AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie Gravitace, černé díry a fyzika

Kapitola 5
GRAVITACE A GLOBÁLNÍ STRUKTURA VESMÍRU:
RELATIVISTICKÁ KOSMOLOGIE
5.1. Základní východiska a principy kosmologie
5.2. Einsteinův a deSitterův vesmír. Kosmologická konstanta.
5.3. Fridmanovy dynamické modely vesmíru
5.4. Standardní kosmologický model. Velký třesk.
5.5. Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.
5.6. Budoucnost vesmíru
5.7. Antropický princip a existence více vesmírů
5.8. Kosmologie a fyzika

5.4. Standardní kosmologický model. Velký třesk.
       Formování struktury vesmíru.

Rozpínání vesmíru
Společným charakteristickým rysem téměř všech shora zmíněných kosmologických modelů je
počátek jejich evoluce ve velmi husté (teoreticky bodové - singulární) a horké fázi - tzv. "velký třesk" (big bang), po kterém následuje rychlá expanze vesmíru.
Pozn.: Název "velký třesk" se používá ve dvou významech:
1. V užším významu pro počáteční (hypotetickou) singularitu a navazující "kvantové" období velmi raného prudce expandujícího vesmíru.
Poznamenejme ale, že počáteční singularita není nezbytná, zahrnutí kvantových interakcí do modelu vesmíru může singularitu odstranit (je diskutováno níže a v §5.5).
2. V širším významu pro celé počáteční období, kdy byla látka ve vesmíru v horkém ionizovaném plasmatickém stavu, tj. do konce éry záření (uváděné níže).
Samotný výraz "big bang" paradoxně pochází od odpůrce této koncepce F.Hoyla, jako poněkud hanlivý výraz, který se však ukázal výstižný v pozitivním smyslu a široce se ujal.
  Ostatně, ono pojmenování "třesk" může vzbuzovat asociace se zvukovým efektem. V prázdném prostoru se však zvuk nešíří. Grandiózní jevy při vzniku vesmíru však pravděpodobně "rozezvučely" gravitaci - rozkmitaly "předivo" křivosti prostoročasu jakožto primordiální gravitační vlny.
  Ve svých počátcích byl Vesmír nesmírně horký a hustý; postupně se rozpínal, chladnul a vytvářely se v něm stále složitější struktury (níže je podrobněji diskutováno). Z počáteční chaotické a netrukturované změti polí postupně "kondenzovaly" základní elementární částice (elektrony a kvarky jež se spojily do protonů a neutronů), které se pak sdružovaly v atomová jádra a později v atomy. Z nich gravitační kontrakcí kondenzovaly galaxie, hvězdy, planety...
  Toto základní tvrzení relativistické kosmologie bylo - kromě Hubblem pozorovaného vzdalování galaxií (rudý posuv) - rozhodujícím způsobem podepřeno objevem reliktního záření svědčícího o tom, že vesmír v minulosti prošel velmi horkou a hustou fází. Velký třesk přitom není nějaký běžný lokalizovaný výbuch, který by vycházel z určitého centra, ale výbuch odehrávající se současně všude v celém stávajícím prostoru, který způsobil, že každá částice hmoty se začala rychle vzdalovat od všech ostatních částic [273]; spolu s hmotou expanduje i samotný prostor *).
*) Co se vlastně rozpíná při expanzi vesmíru? (a co nerozpíná!) 
Vesmír expanduje ze všech svých bodů - neexistuje žádný střed expanze. V každém místě vesmíru vnímáme expanzi stejně a bude se nám zdát, že jsme ve středu expanze, že galaxie se vzdalují právě od nás (je to ale mylný pocit). A čím vzdálenější objekt pozorujeme, tím rychleji se od nás vzdaluje.
  Příčinou expanze hmoty (nyní pozorované jako rozbíhání galaxií) je globální rozpínání samotného prostoru, který galaxie strhává s sebou. Rovněž svělelné vlny se při rozpínání prostoru "napínají", prodlužují svou vlnovou délku - prodělávají ve svém spektru "rudý posuv", "červenají". V souvislosti s koncepcí všeobecné expanze vesmíru, interpretované jako expanze prostoru a modelované pomocí nafukujícího se balónku s galaxiemi nakreslenými na jeho povrchu (§5.3, texty kolem obr.5.2), může vzniknout následující paradoxní námitka. Když při expanzi prostoru se od sebe vzdalují kupy galaxií a popř. galaxie, měly by se postupně od sebe vzdalovat i hvězdy v galaxii, planety od hvězd při svém oběhu, měl by se ve stejném poměru prodlužovat etalon metru, měly by se zvětšovat elektronové orbity v atomech atd. Pokud by tomu tak bylo, nebylo by vlastně expanzi vesmíru k čemu vztáhnout, všechna prostorová měřítka by se měnila stejně, expanze vesmíru by byla nepozorovatelná - fiktivní. Tak tomu však ve skutečnosti není.
  Především, elektronové orbity se s expanzí vesmíru nemění: nejsou vázány gravitačně, ale elektricky, přičemž v rámci lokálně inerciální soustavy tyto elektrické síly nijak nezávisí na gravitačním pozadí. Dále, když jsme v §5.1 formulovali základní východiska kosmologického modelu, hmotu vyplňující vesmír jsme modelovali jako ideální "plyn", jehož "molekulami" jsou kupy galaxií. Pouze tyto největší vázané struktury budou "poslouchat" globální strukturu prostoročasu a budou se účastnit kosmologické expanze, a to vždy jako celek - nikoli samostatně jejich části. Menší vázané systémy - galaxie, hvězdné a planetární soustavy, atomy či molekuly - vznikly a vyvíjejí se pod vlivem svých vnitřních vazbových sil; můžeme pro ně zavést přibližnou lokálně inerciální soustavu, v jejímž rámci nebudou fyzikální zákony nijak ovlivněny globálním kosmologickým gravitačním polem expandujícího vesmíru. Tedy nejen velikosti atomů, ale ani vzdálenosti hvězd či oběžné dráhy planet, se kosmologickou expanzí nemění. I zde platí již zmiňovaná analogie s molekulami plynu: když otevřeme nádobu se stlačeným plynem, budou se při jeho expanzi všechny molekuly od sebe vzdalovat, avšak samotné (elektricky vázané) molekuly se zvětšovat nebudou.
  Často uváděná analogie expandujícího vesmíru s nafukujícím se balónkem, na jehož povrchu jsou nakresleny galaxie či kupy galaxií, je tedy z tohoto hlediska poněkud zavádějící, při nafukování balónku by se roztahovaly i nakreslené galaxie na jeho povrchu. Model by se měl upřesnit v tom smyslu, že galaxie (po svém vzniku) by neměly být namalované na povrchu balónku, ale na kotoučcích papíru, z nichž každý by byl v patřičném místě k balónku přilepen jen v jednom bodě. Pak bychom dostali realistický obraz o vzdalujících se galaxiích, jejichž vlastní rozměry by se při expanzi neměnily (měnily by se příp. jen vlivem vlastní dynamiky evoluce galaxií). Ještě jednodušší výstižný model je pružná prádelní šňůra, na níž jsou připnuty kolíčky na prádlo. Budeme-li pružnou šňůru natahovat, kolíčky se budou od sebe vzdalovat. Nebude se však měnit velikost kolíčků, ale jen prostorové vzdálenosti mezi nimi.
Pozn.: Takovéto názorné modely samozřejmě nejsou použitelné v iniciálních fázích raného vesmíru, kdy žádné vázané struktury jako galaxie (a dokonce ani atomy) neexistovaly. A pak také v příp. konečných fázích uzavřeného vesmíru.

Prostorová konečnost či nekonečnost vesmíru?
I když vesmír nemůže mít nějakou určitou prostorovou hranici (co by bylo za ní?), neplyne z toho, že musí být nekonečný. To bylo diskutováno v předchozím §5.3 o kosmologických modelech a lze to názorně demonstrovat pohybem na povrchu koule, která má konečný povrch, ale při pohybu po něm nenarazíme na žádnou hranici. U dynamického vesmíru nemůžeme obecně vidět celý Vesmír, ale jen tu jeho část - pozorovatelný vesmír, ze které k nám stačilo dolétnout světlo za dobu existence vesmíru. Hranice pozorovatelného vesmíru se označuje jako horizont částic či světelný horizont (otázky kauzality a různé typy horizontů byly podrobněji analyzovány v §3.3 "Cauchyova úloha, příčinnost a horizonty"); vyznačuje, kam nejdál lze dohlédnout dalekohledem nebo jakýmkoli jiným pozorovacím či detekčním přístrojem. Vzdálenější oblasti sice momentálně nevidíme, což však neznamená, že neexistují: počkáme-li dostatečně dlouhý čas, dorazí k nám světlo i z těchto dalekých oblastí vesmíru. Je to podobné jako s horizontem pozorovaným na moři - víme, že oceán pokračuje i za horizontem. Stejně tak ani vesmír za světelným horizontem nekončí...

