durumu, sicim durumu (manzarası), Bran enflasyonu, sicim gaz kozmolojisi ve the ekspirotik evren verilebilir. Bu örneklerden bazıları birbiriyle bağdaşır.

Planck Dönemi

Büyük Patlamadan 10 -43 ‘üncü saniyeye kadar

Bakınız: Ana Madde: Planck dönemi

Eğer süpersimetri doğruysa, bu zaman süresince 4 temel kuvvetin hepsi (elektromanyetizma, zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve kütle çekim kuvveti) aynı güçteydi, muhtemelen bu kuvvetler tek bir temel kuvvetin içinde birleşik yapıdadır. Bu dönem hakkında çok az şey biliniyor, bunun için farklı teoriler farklı senaryoları ortaya çıkarmıştır. Genel görelilik kuramına  göre bu dönemden önce yerçekimi tekilliliği olduğu ön görülür ama bu varsayım kuantum fiziğine göre muhtemelen geçerli olmayacaktır. Fizikçiler, sicim teorisi gibi kuantum yerçekim teorisi, döngü yerçekimi ve nedensel kümeler (causal sets) gibi öne sürülen teorilerin bu dönemi daha iyi anlamamıza yardımcı olacağını ümit etmekteler.

Büyük Birleşme Dönemi

Büyük patlamadan sonra 10^–43 ile 10^–36  saniye arası

Evren Planck döneminden çıkıp genişlemeye ve soğumaya başlayınca yer çekimi kuvveti, diğer temel kuvvetler olan elektromagnetizm ile zayıf ve güçlü çekirdek kuvvetlerinden farklılaşarak ayrılmaya başlamıştır.  Hatta fizik, bu dönemde bu temel kuvvetlerin, dünyanın gözlenen güçlerini üretmeyi durduran büyük bir gruba dahil olmasıyla büyük birleşme ile açıklanabilir. Kaldı ki nükleer enerjinin zayıf elektrik kuvvetinden kopmasıyla bu büyük birleşme de bozulmuştur.  Bu durum, patlama ardından genişleme olur olmaz görülmüştür. Bazı teorilere göre de bu olay manyetik monopolları (manyetik tek kutuplular) yaratmıştır.

 Elektro Zayıf Dönem

Büyük patlamadan sonra 10^–36 ile 10^–12  saniye arası

Evrenin ısı enerjisi (10²⁸ K) güçlü kuvvetlerin zayıf elektrik kuvvetinden ayrılabilmesine yetecek kadar düşmüştü (Güçlü kuvvetler birleşik olan elektromagnetizm ve zayıf nükleer enerjisinin toplamına verilen isimdir). Bu da kozmik enflasyon (şişme) olarak bilinen katsayılı bir genişlemeye yani kozmik enflasyona (şişme) işaret eder. Patlama sona erdikten sonra da parçacık tepkimeleri, W, Z bozonları ve Higgs parçacığı gibi egzotik büyük parçacıklar yaratabilecek kadar hala enerjiye sahiptiler.

Enflasyon Dönemi

Patlamadan sonra 10^–36 ile 10^–32 saniye arası

Kozmik enflasyonun gerçekleştiği zaman ve sıcaklık kesin olarak bilinmemektedir. Patlama boyunca evren düzleşerek uzay eğrisi kritik değerlere ulaşır ve bundan sonra evren, neredeyse ölçeksel değişmeyen dalgalanmaların  bir ilkel spektrumu ile tüm yapı oluşumlarının tohumlarının atılacağı, hızla büyüyen homojen ve izotrop bir faza girer. Bazı fotonlardan sanal parçacıklar ve hiperonlar oluşmuş fakat bunlar daha sonra çabucakk bozulmuşlardır. Bazı teorilere göre ise kozmik enflasyondan önceki evren soğuk ve boştu ve muhteşem ısı ile enerji yoğunlukları patlamadan sonraki devrelerde oluşan faz değişimlerinden dolayı ortaya çıktı.

ΛCDM modeline göre karanlık enerji patlamadan hemen sonra başlayarak,  kozmolojide açıklandığı gibi, evrenin bir özelliği olup hal denklemi içinde ( equation of state) tanımlanmıştır. ΛCDM, karanlık enerjinin kökeninin temel fizikleri hakkında birşey söylemez ama düz evrenin enerji yoğunluğunu tanımladığını belirtir. Gözlemlere göre ise o en az 9 milyar yıl önce var olmuştur.