Počátek času ?
Co předcházelo velkému třesku *), povaha samotného big bangu a jevy bezprostředně po něm násl
edující (t < ~ 10-43 s) současná fyzika není schopna postihnout. V singularitě "nefunguje" prostor a čas - nemá smysl vlevo a vpravo, nahoře a dole, dříve a později. Předložky "před" či "po" ztrácejí smysl. Na záhadu, jak se z takovéto "bezprostorovosti" a "bezčasovosti" vynořil skutečný vesmír s třemi rozměry prostorovými a jedním rozměrem časovým, může snad pomoci odpovědět jen tzv. kvantová kosmologie (§5.5).
*) Co bylo před velkým třeskem? 
Veškerá naše zkušenost s děním v okolním světě nás vede k intuitivní představě o
příčině a následku. Zvláště v oblasti fyzikálních jevů se nestává, že k nějakým událostem "jen tak dojde" - bez příčiny, která časově předchází následek. Vzniká tak názor, že "něco" přece muselo vznik vesmíru způsobit! A pak hned vyvstává otázka, kde se to "něco" vzalo..?.. - a tak by to šlo stále nazpět, do nekonečna. Aby se vyhnuli takovému sledu neřešitelných otázek, odkazují někteří tuto neproniknutelnou záhadu k "nejvyšší instanci" - k Bohu jako stvořiteli Vesmíru.
  V rámci Fridmanových kosmologických modelů žádné období před iniciální singularitou t=0
nemá fyzikální smysl - řešení nelze analyticky rozšířit do oblastí t<0; současně s vesmírem "vznikl" i čas. Podobně jako v termodynamice existuje absolutní nula teploty a nižší teplota než 0°K nemá smysl *), objevuje se zde "absolutní nula času" t=0 jakožto okamžik, před nímž principiálně nelze sledovat řetězec příčin a následků. Nebylo tedy žádné "předtím" - s velkým třeskem započal i samotný čas. Nebo jiné přirovnání: ptát se na to, "Co bylo před velkým třeskem?" je podobné, jako se ptát "Co je na sever od severního pólu?", nebo "Kam se dá propadnout hlouběji, než do středu zeměkoule?". Určité možnosti, jak vysvětlit (resp. obejít) tento fundamentální kosmologický a filosofický problém, budou naznačeny v §5.5.
*) Teplota tělesa je mírou pohybu částic hmoty a absolutní nula termodynamické Kelvinovy stupnice je definována tak, že při ní ustávají veškeré pohyby atomů a molekul (s výjimkou "nulových" kmitů daných kvantovými relacemi neurčitosti). Nemůžeme mít zápornou teplotu menší než absolutní 0°K, neboť by to znamenalo, že částice hmoty se "méně než nehýbou" - to nedává smysl..!..
  Již v úvodním §1.1, pasáži "Prostor a čas", jsme se zamýšleli nad některými obecně přírodovědnými a filosoficko-gnoseologickými aspekty povahy času. V dalším výkladu jsme zcela opustili představu absolutního času a jednoznačně se přidrželi operacionalistického pojetí času, které vede k času relativnímu. V současné etapě vývoje vesmíru, v dnešním běžném životě, měříme čas pomocí (téměř) rovnoměrných periodických dějů jako je rotace Země, obíhání Země kolem Slunce, pohyby kyvadla, záření atomu cesia-137 a pod. Všechny takové "etalony" času jsou však nepoužitelné za podmínek, kdy vesmír byl tak hustý a horký, že neexistovaly žádné planetární soustavy, ani žádné atomy. Čas musíme definovat pomocí typických jevů v daném stádiu vývoje vesmíru (třebas v době (re)kombinace elektronů s jádry by jednotkou času mohl být jeden kmit záření atomu vodíku). Směrem k počátku vesmíru je to čím dál obtížnější, v samotné iniciální singulatitě t=0 (či kvantové pěně) je to pak již nemožné.
  Ve standardním kosmologickém modelu neexistuje žádné časové období před velkým třeskem, protože zde není žádný objekt (těleso ani částice), jehož pohyby by mohl být čas měřen. Vesmír nevznikl v čase, ale spolu s časem *).
*) Současná poznámka: Některé nové alternativní hypotézy do procesu vzniku a evoluce nejranějších fází vesmíru, včetně koncepce počátku času, však vnášejí nové výzkumy v teorii superstrun - viz pasáž "Astrofyzikální a kosmologické důsledky teorie superstrun" §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.".

Etapy vývoje vesmíru
Teorie zahrnující představu velkého třesku a následující expanze horkého vesmíru je nyní již označována za
standardní kosmologický model. Globální struktura a evoluce vesmíru se přitom řídí gravitací, avšak konkrétní vlastnosti látky a utváření struktur ve vesmíru je dáno zákony hydrodynamiky, termodynamiky, fyziky elementárních částic, atomové a jaderné fyziky. Fyzikální kosmologii, která se zabývá touto problematikou, zde budeme rozebírat jen stručně, protože existuje příslušná knižní literatura, např. [288],[215],[250],[273]. Zmíníme se pouze o některých základních aspektech těsně souvisejících se strukturou prostoročasu ve vesmíru.

  Průběh raných fází evoluce vesmíru prakticky nezávisí na tom, zda je k = -1, 0, nebo +1, tj. zda je vesmír otevřený (záporná křivost), plochý nebo uzavřený (kladná křivost prostoru). Časová komponenta křivosti prostoročasu (úměrná ä2/a2) je totiž v raných fázích mnohem větší než křivost prostorová (úměrná ± 1/a2), takže na znaménku prostorové křivosti zde příliš nezáleží. Všechny tři varianty (k = -1,0,+1) Friedmanova modelu vedou pro malá t k témuž přibližnému zákonu expanze (5.35) a(t) ~ t1/2 pro dominující záření a (5.34) a(t) ~ t2/3 pro dominující látku; hustota hmoty-energie přitom klesá podle univerzálního zákona r(t) ~ t-2, v němž koeficient úměrnosti závisí pouze na stavové rovnici.
  Důvodem, proč ani průběh konkrétních fyzikálních dějů v raném vesmíru nezávisí na jeho globální g
eometrické struktuře, je existence horizontu. Při evoluci je velikost vesmíru úměrná t1/2, popř. t2/3, vzdálenost horizontu je přitom úměrná t. Směrem zpět k počátku vesmíru se tedy poloměr horizontu zmenšuje rychleji než velikost vesmíru - čím ranější okamžik, tím menší část vesmíru je uzavřena uvnitř horizontu. Pro každé místo (každou částici) existuje tedy určitá maximální "zóna vlivu", která je v raném vesmíru natolik malá, že se v ní na fyzikálních dějích nijak neprojeví rozdíl mezi kladnou a zápornou prostorovou křivostí uzavřeného nebo otevřeného vesmíru. To znamená, že v raném vesmíru konečnost nebo nekonečnost prostoru nemá tak velký význam na fyzikální dění, jak by se mohlo na první pohled zdát. Teprve v pozdějších stádiích evoluce, kdy se horizont patřičně rozšíří, se začne uplatňovat znaménko a velikost křivosti prostoru - vznikají podstatné rozdíly v rychlosti expanze a v celkovém charakteru evoluce mezi uzavřeným a otevřeným modelem.

Velmi raný vesmír
Kvantové efekty geometrie prostoročasu způsobují, že sledovat evoluci vesmíru je možno nikoliv od času t=0, ale až od času asi t
P » 10-43 s po velkém třesku. V časech kratších ztrácí vlivem kvantových fluktuací prostoročas své obvyklé lokální topologické vlastnosti, takže zde nelze sledovat návaznost příčin a následků.
Vznik fyzikálních zákonů? 
Může se nabízet i hypotéza, že nynější fyzikální zákony (klasické i kvantové) jsou "
zakonzervovaným pozůstatkem" chaotických dějů, které probíhaly krátce po vzniku vesmíru..?.. To, co nyní vnímáme jako hmotu, energii, časoprostor, bylo v té chvíli propleteno ve vzájemně se prostupující jednotě. Bylo to možná jen jakési vařící se "falešné vakuum", z něhož se jako vlny či excitace vynořovaly a hned zase zanikaly virtuální páry částic a antičástic. Samotné tyto základní částice jsou nakonec možná též jen složeny z vakua speciálně konfigurované geometrie prostoročasu (§B3 "Geometrodynamika. Gravitace a topologie." a §B4 "Kvantová geometrodynamika"). Metaforicky lze říci, že "Z ničeho vzniklo všechno"...
  Při snaze pochopit nejranější fáze vývoje vesmíru, samotný počátek velkého třesku, narážíme na neznalost fyzikálních zákonitostí, podle nichž se částice a pole chovaly za nesmírných hustot a energií. Přesto však byly vytvořeny některé hypotézy, podle nichž lze aspoň rámcově rané okamžiky vekého třesku rozdělit na některé předpokládané význačné etapy a přelomové mezníky, jak s časem t dochází k prudké expanzi vesmíru a rychlému snižování energie E ~ teploty T interagujících částic:
- Éra chaosu ( t » 0 - 10-43 s, o teplotě a hustotě se zde nedá mluvit)
Začíná hypotetickou
singularitou, od níž je definován čas t=0. Podle kvantově-gravitačních představ se však nejednalo o skutečnou (matematickou) singularitu, nýbrž vesmír byl tvořen chaoticky fluktuující topologickou prostoročasovou "pěnou". Tato éra skončila uplynutím Planckova času 10-43 sekundy. V úplně počátečních fázích evoluce lze předpokládat, že vesmír byl zcela amorfní, neměl ještě žádnou strukturu. Již zde však patrně existovaly určité kvantové fluktuace polí a vlastností rodícího se prostoročasu, které se později staly "zárodky" pro formování velkorozměrové struktury vesmíru, pro vznik kup galaxií a jednotlivých galaxií.
- Planckův čas - oddělení gravitace ( t » 10-43 s , r » 1094 g/cm3 , T » 1032 °K ,  E » 1019 GeV )
V tomto období se z původní "prainterakce" oddělila gravitační interakce, z chaosu původní "topologické pěny" se vynořila kauzální struktura prostoročasu, začaly platit fyzikální zákony. Gravitace se stala určující pro globální strukturu a dynamiku další evoluce vesmíru, později pak i pro formování větších i menších struktur ve vesmíru. Mohla zde nastat první prudká inflační expanze vesmíru
(rozebíraná v následujícím §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.").
- Oddělení silné interakce ( t » 10-35 s , T » 1027 °K ,  E » 1014 GeV )
Dochází k oddělení silné interakce od ostatních (elektroslabých). Ve vesmíru dominuje vysokoenergetické záření, z částic zde byly kvarky, leptony, intermediální polní částice a bosony X a Y, způsobující přeměňování kvarků na leptony a obráceně. Částice X a Y se průběžně rozpadají na dvojice kvark-antikvark, antikvark-lepton, kvark-antilepton. A při interakcích kvarků a leptonů (+ jejich antičástic) zase vznikají opět částice X a Y, které jsou takto v termodynamické rovnováze s kvarky a leptony.
- Zánik leptokvarků X,Y ( t » 10-30 s , T » 1025 °K ,  E » 1012 GeV )
Při poklesu energie~teploty pod prahovou hodnotu pro spontánní vznik částic X a Y se tyto leptokvarky již nevratně rozpadají na páry kvark-antikvark, antikvark-lepton, kvark-antilepton. Procesy vzájemné přeměny mezi leptony a kvarky rychle ustávají a později již nejsou možné. Přeměna mezi leptony a kvarky probíhá mírně asymetricky (nezachování CP-invariance), nepatrně převládne směr antikvark
ŕlepton a antileptonŕkvark: zakládá se tím baryonová asymetrie - převaha hmoty nad antihmotou (bude diskutováno níže v části "Standardní kosmologický model", pasáž "Baryonová asymetrie vesmíru").
- Oddělení slabé interakce ( t » 10-10 s , T » 1015 °K ,  E » 100 GeV )
Dochází k porušení symetrie dosud jednotné elektroslabé interakce vlivem Higgsových polí a jejich kvant Higgsových bosonů, čímž se slabá interakce oddělí od elektromagnetické. Od této fáze již v přírodě působí čtyři nezávislé interakce, které známe nyní. Hmota vesmíru je tvořena vysokoenergetickým zářením, kvarky, leptony, intermediálními polními částicemi, v neustálém vzniku a zániku při vysokých energiích.

Vznik klidové hmotnosti částic: V první bilióntině sekundy po velkém třesku byl vesmír divokou směsicí částic bez klidové hmotnosti, které létaly rychlostí světla. Pak interakcí s Higgsovým polem některé druhy částic získaly klidovou hmotnost, staly se stavebními "kameny" atomů látky a nakonec utvořily vesmír jak ho známe.
- Uvěznění kvarků - vznik hadronů ( t » 10-6 s , T » 1013 °K ,  E » 1 GeV )
Při poklesu teploty~energie se efektivní vzdálenost mezi kvarky zvětší nad
»10-13cm. Silná interakce pomocí gluonů pevně pospojuje kvarky do dvojic - mezonů a do trojic - baryonů. Skončilo tím období volných kvarků v kvark-gluonové plasmě, nadále jsou kvarky dokonale "uvězněny" v hadronech - začíná hadronová éra raného vesmíru.

Standardní kosmologický model
S
tandartní kosmologický model začíná studovat evoluci vesmíru až od pozdnějších okamžiků tmin » 10-6 s (právě od shora zmíněné hadronové éry), protože stávající fyzikální teorie nejsou schopny spolehlivě popsat situaci, kdy hustota hmoty podstatně převyšovala jadernou hustotu *); o některých pokusech popsat nejranější období pomocí grandunifikačních teorií viz následující §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.".
*) Jaderná fyzika však předpokládá, že těsně před začátkem hadronové éry měla látka pravděpodobně kvarkovou formu tzv. kvark-gluonové plasmy. Hmota vesmíru sestávala převážně z kvarků a antikvarků, spolu s vysokoenergetickými fotony, elektrony, pozitrony, neutriny, antineutriny, neustále vznikajícími a anihilujícími. Při poklesu teploty~energie se kvarky vlivem silné interakce, zprostředkované gluony, vázaly v baryony (3 kvarky) a mesony (kvark-antikvark) - došlo k hadronizaci kvark-gluonové plasmy (jak bylo zmíněno v posledním bodu předchozího odstavce).
  Podrobněji je popsáno v knize "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření", §5.1 "Elementární částice a urychlovače", část "Kvarková struktura hadronů", pasáž "Kvark-gluonová plasma - 5.skupenství hmoty".

Další historie adiabaticky expandujícího (a tudíž ochlazujícího se) vesmíru se obvykle rozděluje na čtyři význačné etapy podle fyzikálních procesů, které právě dominují :

Baryonová asymetrie vesmíru
Podle současných fyzikálních představ by na počátku vesmíru mělo původně vzniknout stejné množství částic a antičástic. Veškeré experimenty jaderné fyziky totiž ukazují, že při všech částicových interakcích dochází vždy ke sdružené produkci částic a antičástic, v poměru 1:1.
  V nynějším vesmíru však pozorujeme jen naši běžnou hmotu, nikoli antihmotu (příslušná diskuse je v části "Antičástice - antiatomy - antihmota - antisvěty" §1.5 monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Při prakticky všech "běžných" procesech a interakcích částic je splněn zákon zachování leptonového a baryonového čísla (viz §1.5 "Elementární částice a urychlovače" v monografii "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Poměr mezi množstvím hmoty a antihmoty se proto s vysokou přesností zachovává nejen v současném vesmíru, ale i při všech procesech probíhajících v dřívějších etapách, počínaje hadronovou érou. Baryonová asymetrie vesmíru musela tedy být "založena" již před počátkem hadronové éry - při silně nerovnovážných fázových přechodech, při nichž se oddělovala elektroslabá a silná interakce (v čase »10-35 s), nebo při dalším fázovém přechodu oddělujícím elektromagnetickou a slabou interakci (v čase »10-10 s).
  Podle současných teorií elementárních částic mohla baryonová asymetrie vzniknout při rozpadu některých "exotických" částic, při nichž se částečně nezachovává CP-symetrie (viz pasáž "CPT symetrie interakcí" ve zmíněné monografii) *). Mohly by to být Higgsovy bosony, kalibrační bosony X a Y (leptokvarky), popř. hadrony (mesony a baryony) obsahující c-kvarky a b-kvarky. Tyto částice, nyní pro nás "exotické", se na počátku hadronové éry mohly vyskytovat ve velkém množství. Aby se v určitém okamžiku vzniklá baryonová asymetrie látky nemohla "smazat" působením dalších následných procesů s nezachováním baryonového čísla, je důležité aby proces baryogeneze probíhal v silně nerovnovážném stavu, v etapě prudkého rozpínání; v příštím §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." uvidíme, že tímto nerovnovážným stavem, vedoucím k účinnému "zakonzervování" baryonové asymetrie, může být inflační expanze raného vesmíru.
*)   Vlivem určitých specifických jevů - narušení symetrie interakcí v počátečních okamžicích evoluce vesmíru - množství hmoty nepatrně převážilo nad antihmotou, došlo k mírné baryonové asymetrii vesmíru. Víceméně náhodná kvantová fluktuace tak způsobila vítězství hmoty nad antihmotou v našem velmi raném vesmíru. V hypotetických jiných vesmírech tomu mohlo být opačně, kvantová fluktuace ve vhodný okamžik nastala na druhou stranu a takový vesmír by byl z antihmoty...

  Rovnováha mezi neutriny a elektrony se zde udržuje převážně reakcemi e- + e+ ßŕ ne + ne, jejichž účinný průřez pro relativistické elektrony energie E je přibližně s » g2E2/h4c4, kde g je konstanta slabé interakce. V období kolem t » 0,2s účinný průřez poklesne natolik, že neutrina n prakticky přestanou interagovat s ostatními částicemi a mezi sebou. Neutrina, jejichž "teplota" v té době dosahovala zhruba 1010 °K, se tak natrvalo oddělila od ostatní látky a dále se již pohybovala volně vesmírem bez znatelných interakcí; vlivem expanze vesmíru se neutrinové záření postupně "ochlazovalo rudým posuvem" na nynější teplotu asi 1°K. Jediné, čím se neutrina nadále podílejí na evoluci vesmíru, je příspěvek jejich energie k sumárnímu gravitačnímu poli vesmíru (kdyby klidová hmotnost neutrin byla nenulová, mohl by tento příspěvek být dokonce rozhodující - viz §5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času."). Elektrony a pozitrony jsou v rovnováze se zářením, probíhá v průměru stejný počet anihilací e- + e+ ŕ 2g elektron-pozitronových párů na fotony g i tvorby elektron-pozitronových párů z fotonů g ŕ e- + e+. Vesmír je zaplněn elektron-pozitronovou plasmou.