Yeniden Isınma

Yeniden ısınma esnasında, enflasyonun yavaşlayarak durduğu anda oluşmaya başlayan katsayısal genişleme ile enflasyon alanlarının potansiyel enerjileri bozularak sıcaklık kazanmaya ve göreceli plazma moleküllerine dönüşmeye başlamıştır. Eğer büyük birleşme bizim evrenimizin bir özelliğiyse, kozmik enflasyon ya büyük birleşme simetrisinin kırılması esnasında ya da ondan sonra gerçekleşmiş olmalıdır. Böyle olmasaydı manyetik tek kutuplular gözlemlenen evrende görülürdü.  Bu noktada ışınımlar, kuark parçacıkları , elektronlar ve nötronlar evrene hakimdir.

Baryogenez

Şu anda evrenin neden anti-baryondan çok baryon içerdiğini açıklayabilmek için gerekli gözlem ve kanıtlar mevcuttur. Bu fenomen için aday bir açıklamaya, kozmolojik enflasyon bitiminden sonraki bir süreyi de göz önüne alıp tatmin edici bir açıklama isteniliyorsa, Sakharov Koşulları’na izin verilmelidir. Moleküler fizikçiler bu koşullarda buluşan asimetrileri önerseler de bu asimetriler baryon-antibaryon asimetrisini karşılamak için çok küçüktürler.

EVREN (ERKEN DÖNEM)

Kozmik enflasyon sona erdikten sonra evren kuark-gluon plazması ile dolmuştur. Bu noktadan sonra evrenin fizik kuralları daha iyi anlaşılır ve daha az spekülatiftir.

Süper Simetrinin Kırılması

Eğer süper simetri bizim evrenimizin bir özelliği ise zayıf elektrik simetri ölçüsü olan 1 TeV’den az bir enerji ile kırılmamış olmalıdır. O zaman tanecik kütleleri ve onların süper partnerleri artık eşit olmamalıydı. Bu da bilinen parçaçıkların neden süper partnerlerinin olmadığını açıklar.

Kuark Dönemi

Patlamadan sonra 10^–12 ile 10^–6 saniye arasında

Elektro Zayıf Dönemin sonunda zayıf elektrik simetrisinin kırılması bütün parçacıkların bir vakum değerindeki Higgs molekülünün Higgs mekanizması aracılığıyla bir kütle gerektirdiği varsayılır. Temel kuvvetler olan yer çekimi, elektromagnetizma, güçlü ve zayıf etkileşim şimdiki hallerini almış fakat evren hala parçacıkların birleşerek hadron oluşturmasına yetecek kadar sıcaklığa sahipti.

Hadron Dönemi

Kuark ve gluon plazması proton ve nötronların şekil verebileceği baryonları kapsayan evrenin serin üniteleri hadronlardan oluşmuştur. Büyük patlamadan yaklaşık bir saniye sonra nötron çiftleri ayrılmış ve uzayda serbest dolaşmaya başlamıştır. Bu kozmik nötron arkaplanı da  – detayda çok net görülmemiş olan-  çok sonra açıklanacak olan kozmik mikro dalga arkaplanına bir öncülük edecektir.(bkz. Sicim Teorisi dönemi altında Kuark ve Gluon plazması)

Lepton Dönemi

Büyük patlamadan 1 ile 10 saniye sonra

Hadron çağının sonunda hadron ve anti hadronlar birbirlerini feshederek yerlerini lepton ve anti leptonlara bırakmışlardır. Büyük patlamadan yaklaşık 10 saniye sonra ise evren sıcaklığının lepton ve anti lepton üretilemeyecek seviyeye düşmesi, leptonlardan çok az miktar bırakarak onların da feshedilmesine neden olmuştur.

Foton Dönemi

Büyük patlamadan sonra 10 saniye ile 380.000 yıl arası

Lepton çağının sonunda lepton ve anti leptonlar feshedildikten sonra fotonlar evrene egemen olmuştur. Bu fotonlar hala yüklü protonlarla, elektronlarla ve nükleiler  ile (atomun merkezinde toplanmış olan proton ve nötronların oluşturduğu yapı) ile tepkimelere giriyor ve bu da 380.000 yıl boyunca bu şekilde sürüyor.