Prvotní nukleosyntéza
Na počátku leptonové éry, kdy byla ještě velmi vysoká teplota, docházelo neustále k vzájemným přeměnám zbylých protonů a neutronů reakcemi n + e
+ ßŕ p+ + n' , n + n ßŕ p + e-. Díky poněkud vyšší hmotnosti se neutrony přeměňovaly na protony rychleji než protony na neutrony, takže množství neutronů ubývalo *). Úplnému vymizení neutronů zabránilo to, že díky poklesu teploty vesmíru v čase t @10s na zhruba 3.109 °K, se protony a neutrony mohly začít slučovat na stabilní jádra hélia (přes deuterium a tritium). Při tomto poklesu teploty, kdy energie částic při vzájemných srážkách byla nižší než 2,2 MeV, mohlo reakcí p + n ® 2H vznikat deutérium Dş2H, aniž by se srážkami s vysokoenergetickými částicemi (vč. fotonů) opět rozpadlo. Jádra deutéria mohla pak dále reagovat s dalšími protony a neutrony, až v konečné fázi vzniklo 4He. Současně vznikala i některá další lehká jádra, ale v daleko menší míře; jádro 4He je totiž podstatně stabilnější než ostatní lehké prvky - D, 3He, Li, B, Be. Při dalším poklesu teploty pod ~109 °K (cca 3 min. po big bangu) se produkce hélia, jakož i prvotní produkce nepatrného množství dalších prvků, definitivně zastavila. Kinetická energie částic se snížila a látka ve vesmíru byla již příliš řídká na to, aby účinně docházelo ke srážkám, při nichž by se protony a neutrony spojovaly ve větší jádra. V tomto krátkém období primordiální nukleogeneze proto stačila vzniknout jen nejlehčí (nejjednodušší) jádra - vodíku, deuteria, hélia, lithia.
*) Volné neutrony se b-rozpadem n ® p + e-+ n' rozpadají na protony, elektrony a (anti)neutrina s poločasem cca 13minut. Vznik prvotního hélia, deuteria a příp. dalších prvků se tedy musel uskutečnit v době kratší než cca 1000 sekund po velkém třesku. Období první tvorby prvků - primordiální nukleogeneze - bylo velmi krátké. V časech kratších než desítky sekund měla látka příliš vysokou teplotu na to, aby se jádra udržela pohromadě. V pozdějších časech byl zase již vesmír příliš řídký na to, aby účinně docházelo k srážkám, při nichž by se protony a neutrony spojovaly v atomová jádra.
  Podrobné výpočty [266],[267], beroucí v úvahu všechny možné jaderné reakce, vedou k "chemickému vývoji" raného vesmíru zhruba znázorněnému na obr.5.4. Tyto jaderné reakce nakonec vedou k tomu, že zhruba za 100 sekund od počátku expanze se složení látky ustálilo tak, že na každých 12 volných protonů připadalo jedno jádro hélia; počet nukleonů se ustavil na 87% protonů a 13% neutronů. Váhově se tak utvořilo asi 25% hélia He4 ş a a ostatních 75% zůstalo ve formě vodíku H1, přičemž tento výsledek téměř nezávisí na konkrétní hustotě hmoty (výpočty se prováděly pro r/rkrit v rozmezí od 0,025 do 5).

Obr.5.4. "Chemický vývoj" raného vesmíru, tj. časová závislost relativního zastoupení protonů, neutronů a lehkých prvků v důsledku jaderných reakcí nukleosynthézy v raném horkém vesmíru [266].

Nukleosynthéza dalších prvků již podstatně závisí na skutečné hustotě baryonů při dané teplotě *), avšak obecně lze říci, že jádra těžší než hélium se zde mohla tvořit jen v zanedbatelně malém množství, protože neexistují stabilní jádra s 5 a 8 nukleony. Tato "mezera" přerušuje řetězec dvoučásticových interakcí pa, na, aa, vedoucí k tvorbě těžších jader. Kdyby jádro hélia zachytilo neutron či proton, vzniklo by silně nestabilní jádro s hmotností 5, při sloučení dvou héliových jader by vzniklo nestabilní jádro s hmotností 8. Taková nestabilní jádra se stačila rozpadnout dříve, než by mohla v již zředěné látce zachytit další protony, neutrony či a-částice, které by je změnily na těžší stabilní jádra. A v dřívějším období, kdy byla hustota dostatečná, nemohla těžší jádra vzniknout vzhledem k vysoké teplotě a kinetické energii částic, která by je okamžitě "rozbíjela".
*) Veškeré deuterium jež pozorujeme muselo být vytvořeno ve velkém třesku - v leptonové éře, nikoli ve hvězdách (ve hvězdách se naopak rychle spaluje). Čím vyšší byla hustota baryonů v raném vesmíru, tím častěji docházelo ke srážkám jader a tím efektivněji se jadernými reakcemi deutérium (které je "meziproduktem" syntézy vodíku na He) spalovalo na hélium. Při vysokých hustotách by se téměř veškeré deuterium rychle sloučilo na hélium, zatímco za nižší hustoty by zbylo více "fosilního" deuteria.
  Protože tedy produkce lehkých prvků kromě hélia - především deuteria, popř. též He
3 a Li7 - silně závisí na střední hustotě hmoty (na koncentraci nukleonů) v období synthézy jader, lze změřením relativního zastoupení těchto lehkých prvků v mezihvězdné látce určit poměr počtu fotonů a nukleonů v období nukleosynthézy - provádět jakousi "diagnostiku" raného vesmíru. S použitím nynější teploty reliktového záření pak lze stanovit průměrnou hustotu vesmíru. Pozorování ultafialových absorbčních čar ve spektrech jasných horkých hvězd (a též záření l = 91,6 cm přechodů v superjemné struktuře D) bylo zjištěno, že zastoupení deuteria v mezihvězdném plynu činí zhruba ~3.10-5, což by odpovídalo nynější hustotě hmoty r » 5.10-31 g/cm3 desetkrát nižší než kritická.
  Zdá se tedy, že žádná obvyklá forma látky složené z baryonů není schopna učinit vesmír uzavřeným. Pozorovanou gravitující temnou hmotu (aspoň její převážnou část) tedy tvoří "něco", co je k nukleárním reakcím netečné; podstatnou č
ást "skryté hmoty" nemůže tedy tvořit látka složená z atomů, jejichž jádra jsou tvořena baryony (srov. s diskusí o nebaryonové povaze skryté hmoty v §5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času. Skrytá hmota.").
   Původní názor G.Gamova, že všechny prvky Mendělejevovy periodické tabulky byly za vysokých hustot a tlaků "uvařeny" v nejranějším vesmíru, se ukázal jako mylný. Těžší prvky nestačily vzniknout v počátečních fázích vesmíru proto, že rychlým rozpínáním vesmíru počátečně velmi vysoké tlaky a hustoty látky prudce poklesly, takže další jaderné reakce prakticky ustaly *). Lze říci, že v raných okamžicích byl vesmír pro vznik těžších prvků příliš horký, zatímco v pozdějších časech zase příliš řídký a chladný. Další nukleosynthéza mohla pokračovat až po vzniku hvězd, v jejichž nitrech (kde se veškerý vodík přemění v hélium) je dostatečná hustota a teplota k tomu, aby se hélium dále slučovalo na uhlík (a + a ® Be8, Be8 + a ® C12; nestabilní 8Be se nestačí rozpadnout před záchytem další částice a) a v pozdnějších fázích evoluce masívních hvězd i na další prvky (jak bylo podrobněji rozebíráno §4.1 "Úloha gravitace při vzniku a evoluci hvězd").
*) Pozn.: Kdyby byl vesmír zůstal hustější a žhavější o něco déle, všechny lehké prvky (jejich protony a neutrony) by se sloučily do jader až na železo a nezbylo by terrmonukleární palivo pro pozdější hvězdy.
   Galaxie a první hvězdy se tedy tvořily z "pralátky" sestávající z asi 75 % vodíku a z 25 % hélia. Tato předpověd složení prvotní látky, umožnující vysvětlení základního zastoupení prvků v přírodě, je velkým triumfem teorie horkého vesmíru, protože je v dobré kvantitativní shodě s výsledky analýzy chemického složení hvězdných atmosfér i zón ionizovaného mezihvězdného plynu. Příslušná spektrometrická měření ukázala, že obsah hélia v naší galaxii i v několika dalších blízkých galaxiích představuje asi 28%, což je téměř 20-krát více hélia, než se mohlo vytvořit termojadernými reakcemi v nitru hvězd *). Převážná část existujícího hélia musí mít tedy kosmologický ("primordiální") původ, zatímco prakticky všechny těžké prvky se synthetizovaly v nitru hvězd - viz §4.1, 4.2 a též pasáž "Vznik atomových jader a původ prvků" v knize "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
*) 1011 hvězd tvořících typickou galaxii o hmotnosti ~ 4.1044 g a svítivosti ~1037 J/s, vyzářilo za dobu života galaxie ~1010 let zhruba 3.1054 J; vytvořilo se tak asi 1066 jader He (při synthéze jednoho jádra He4 se uvolní energie 2,5.10-12 J) o celkové hmotnosti ~7.1042 g, což činí jen asi l,7% hmotnosti.

Leptonová éra trvá do té doby, než teplota klesne pod T » 5.109 °K (kdy je k.T » 0,5 MeV @ me.c2); pak anihiluje většina elektron-pozitronových párů, přičemž zůstane malý přebytek elektronů (stejný jako je přebytek protonů) nutný pro zajištění nábojové neutrality vesmíru. Tyto elektrony pak později (v éře látky) budou elektricky přitahovány k jádrům a poslouží k vytvoření atomových obalů prvků.

  Intenzívní rozptyl fotonů na zbylých elektronech způsobuje teplotní rovnováhu mezi látkou-plasmou a zářením, elektrony tvoří jakousi "vesmírnou mlhu". Látka ve vesmíru byla v plasmatickém skupenství, elektromagnetické záření intenzívně interagovalo s látkou - bylo jí rozptylováno, pohlcováno a znovu vyzařováno, v různých směrech a s různými energiemi. Převážná část energie~hmotnosti vesmíru byla tvořena elektromagnetickým zářením. Při poklesu teploty pod T » 3000 °K se energie fotonů sníží natolik, že již nejsou schopny ionizovat atomy vodíku, takže může nerušeně proběhnout (re)kombinace *) elektronů s protony: původně volné elektrony byly zachyceny a vázány s jádry vodíku a hélia za vzniku elektricky neutrálních atomů. Vzniká tak plynný vodík (a hélium), který je již pro stávající elektromagnetické záření (průměrné vlnové délky cca 700nm) průzračný. Došlo k fázovému přechodu látky z plasmového do plynného skupenství. Protoro-časová oblast, kde došlo k tomuto přechodu se označuje jako sféra posledního rozptylu světla před jeho oddělením od látky - plasmy. Toto světelné záření sledovalo expanzi vesmíru a prodlužovalo tím svou vlnovou délku až na nynější délku kolem milimetru - reliktní elektromagnetické záření v mikrovlnné oblasti (jeho vlastnosti jsou diskutovány níže v části "Mikrovlnné reliktní záření - posel zpráv o raném vesmíru").
*) Terminologická poznámka: Běžně používaný název "rekombinace" je zde poněkud neadekvátní. Tento název se používá v "pozemské" fyzice a chemii pro situaci, kdy v látce složené původně z neutrálních atomů dojde k ionizaci a následné zpětné rekombinaci elektronů a kladných iontů. V raném vesmíru však žádné neutrální atomy předtím neexistovaly, stav plné ionizace byl původní a výchozí, předpona "re" není na místě. Místo slova "rekombinace" je zde proto vhodnější výraz "kombinace" či "deionizace".
  Po "rekombinaci" či "deionizaci" skončila éra volných elektronů, dochází ke "zprůhlednění" látky pro elektromagnetické záření a tím k oddělení záření od látky; energie fotonů tohoto záření pak od té doby klesala pouze vlivem rozpínání vesmíru, nezávisle na chování látky. Nastupuje nejdelší éra vesmíru -

  Počáteční stádium této éry, předgalaktické období, lze označit jako období temna - počáteční mohutný záblesk velkého třesku již pohasl a v důsledku expanze vesmíru se jeho vlnové délky z původního g-záření přesunuly do oblasti infračerveného záření. Temnotu prostoru zaplněného chladnoucím plynem, infračerveným a mikrovlnnným zářením, ještě neosvětlovaly žádné hvězdy.
  V tomto období, trvajícím asi 200 milionů let, se zdánlivě nic dramatického nedělo, vesmír se rozpínal a výrazně chladnul. Gravitace však již skrytě pracovala na nejdůležitějším procesu éry látky, kterým je zhušťování obrovských oblaků vodíku a hélia, vedoucí k vytváření výrazných
velkorozměrových struktur ve vesmíru - formování galaxií a kup galaxií, v nichž posléze vznikaly první hvězdy *).
*) Hvězdy první generace, které vznikaly v období kolem 100-200 milionů let po velkém třesku z hustých oblaků vodíku a hélia (jiné prvky tehdy ještě ve vesmíru nebyly), měly pravděpodobně značně velké hmotnosti cca 100-300 M¤, možná i 1000M¤! Podle zákonitostí hvězdné evoluce se tedy vyvíjely velice rychle - po zhruba 3-5 milionech let (nejhmotnější možná žily jen statisíce let) vybuchovaly jako supernovy (či hypernovy) a vnesly do mezihvězdné hmoty těžší prvky, které v nich termonukleární syntézou vznikly. Další generace hvězd, které vznikaly z této látky obohacené o těžší prvky, již nedosahovaly takových hmotností - přítomnost těžších prvků stimuluje časnější zapálení termonukleárních reakcí, takže hvězda na sebe nestačí "nabalit" takové množství hmoty v řídkém oblaku; jejich doba života byla stamiliony let až několik miliard let. Naše Slunce vzniklo patrně až jako hvězda 3.generace z materiálu, obohaceného po výbuchu hvězd 2.generace (a předtím 1.generace).
  Lze říci, že po vzniku prvních hvězd se vesmír opět (již podruhé) rozzářil - ale jiným zářením než bylo to první z velkého třesku: nyní se jednalo o záření pocházející z termonukleárních reakcí v nitru hvězd. A to stále vzniká a osvětluje vesmír i nyní.

Formování velkorozměrové struktury vesmíru
Současná astrofyzika předpokládá, že galaxie vznikaly v důsledku
gravitačního smršťování (kondenzace) lokálních plynových zhuštěnin, které se nacházely v jinak globálně homogenním vesmíru. Slabé prvotní nehomogenity (tj. poruchy metriky, hustoty, rychlosti, popř. entropie) musely existovat již v raných fázích vesmíru; tyto perturbace však byly natolik malé, že jejich vliv na globální procesy, jako je průběh expanze nebo prvotní nukleosynthéza, lze zanedbat. V období po rekombinaci však "amplitudy" těchto poruch značně vzrůstají. Vytvářejí se tak postupně jednotlivé zhuštěniny o hmotnosti řádově ~1014 M¤ (zárodky kup galaxií) - obr.5.5, k jejichž těžišti v důsledku gravitace směřují mohutné proudy plynu. Při tomto adiabatickém stlačování se plyn zahřívá a vznikají turbulence a rázové vlny. Pokud se vzniklé teplo vyzáří, kontrakce může pokračovat. J.B.Zeldovič ukázal [288], že v průběhu času takové zhuštěniny nabývají tvar disků, jakýchsi gigantických "lívanců". Vlivem gravitační nestability se pak tyto útvary rozpadají na jednotlivé galaxie: celý "lívanec" se postupně přemění na kupu galaxií. Pro gravitační nestabilitu jsou nejvýznamnější dva protichůdné procesy: gravitace snažící se soustředit hmotu do kompaktních útvarů, a tlak snažící se vyrovnávat veškeré nehomogenity v rozložení hmoty. A též odstředivé síly při rotaci.

Obr.5.5. Výsledek počítačového modelování vzniku velkorozměrové struktury vesmíru provedeného Melottem r.1982.
Původně téměř homogenní rozložení částic (znázorněných křížky) za přítomnosti malých počátečních perturbací vlivem gravitace postupně nabývá "síťovitou" strukturu obsahující výrazné zhuštěniny a naopak rozsáhlé téměř prázdné oblasti.

Detailní fyzikální procesy utváření galaxií a kup galaxií jsou velmi složité - jedná se o trojrozměrnou nelineární hydrodynamiku kombinovanou s gravitací a fyzikou přenosu tepla vyzařováním (viz např. právě vyšlý podrobný přehled [240]) - a nejsou proto dosud zdaleka propracovány. Pozorované rozložení galaxií ve vesmíru a existence rozsáhlých "prázdnot" o rozměrech ~100´100´100 Mpc však podporuje scénář, podle něhož velkorozměrové struktury hmoty ve vesmíru se vyvinuly z počátečních malých poruch působením gravitačních nestabilit *). Jedna z počítačových simulací takového procesu je na obr.5.5. Původně téměř homogenní rozložení hmoty vlivem gravitačních nestabilit postupně nabývá vláknitou strukturu jakési "kosmické pavučiny". V měřítcích stovek milionů světelných let se rozložení hmoty ve vesmíru podobá spletité síti plné jemných vláken, jejichž průsečíky či "uzly" tvoří kupy galaxií (viz níže). Tyto zhuštěné uzly hmotu vláken postupně gravitačně "požírají", čímž se kupy zvětšují (též se mohou navzájem přibližovat) a v okolí vznikají rozsáhlé prázdnoty téměř bez galaxií.
*) Úloha temné hmoty?
V současné době se zkoumá možnost, zda "zárodky" pro formování velkorozměrové struktury vesmíru by nemohla vytvořit temná hmota
(§5.6, část "Budoucí vývoj vesmíru. Skrytá-temná hmota."). Ta totiž téměř neinteraguje s vysokoenergetickým zářením a částicemi, takže by se mohla začít gravitačně shlukovat daleko dříve po velkém třesku, než běžná "svítící" hmota. Kolem těchto zhuštěnin temné hmoty by se pak gravitačním přitahováním hromadila oblaka běžné látky, vodíku a hélia. První galaxie, vznikající shlukováním již dostatečně ochlazeného plynu, by tak nevznikaly na náhodných místech, ale v oblastech koncentrace temné hmoty, které již byly dříve zformovány.