Nükleosentez

Büyük patlamadan sonra 3 dakika ile 20 dakika arası

Foton çağından sonra evren sıcaklığı atom çekirdek yapısının (nüklei) şekillenebileceği seviyeye düşmüştür. Proton ve nötronlar nükleer füzyon ile atom çekirdeği nükleinin içinde birleşmeye başlamıştır. Bu nükleer füzyonun devam edemeyeceği sıcaklık yoğunluğuna düşülene kadar 17 dakika sürmüştür. Bu anda ise kütlesel helyum-4 den 3 kat daha fazla hidrojen ve sadece izlenen diğer nükleiler bulunmaktaydı.

Maddenin Hakimiyeti: 70.000 yıl

Bu süreçte göreli olmayan madde (atom çekirdeğindeki nüklei) ile göreli radyasyon (fotonlar) eşit miktardaydı. Gravitasyon çekimi ile itme gücü arasındaki rekabette oluşturulabilir en küçük yapıları belirleyen Jeans Uzunluğu  düşerken pertürbasyon da serbest ışınım ile akıp gitmek yerine genişleyerek büyür.

ΛCDM’ye göre bu devirde karanlık maddenin egemenliği yerçekiminin çöküşüne yol hazırlarken kozmik enflasyondan kalan heterojen yoğun bölgeleri daha yoğun, seyrek yoğun bölgeleri ise daha seyrek yapmaya devam etti. Bununla birlikte güncel teoriler karanlık maddenin doğası hakkında  yetersiz olduğu için, şu anda baryonik maddeler hakkında olduğu gibi, karanlık maddenin erken dönemlerdeki kökenine dair kesin bir görüş birliği bulunmamaktadır.

Yeniden Birleşme: 377.000 yıl

Evrenin yoğunluğu düşmeye başlayınca hidrojen ve helyum atomları şekillenmeye başlamışlardır. Bunun büyük patlamadan 377.000 yıl sonra gerçekleştiği düşünülmektedir. Hidrojen ve helyumlar henüz iyonlaşmaya başlamış ve zaten +1 ve +2 değerinde pozitif elektrik yüklü olan elektronlar da atom çekirdeği nükleilere bağlanmamıştır. Evren soğumaya başlayınca elektronlar nötr atomları inşa ederek iyonlar tarafından ele geçirilmeye başlanmıştır. Bu süreç görece olarak çok hızlıdır (aslında helyum için bu süreç hidrojende olduğundan  daha hızlıdır) ve yeniden karışma olarak adlandırılır. Yeniden birleşmeden ve bu rekombinasyondan sonra çoğu protonlar nötr atomlara bağlanmıştır. Nitekim evren transparan hale gelmiş ve artık fotonlar serbest dolaşabilirlerdi (bkn. Compton Saçılımı veya Compton Efekti). Bu kozmik olay ise çiftlerin ayrışması olarak adlandırılır (Bu hipotez parçaçıkların artık birbirine bağlı olmaktan çıktığı ve aralarında bir çeşit ayrılma (decoupling) oluştuğuna dayanır). Bu fotonların rahatça gezebildikleri gibi büyük patlamayı takip eden soğumadan sonra olan Kozmik Mikrodalga Arkaplanında (KMA) bizlerin de görebildiği fotonlarla aynıdır. Ayrıca bu arkaplan ışıması, bu dönemin sonunda kozmik enflasyonun yol açtığı küçük dalgalanmaları da gösteren evrenin bir resmidir.

Karanlık Çağlar

Çiftlerin ayrışması gerçekleşmeden önce fotonlar, foton-baryon sıvıları içinde elektron ve protonlarla tepkimelere giriyorlardı.  Bunun sonucu olarak evren bir bulut tabakası yani sisli bir görünüme sahip oluyordu. Evrende ışık vardı ama bu bizim teleskoplarımızla göremeyeceğimiz bir ışıktı. İyonlaşmış plazmadan oluşan baryonik madde ise yeniden karışma sonucunda kazandığı serbest elektronlar sayesinde ve kozmik mikrodalga arka planını yaratan fotonları yayarak nötr hale geldi. Fotonlar ayrışırken evren de şeffaflaşarak transparan hale geldi. Bu noktada ise  21 cm hidrojen spektrüm hattı (elektromanyetik radyasyon spektral çizgisi) ortaya çıktı. Bu ilk evrenin incelenmesi ve kozmik mikrodalga arka planından da güçlü olan radyasyonun araştırılması için çok yoğun çabalar yapılmaktadır. Karanlık çağların büyük patlamadan sonra 150 ile 800 milyon yıl arasında devam ettiği düşünülmektedir. Yeniden iyonlaşma döneminde de varlığını sürdüren  UDFy-38135539 isimli bir galaksinin yakın tarihli keşfi (Ekim 2010) bize bu zaman hakkında bilgi edinmek için yeni bir pencere sunmaktadır. Ocak 2011 tarihli bir raporda ise Büyük Patlamadan sadece 480 milyon yıl sonra  oluşmuş ve 13 milyar yıl yaşında olan başka gök kümesinden daha bahsedilmektedir.