Struktura a vývoj galaxií
Galaxie jsou obrovské systémy velkého počtu hvězd
(řádově až stovek miliard), mlhovin, mezihvězdného plynu a prachu, držené pohromadě gravitační přitažlivostí. V galaxiích je obsaženo i magnetické pole, částice kosmického záření, elektromagnetické vlny od radiovln až po tvrdé záření gama. Podle nynějších astronomických poznatků gravitačně dominantní součástí galaxií je patrně temná, nezářící hmota (viz §5.6, část "Budoucí vývoj vesmíru. Skrytá-temná hmota."). Pokud tomu tak je, galaxie vznikaly v jakýchsi "hlubokých tůních" gravitačně zkondenzované temné hmoty..?..
  Prvotní galaxie bezprostředně po svém vzniku (po několik milionů let) byly chaotickými útvary pohybujících se hvězd a oblaků plynu a prachu. Do nynějšího poměrně pravidelného spirálního a eliptického tvaru je zformovala koprodukce fyzikálních zákonů mechaniky a gravitace.
  Gravitační síla, směřující do středu galaxie, je vyvážena odstředivou silou oběžného pohybu hvězd, plynu a ostatního materiálu přibližně stejným směrem - galaxie jako celek rotuje kolem osy procházející jejím středem. Kromě náhodných pohybů různými směry a rychlostmi převládá celkový oběžný pohyb kolem gravitačního středu (jakéhosi "těžiště") galaxie. Většina galaxií má proto globální tvar zploštělého disku.
Vztah hmotnosti a rychlosti rotace galaxií - Tully-Fisherova závislost 
Čím větší hmotnost má galaxie, tím
rychleji musí rotovat pro vyvážení své přitažlivé gravitace odstředivou silou. A masivní galaxie mají více hvězd a tudíž svítí více než galaxie malé - hmotnosti galaxie je úměrná její svítivost. Závislost mezi svítivostí L galaxií a jejich maximální rychlostí rotace vmax na základě astronomických pozorování spirálních galaxií empiricky změřili v r.1977 R.B.Tully a J.R.Fisher. Tato závislost má jednoduchý mocninný tvar
    L ~ (vmax) b   ,
kde exponent
b má poněkud různé hodnoty v závislosti na pásmu vlnových délek pozorovaního záření: b = 3,0 v B-pásmu kolem l=400nm, b = 3,2 v I-pásmu l=800nm, b = 4,2 v H-pásmu kolem l=1200nm. Podobná závislost na rotaci se očekává i pro celkovou (baryonovou) hmotnost galaxie, která by měla být úměrná rychlosti rotace v mocnině 3,5-4. Rychlost rotace galaxie může být změřena na základě doplerovského rozšíření spektrálních čar. To umožňuje stanovit absolutní svítivost galaxie L; tu pak porovnáme s pozorovanou jasností ("hvězdnou velikostí"), čímž získáme výslednou vzdálenost galaxie. Tully-Fisherův vztah tak může být použit jako jedna z metod pro stanovení vzdálenosti spirálních galaxií *), je jedním ze "stupínků" měřítek vzdáleností v astronomii (§4.1, pasáž "Stanovení vzdáleností vesmírných objektů - základní podmínka astrofyziky").
*) Pro eliptické galaxie přibližně platí analogický Faber-Jacksonův vztah L ~ s 4 , mezi svítivostí L a centrální disperzí s oběžných rychlostí.
  Svou výraznou a různorodou strukturou patří galaxie k nejzajímavějším a z estetického hlediska i nejkrásnějším útvarům (spolu s některými mlhovinami), které můžeme většími dalekohledy na noční obloze spatřit *).
*) Tyto nádherné útvary - galaxie, plynoprachové mlhoviny, "planetární" mlhoviny, pozůstatky po supernovách, vícenásobné hvězdné soustavy - byly dřívějším generacím utajeny. Nejsou viditelné očima ani menšími dalekohledy, teprve velké dalekohledy a moderní pozorovací přístroje umožňují tyto objekty spatřit se všemi krásnými detaily, a to nejen v optickém oboru, ale i v oboru radiových vln, infračerveného, UV, rentgenového i gama záření. Ještě důležitější než estetický zážitek je však přínos detailního pozorování vzdálených vesmírných objektů pro poznání stavby a vývoje vesmíru, jeho částí i vlastností hmoty vůbec..!..
  Podle tvaru či vzhledu můžeme galaxie dělit do tří základních skupin: spirální, eliptické a nepravidelné. Řada spirálních galaxií má ještě tzv. příčku - úzký pás jasnějších hvězd táhnoucí se napříč vnitřní částí galaxie.
   Donedávna si astronomové mysleli, že tvary a struktury galaxií jsou v dlouhých časových měřítcích neměnné a galaxiím vlastní, že tyto struktury pomalu rotují jako celek spolu s rotací galaxie. Analýza detailnějších pozorování struktury zvláště spirálních galaxií v 60.letech však přivedla astronomy k jiné představě: že spirální ramena a příčky nejsou stálými galaktickými strukturami, ale jsou jen přechodnými oscilacemi či vlnami vyšší hustoty "galaktického materiálu", v nichž jsou hvězdy dočasně více nahuštěny než v okolních místech. V průběhu evoluce tyto útvary zřejmě vznikají a zase zanikají (chováním hustotních vln v galaxiích a jejich matematickým modelováním se jako první zabývali Ch.-Ch.Lin a F.H.Shu v r.1966). Tento proces probíhá v časových periodách stamiliónů let, takže my vidíme jen "okamžité snímky" struktury galaxií; kdybychom mohli zrychleně pozorovat řadu takovýchto snímků pořizovaných v rozmezí mnoha miliónů let, viděli bychom působivý dynamický proces, při němž by se struktura a vzhled galaxií dramaticky měnily...
   Na počátku se galaxie rodí jako víceméně amorfní rotující disk plynu, prachu a postupně vznikajících hvězd. Jednotlivé hvězdy i oblaka plynu obíhají kolem středu galaxie po zhruba eliptických drahách, které však nemají Keplerovský charakter. Gravitační pole galaxie není centrálně symetrické - nedominuje zde jedno výrazné centrální těleso *), ale hlavní část hmoty je rozložena spojitě v prostoru. To vede k výrazné precesi eliptických drah, které se na konci oběhu neuzavírají do přesné elipsy, ale o určitý úhel se pokaždé pootočí, tvoří jakousi růžici (analogická situace jako v §4.3, pasáž "Precese eliptické dráhy ve Schwarzschildově poli", obr.4.12, jen příčina je jiná).
*) V centru většiny galaxií je sice patrně masívní černá díra, ale ta obecně tvoří jen malý zlomek hmotnosti galaxie (o aktivních jádrech galaxií a kvasarech viz §4.8 "Astrofyzikální význam černých děr", část "Tlusté akreční disky.Kvasary").
   Pokud jsou hvězdné dráhy orientovány náhodně a rotují s výrazně odlišnými rychlostmi, k žádné galaktické struktuře nedojde. Počítačové simulace ukazují (........), že za určitých okolností se mohou dráhy hvězd a ostatní látky částečně "zesynchronizovat", přičemž vzájemná gravitace může tento stav dočasně zafixovat; většina eliptických drah pak rotuje se stejnou rychlostí, přičemž každá elipsa je vůči sousedním mírně pootočená. V místech, kde se elipsy potkávají, je koncentrace hvězd nejvyšší. Osy drah jsou postupně stále více pootočené, čímž vzniká oblast zvýšené hustoty ve tvaru spirální zakřivené čáry. Pokud jsou oběžné dráhy hvězd poblíž středu galaxie svými osami přibližně srovnané, vznikne navíc oblast zvýšené hustoty podél jejich hlavní osy - projeví se jako příčka.
  Uvedený kinematický mechanismus vzniku galaktických struktur je jen jednou z možností. Další aspekty, jako je úloha galaktického plynu odnášejícího moment hybnosti, či mezigalaktického plynu přitékajícího z okolního vesmíru, zbývá teprve prozkoumat.
   Struktura některých galaxií je ovlivněna i jevy souvisejícími s vzájemnými interakcemi galaxií - průnik, srážka či splynutí galaxií, galaktický "kanibalismus" (pohlcení menší galaxie větší galaxií). Takovéto procesy jsou pro galaktické struktury většinou destruktivní (gravitační poruchy "rozladí" eliptické dráhy), zanechávají po sobě eliptickou či nepravidelnou galaxii bez spirální struktury.
O vzniku a evoluci hvězd v rámci galaxií je podrobněji pojednáno v §4.1 "Úloha gravitace při vzniku a evoluci hvězd", část "Vznik hvězd" a "Evoluce hvězd".
Kupy galaxií 
Jednotlivé galaxie většinou nejsou v rozlehlých prostorách vesmíru osamocené a izolované, ale jsou sdruženy do větších systémů zvaných
kupy galaxií (vznik kup galaxií v časných obdobích éry látky byl diskutován výše v souvislosti s obr.5.5). Naše galaxie Mléčná dráha je součástí tzv. Místní skupiny galaxií, obsahující cca 50 nejbližších galaxií v okruhu asi 7 milionů světelných let. A ta je začleněna do Kupy galaxií v Panně o velikosti cca 50 milionů světelných let, obsahující více než 1000 galaxií. A galaktické kupy se dále sdružují do gigantických nadkup galaxií, rozprostřených přes 100 milónů světelných let a obsahujících stovky tisíc galaxií.
  Galaxie jsou v galaktických kupách a nadkupách (částečně) gravitačně vázané. Vykonávají dva druhy pohybů :
1.
Vzájemné vzdalování galaxií podle Hubblova zákona v důsledku všeobecné kosmologické expanze.
2.
Vlastní, individuální - pekuliární - pohyby galaxií, které se překládají přes kosmologickou expanzi. Jsou způsobené gravitační interakcí s velkými nahromaděními hmoty v okolních galaxiích.
  Kdyby neprobíhala kosmologická expanze, gravitačním přitahováním vyvolaný pekuliární pohyb galaxií by způsobil, že všechny galaxie v kupě (či kupy galaxií v nadkupě) by se postupně shlukly do jediné gravitačně vázané struktury, jakési obří "supergalaxie". Za stávající situace však vykonávají galaxie především rozbíhavý kosmologický pohyb, jen mírně modifikovaný vzájemným gravitačním přitahováním. Jsou však místa, kde gravitační přitažlivost "vyhrála" boj s kosmologickou expanzí a lokálně zde probíhá kolaps. Pozorujeme to v i naší Místní skupině galaxií: např. sousední galaxie v Andromedě, vzdálená 2,5 miliónů světelných let, se směrem k naší galaxii řítí pekuliární rychlostí 110 km/s. Asi za 4 miliardy let se "srazí" - či lépe řečeno proniknou - s naší galaxií a obě galaxie se nakonec přemění na jednu velkou eliptickou galaxii.
Pozn.: Naše sluneční soustava nebude touto srážkou pravděpodobně nijak postižena. Vzdálenosti mezi hvězdami jsou natolik obrovské, že žádné dvě hvězdy se při srážce galaxií asi nedostanou k sobě dost blízko na to, aby se srazily, či se gravitačně výrazněji ovlivnily.
  V kosmologicky+lokálně gravitačně zakřiveném prostoročase vykonávají galaxie v kupách (a kupy galaxií v nadkupách) velmi složité pohyby, jejichž detaily zatím neznáme a jejichž zmapování bude důležitým úkolem budoucích velkorozměrových přehlídek oblohy hlubokého vesmíru. Analýza pekuliárních pohybů galaxií a galaktických kup nám nejen ukáže naše místo v rozlehlém vesmíru, ale pomohla by nám i zmapovat distribuci temné hmoty ve vesmíru.
Ve vesmíru se všechno velmi rychle pohybuje ! 
Rychlosti, jakými se pohybují makroskopická tělesa a my lidé zde na Zemi, jsou z vesmírného hlediska velmi malé. Na druhé straně, i když klidně sedíme a "neděláme nic", jsme nehybní jen zdánlivě. Spolu s naší planetou obíháme okolo Slunce rychlostí asi 30 km/s, Slunce s naší planetární soustavou pak obíhá galaktický střed rychlostí cca 200 kilometrů za sekundu. A naše galaxie Mléčná dráha se
(spolu s celou Místní skupinou galaxií) řítí pekuliární rychlostí větší než 600 km/s směrem k rozsáhlé koncentraci hmoty (ve směru Kentaura) v rámci nadkupy galaxií v Panně. Vzájemné rychlosti rozbíhání galaxií v důsledku kosmologické expanze jsou pak často ještě podstatně vyšší..!..
  A podobně v mikrosvětě, kde elektrony v atomech obíhají kolem jader rychlostmi desítky až stovky tisíc kilometrů za sekundu... Pouze v našem běžném makrosvětě, kde "divoké" atomové struktury vytvářejí krystalické pevnolátkové či kapalinové struktury, mohou takto strukturovaná tělesa zaujímat vzájemně nehybné klidové pozice.