YAPI OLUŞUMU

Büyük patlamadaki yapı formasyonları küçük yapıların büyüklerden önce oluştuğu şeklinde hiyerarşik bir yapı halini almıştır. Evrendeki ilk yapılar ilk aktif galaksiler olduğu düşünülen parlak kuasarlar ile üçüncü nesil yıldızlardır.  Bu dönemden önceki evrenin evrimi lineer kozmolojik karışıklıklar teorisine göre açıklanır. Bu, homojen bir evrenden küçük parçalar ayırarak yapıların açıklanabilirliğidir. Bu da hesaplamalı çalışmak için nispeten kolaylık sağlamaktadır. Bu noktada lineer olmayan yapılar şekillenmeye başlar ve hesaplama problemleri daha da zorlaşır. Örnek olarak milyarlarca parçacıkla yapılan çoklu gövde simulasyonları (B-body simulasyonu) gibi..

Yeniden İyonlaşma: 150 milyon ile 1 Milyar yıl

İlk yıldız ve kasarlar yerçekiminin çöküşüyle şekillendiler. Onların sahip olduğu yoğun radyasyon evrenin çevresinde yeniden iyonlaşmaya yol açtı. Bu noktadan itibaren evrenin büyük bölümü plazmadan ibarettir.

Yıldızların Oluşumu

İlk yıldızlar -çoğu üçüncü nesil yıldızlar gibi- büyük patlama sonucunda şekillenen (hidrojen, helyum ve lityum) ışık elementlerinin daha ağır elementlere dönüşmesiyle şekillenmeye başladı. Görülebilmiş bir 3ncü nesil olmamasıyla beraber evrimleri ve oluşumları sadece onların hesaplamalı modelleriyle ortaya atılmıştır.

Galaksilerin Oluşumu

Galaksileri şekillendirmek için çok büyük boyutlarda maddeler bozulmuştur. Birinci nesil yıldızlar daha sonra olmak üzere bu süreçte ikinci nesil yıldızlar şekillenmiştir.

Johannes Schedler araştırma projesi, evrenin yaşı günümüzdeki yaşının  henüz %7 sini oluşturduğu bir dönemdeki, yani 12 milyar ışık yılı ötedeki CFHQS 1641+3755 kuasarını keşfetmiştir.

Haziran 2011’deyse Mauna Kea’da Keck II teleskobunu kullanılarak, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden Richard Ellis ve takımı evren 500 milyon yıl yaşında iken oluşan ve 13.2 milyar ışık yılı uzaklıkta 6 yıldız takımını keşfetmiştir. Bu en erken döneme ait ilk nesnelerden sadece 10 tanesi bilinmektedir.

Hubble Ultra Derin Alanı ise bunların, evren şimdiki yaşının %5 inde iken, yani 13 milyar ışık yılı ötede büyük galaksileri oluşturmak için eriyen küçük yıldızlar olduğunu göstermiştir.

Nükleomokronolojiye göre Süt Yolu’nun ince galaktik diski yaklaşık 8.3± 1.8 bilyon yıl önce oluşmuştur.

Grupların, Takımların ve Süper Takımların Oluşumu

Gravitasyon çekimi galaksileri birbirleriyle gruplar, takımlar ve süper takımlar oluşturmaya iter.

Güneş Sistemimizin Oluşumu: 8 Milyar yıl

Nihayet kronolojik skalada bizim güneş sistemimiz oluşmaya başlar. Güneşimiz daha eski yıldızların döküntülerinin birleşmesiyle 4,56 milyar yıl önce – kaba olarak büyük patlamadan 8-9 milyar yıl sonra- oluşmuş bir geç nesil yıldızdır.

Günümüz: 13.7 Milyar yıl

Günümüzün en iyi tahmin verilerine göre büyük patlamadan bu yana 13.73 ± 0.17 bilyon yıl geçmiştir. Evrenin genişlemesi hızlanınca süper kümeler evrenin tarihinde şekillenmiş en büyük yapılar olmuşlardır. Bu hızlanış daha fazla enflasyoner yapıların oluşmasını engellediği gibi yeni gravitasyonlara bağlı  yapıların oluşmasının da önüne geçmiştir.