Fázové přechody ve vesmíru
Proces evoluce vesmíru podle standartního kosmologického modelu byl doprovázen
fázovými přechody a postupným "oddělováním" jednotlivých druhů záření i některých elementárních částic od ostatní látky.
  Nejdříve se od látky odděluje gravitační záření - pravděpodobně hned v Planckovské době ~10
-43 sec. po opuštění singulárního stavu. Kdyby se tedy podařilo detekovat reliktní gravitační vlny, získali bychom cenné svědectví o povaze samotného velkého třesku; na to však v dohledné budoucnosti není žádná naděje (k nepřímé detekci viz však §2.7, pasáž "Měření polarizace reliktního mikrovlnného záření").
  Neutrinové záření se rovněž brzy efektivně odděluje od látky - v leptonové éře asi 0,2sec. po big bangu; zde existuje reálná naděje úspěšně detekovat
reliktní neutrinové záření v dohledné budoucnosti.
  Energie všech dalších anihilací přechází téměř všechna na elektromagnetické záření. To se oddělilo od ostatní látky po rekombinaci elektronů s jádry (vodíku a hélia) při teplotě ~3.10
3 °K, což představovalo fázový přechod z plasmového skupenství do plynného skupenství, pro toto elektromagnetické záření průzračného. V té době mělo elektromagnetické záření vlnovou délku v průměru kolem 700nm, což odpovídá hranici viditelného a infračerveného optického oboru. Vlivem expanze vesmíru se vlnová délka tohoto elektromagnetického záření tisíceronásobně prodloužila na asi 1 milimetr (do mikrovlnné oblasti) a nyní je detekováno jako reliktní radiové záření odpovídající teplotě 2,7°K.
  Ještě před touto rekombinací zřejmě existovaly v ionizované látce vesmíru nehomogenity a turbulence vyvolávající tlakové vlny připomínající vlny zvukové. To způsobovalo místní zhuštěniny a naopak okrsky menší hustoty. Po rekombinaci a oddělení fotonů od látky tyto nehomogenity "zamrzly" a měly by být pozorovatelné jako jemné nehomogenity mikrovlnného záření (řádu mikrokelvinů) na globálně homogenním pozadí reliktního záření. Reliktní záření s sebou nese jakýsi "otisk" vesmíru, jak vypadal asi 300 000 let po velkém třesku - nese ho ve svých nehomogenitách. Postupné zpřesňování detekční techniky s použitím satelitních měření patrně umožní v blízké budoucnosti tyto subtilní nehomogenity rozlišit na "popředí" mnohem silnějších signálů ze sluneční soustavy a mezihvězdné hmoty v Galaxii.
Změny skupenství látky ve vesmíru 
Při své evoluci tedy hmota ve vesmíru prošla
fázovými přechody mezi několika "skupenstvími". Úplně na počátku to bylo zcela amorfní "skupenství" unitárního pole, z něhož se postupně oddělovaly gravitační, silné, slabé a elektromagnetické interakce. V nesmírně "horkém" a hustém počátku vesmíru patrně nebyly žádné struktury. Jak se vesmír rozpínal a chladnul, vytvářely se v něm postupně složitější struktury. Po oddělení silné interakce vznikly kvarky a látka byla patrně ve "skupenství" kvark-gluonové plasmy, zmíněné výše v části "Etapy vývoje vesmíru" (zvané též "5.skupenství hmoty"). V čase asi 10ms vlivem poklesu teploty~energie se kvarky vlivem silné interakce, zprostředkované gluony, vázaly v baryony (3 kvarky) a mesony (kvark-antikvark) - došlo k hadronizaci kvark-gluonové plasmy. Ve vesmíru se tak vytvořily protony a neutrony, došlo k fázovému přechodu na hadronovou plasmu, začala hadronová éra. Zde se vzápětí odehrál fázový přechod anihilace baryonů a antibaryonů. Po uplynutí několika desítek sekund (na konci leptonové éry) se látka vesmíru ochladila natolik, že zbylé protony a neutrony (baryonová asymetrie) se mohly spojovat v lehká atomová jádra deuteria, hélia, lithia: látka vesmíru se stala "obyčejnou" plně ionizovanou plasmou ("4.skupenství" hmoty) - horkou směsí volných záporných elektronů a kladných iontů vodíku a hélia. Poslední fázový přechod v raném vesmíru se odehrál v čase asi 300 000 let, kdy látka-plasma ochladla pod cca 3000°K a elektrony se začaly trvale vázat s protony a jádry hélia za vzniku neutrálních atomů vodíku a hélia: došlo k fázovému přechodu z plasmového skupenství do plynného skupenství.
  V tomto plynném skupenství pak zůstala látka vesmíru po dobu min. 100-200 miloónů let, až do vzniku prvních hvězd, v jejichž nitru docházelo opět k zahřívání, ionizaci a vzniku
plasmatického skupenství. V mezihvězdném a mezigalaktickém prostoru zůstává většina látky v plynném skupenství (volné řídce rozložené atomy), určitá část však kondenzuje do pevného skupenství malých částeček vesmírného prachu. V plyno-prachových discích kolem vznikajících hvězd pak gravitační kondenzací vznikají planety, na nichž se vyskytují všechna 3 běžná skupenství - plynné, pevné i kapalné.

Jak můžeme poznávat nejranější stádia evoluce vesmíru?
Zjednodušená lakonická odpověď zní: "
nijak!". Přímé stopy nejranějších stádií jsou další evolucí vesmíru natolik "zahlazeny" *), že nejsou přímo pozorovatelné. Poměrně velké množství různých počátečních stavů je schopno rychle konvergovat k témuž rovnovážnému stavu, který slouží pak jako výchozí pro další evoluci. Tato "vesmírem zapomenutá" počáteční stádia mohou být rekonstruována snad jedině teoreticky (viz ale následující pasáž o mikrovlnném reliktním záření).
*) Toto "zahlazení" se vztahuje především na nejranější stádia kolem velkého třesku a inflační fáze. Avšak i v pozdějších etapách, po vzniku galaxií, první generace velkých a svítivých hvězd mohla silně ionizovat mezigalaktický vodík, což by způsobilo zahlazení jemnějších spektrálních struktur z období těsně po rekombinaci a oddělení záření od látky.
  V počátečních stádiích byl vesmír velmi horký a hustý - byl v plasmatickém skupenství, které nepropouští světlo ani žádné jiné elektromagnetické záření. Při pozorování v elektromagnetickém záření se proto můžeme dostat jen na konec velkého třesku - konec éry záření asi 400 000 let po začátku, ke sféře posledního rozptylu elektromag. záření (mikrovlnné reliktní záření). Dál do minulosti již nevidíme, protože tehdejším horkým a hustým ionizovaným prostředím světlo ani jiné elektromagnetické záření neprochází. Jsou však dvě entity - radiační modality, které jsou schopné jím procházet a "vynášet" tak některé informace o velmi raném vesmíru:
-  Neutrina,
která nemají elektrický náboj a nedisponují ani silnou interakcí, pouze interakcí slabou. Díky tomu mají neobyčejnou pronikavost i velmi "exotickými" prostředími
(vznik a fyzikální vlastnosti neutrin jsou podrobněji popsány např. v §1.2. monografie "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření", část "Neutrina - "duchové" mezi částicemi"). Kosmologická neutrina vznikala především v leptonovém období v 1. sekundě, takže reliktní neutrina z toho období by mohla nést informaci o raném vesmíru. Jejich původně vysoká kinetická energie a hustota velice poklesla v důsledku expanze vesmíru. Zatím je neumíme detekovat.
-  Gravitační vlny,
které byly generovány při bouřlivých procesech vzniku vesmíru, by v principu mohly přinášet informace o nejranějším vesmíru, z inflačního období cca 10
-35 sekundy. I když při expanzi vesmíru enormě zeslábly a prodloužily svou vlnovou délku pod měřitelnou úroveň, mohly na konci éry záření zanechat svůj "otisk" na reliktním záření (§2.7, pasáž "Měření polarizace reliktního mikrovlnného záření").