EVRENİN NİHAİ KADERİ

İlk evrenle ilgili neler olduğuna dair tartışmalar sürerken evrenin kaderinin belirlenmesi için temel fizik kurallarında çok gelişmiş kavramlara ihtiyaç vardır. Aşağıda olabilecek bazı muhtemel durumlar yer almaktadır.

Büyük Donma: 10¹⁴ yıl veya daha fazlası

Eğer evren şimdiki gibi genişlemeye devam ederse en çok öngörülen senaryo bu olacaktır. 10¹⁴ yıl veya daha az bir süreçte var olan yıldızlar yanacak ve evren karanlıklaşacaktır. Bu süreci takip eden dönemlerde galaksiler uzaya yıldız kalıntıları gibi kaçarcasına buharlaşacak ve Hawking radyasyonundan kara delikler de buharlaşacaktır. Bazı büyük birleşik teorilerine göre 10³⁴ yıl sonra yıldız proton bozulması, yıldız kalıntıları ve gazları lepton (pozitron ve elektron gibi ) ve fotonlara dönüştürecektir. Bu durumda evren molekül yağmuru ve düşük enerjili radyasyon içerek yüksek entropiye ulaşacaktır. Bu da termodinamik eşitlik olarak bilinir.

Büyük Çatırtı (Big Crunch): günümüzden 100+ milyar yıl sonra

Eğer evrendeki karanlık enerji yoğunluğu negatifse veya evren kapalı ise, evrenin genişlemesi tersine etki yapacak ve evren sıcak yoğun bir duruma geçecektir. Büyük  çatırtı teoremi sallantıda bir evren sunmasa da bu dairesel model gibi sallantılı evrene gerekli bir elementtir. Gözlemler bu modelin doğru olmadığını ve genişlemenin devam edeceğini ya da artacağını öngörürler.

Büyük Sökülme (Big Rip): günümüzden +20 milyar yıl sonra

Bu senaryo sadece karanlık enerji yoğunluğu zaman çizelgesinin çok üzerinde artarsa olabilir. Bu karanlık enerjinin adı fantom enerjisidir ve başka birine benzemez. Bu duruma göre evrenin genişlemesi herhangi bir limite bağlı olmaksızın devam edecektir. Galaksiler, kümeler gibi yer çekimine bağlı sistemler alt üst olacaktır. Hatta bu genişleme öyle hızlı olacaktır ki molekül ve atomları bir arada tutan elektromanyetik kuvvetleri yenebilecektir. Sonuç olarak atomik nüklei bitecek ve bizim bildiğimiz evren tekil bir yerçekimine sahip olacaktır. Bu arada evrenin genişlemesi sonsuza ulaşacağından kompozit nesneleri bir arada tutan güçler ne kadar güçlü olursa olsun bu genişlemeyle yenilecek ve her şey yerle bir olacaktır.

Yarıkararlı Vakum Olayı

Eğer evrenimiz uzun yaşamlı bir yanlış vakumun içerisindeyse, evrenin küçük bir parçasın düşük enerjiye doğru bir tünel oluşturması muhtemeldir. Eğer bu olursa bütün yapılar aniden yıkılacak ve genişleme ışık hızına yakın hareket ederek uyarmadan yıkıma devam edecektir.

Evrenin Isı Ölümü: günümüzden 10¹⁵⁰+ yıl sonra

Sıcak ölüm muhtemel evren bitişleri arasında görülen ve şimdiden 10150 yıl sonra olabileceği öngörülen, yaşamı desteklemek için serbest termodinamik enerjinin olmamasına dayanan bir sonuçtur. Bu durumda maksimum entropiye ulaşılmış demektir ( entropi, sıcak ölüm olarak bilinir ancak o sadece evreni öldürecek olan kuvvettir). Bu hipotez 1850’lerin doğadaki mekanik enerji kayıplarının ısıl incelenmesi ile termodinamiğin ilk iki yasasını bulan William Thomson (Lord Kelvin) tarafından çıkartılmıştır.

Atilla Alber

16.05.2011

 

Kaynak:

http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_the_Big_Bang

http://tr.wikipedia.org/wiki/B%C3%BCy%C3%BCk_Patlama_kronolojisi