Mikrovlnné reliktní záření - unikátní posel zpráv o raném vesmíru 
Koncepce horkého a hustého počátku vesmíru - teorie velkého třesku - tedy ukazuje, že v období prvních 300 000 roků po velkém třesku byla látka ještě tak horká a hustá, že nemohly existovat atomy a látka byla ve stavu plně ionizované plasmy, v níž se fotony, elektrony, protony a jádra hélia prudce srážely. Nejčastěji docházelo ke kolektivním interakcím ("srážkám") elektromagnetických fotonů s elektrony. Plasmatické skupenství je neprůhledné pro elektromagnetické vlny. Každý elektromagnetický foton je po svém vyzáření během několika milimetrů či centimetrů pohlcen elektronem, načež je znovu vyzářen v náhodném směru se změněnou energií.
Comptonův a Thomsonův rozptyl 
Na začátku éry záření měly fotony vysokou energii (řádově MeV, odpovídající záření gama) a s elektrony interagovaly tvorbou elektron-pozitronových párů a Comptonovým rozptylem
(viz např. §1.6 "Ionizující záření", část "Interakce záření gama a X" v knize "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Na konci éry záření, kdy energie fotonů již byla mnohem menší než klidová energie elektronů (Eg= n.h << me.c2), se pak jednalo o Thomsonův rozptyl - pružný rozptyl elektromagnetického záření na volných elektronech: elektrické pole dopadající vlny urychluje nabitou částici (zde elektron), což způsobuje, že tato zrychleně se pohybující částice bude zase vyzařovat elektromagnetické vlnění o stejné frekvenci jako vlna dopadající. Kinetická energie částic a frekvence fotonů bude stejná před i po rozptylu, změní se pouze směr jejich pohybu. Částice se bude pohybovat ve směru oscilujícího elektrického pole, což vede k elektromagnetickému dipólovému záření (§1.5 "Elektromagnetické pole. Maxwellovy rovnice."). Pohybující se částice nejsilněji vyzařuje ve směru kolmém k jejímu pohybu a rozptýlené záření bude polarizované podél směru jejího pohybu. Thomsonovsky rozptýlené záření z malého objemového elementu se proto může jevit jako více či méně polarizované, v závislosti na úhlu z jakého je pozorováno. Celkově z většího objemu plasmy jsou polarizační směry chaoticky proměnné a záření je nepolarizované. Makroskopicky se může polarizace manifestovat při kolektivních interakcích záření s velkým počtem elektronů. To nastává u Thomsonova rozptylu v případě heterogenní plasmy, kde určité "poruchy" (teplejší či chladnější oblasti) se mohou projevit nejen rozdílnou intenzitou, ale i změnami polarizace emitovaného záření. A to by se mohlo projevit i u záření emitovaného z vesmírné plasmy na konci éry záření - u reliktního mikrovlnného záření (jak bude diskutováno níže a bylo uvedeno i v §2.7, pasáž "Měření polarizace reliktního mikrovlnného záření").
  Ve formě plasmy setrvávala látka až do doby cca 400 tisíc let po velkém třesku, kdy vesmír zchladl na 3000°K, atomová jádra (především vodíku a hélia) mohly zachycovat elektrony účinněji, než je stačilo vyrážet záření - docházelo k "rekombinaci", vznikaly neutrální atomy. Došlo k fázovému přechodu látky z plasmatického skupenství do skupenství neutrálního plynu. Velmi rychle tak z látky vymizely volné elektrony, vesmír se stal průhledný pro záření (teploty nižší než 3000°K), jehož fotony od tohoto času oddělení již nevznikaly ani nezanikaly, volně putovaly vesmírem, přičemž se prodlužovala jejich vlnová délka v důsledku expanze vesmíru (kosmologického rudého posuvu). Za 13 miliard let expanze se vlnová délka tohoto "dosvitu" velkého třesku - reliktního záření *) prodloužila milionkrát, na asi 1 milimetr, a jeho teplota se tak snížila tisíckrát až na dnešních 2,7°K. Reliktní záření se často označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background = kosmické mikrovlnné pozadí).
*) Toto záření je pozůstatkem - reliktem - z doby blízké počátku vesmíru, z konce velkého třesku, z éry záření.
  Při četných interakcích v ionizované plasmě, kde každá částice byla mnohokrát rozptýlena, absorbována a znovu emitována, se látka dostala do stavu termodynamické rovnováhy *). Reliktní záření přichází z plasmy, která byla ve stavu termodynamické rovnováhy a má proto konstantní teplotu (stejné vlnové spektrum) nezávisle na směru, odkud přichází (drobné fluktuace jsou zmíněny níže).
*) Rozpínání vesmíru, i když bylo mnohem rychlejší než nyní, pro jednotlivé částice trvalo přece jen dlouhou dobu ve srovnání s časem uběhlým mezi jednotlivými srážkami. Každá částice tedy stačila mnohokrát předat si vzájemně svou kinetickou energii s ostatními částicemi. Toto však nemuselo platit ve velmi raných fázích prudké expanze; vzniká problém globální homogenity a izotropie diskutovaný níže v části "Obtíže a problémy standardního kosmologického modelu", pasáž "Problém homogenity a izotropie".
Detekce a zobrazení reliktního záření 
Mikrovlnné reliktní záření prostupuje celý vesmír a nachází se i všude kolem nás, ale našimi smysly ho nedokážeme vnímat, oko je na mikrovlny necitlivé. Dokáží jej registrovat pouze vysoce citlivé elektronické přístroje vysokofrekvenční techniky v oblasti velmi krátkých vln. Ve speciálně tvarovaných vodičích - anténách - těchto přístrojů mikrovlnné záření indukuje slabé elektrické signály: střídavé elektrické napětí o vysokých frekvencích (desítky až stovky GHz), které se v elektronických obvodech mnohotisíckrát zesiluje a pak se registruje jeho amplituda a frekvence.
  Pro přímou rádiovou detekci nejvyšších frekvencí stovek GHz submilimetrových vln CMB současná slaboproudá elektronika zatím nedisponuje dostatečně rychlými elektronickými součástkami
(ve stadiu vývoje jsou např. single-elektronové tranzistory a heterostrukturní tranzistory HEMP s vysokou pohyblivostí elektronů). Pro tyto oblasti, blížící se již tepelnému infračervenému oboru, se proto používají termoelektronické techniky využívající termistorů, tzv. bolometry (jejich funkce je podrobněji popsána např. v §2.5 "Polovodičové detektory", část "Mikrokalorimetrické detektory", obr.2.5.2, knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Tento element sestává z absorbčního materiálu (tenké vrstvy kovu), v němž pohlcení záření vyvolá zvýšení teploty. Toto zvýšení teploty se měří termorezistorem s vysokým teplotním koeficientem. Zvláště perspektivním se jeví využití ostrého náběhu supravodivosti některých materiálů v teplotní oblasti desetin °K - TES (Transition Edge Sensor).
  Pro dostatečně citlivé měření nepatrných teplotních diferencí reliktního záření (očekávaných na úrovních mikrokelvinů) je nutno vstupní předzesilovače a bolometrické detektory pro snížení šumu chladit pomocí kapalného hélia na teploty blízké absolutní nule; u supravodivých bolometrů je to samozřejmě základní podmínka jejich fungování...
  Zobrazení reliktního záření spočívá ve změření reliktního záření (jeho intenzity, vlnové délky, příp. polarizace) z mnoha různých směrů a ve vykreslení astronomické mapy oblohy v těchto veličinách. Primárním zobrazovacím prvkem detektoru reliktního mikrovlnného záření je teleskopický objektiv - kulové či parabolické zrcadlo, nebo refrakční čočka, který vytvoří optický obraz mikrovlnného záření do ohniskové roviny. V ohnisku je umístěn detektor - anténa - mikrovlnného záření. Buď se jedná o jeden detektor a zobrazení se dosahuje natáčením objektivu do různých úhlů. U složitějších systémů bude použito celé pole - matice detektorů ("antének"), která bude naráz snímat obraz CMB v celém zorném poli objektivu.
  Základní měření spočívá v detekci intenzity CMB v několika frekvenčních pásmech, což v zobrazovacím režimu poskytne mapu izotropie reliktního záření co do intenzity a spektra. Na pozadí globální izotropie reliktního mikrovlnného záření se
(při dostatečné citlivosti aparatury) zobrazí okrsky mírných fluktuací - drobná anizotropie CMB v místech zárodků galaxií.
  Měření polarizace mikrovlnného záření se provádí pomocí vhodné konstrukční úpravy antén, při níž se signál po průchodu anténou dělí na odezvy ze dvou kolmých směrů. Může to být osnova drátků natažených ve dvou k sobě kolmých směrech, nebo osnova kolmých bolometrických proužků, příp. přijímaný signál může být rozdělen a k detekci veden dvěma k sobě kolmými vlnovody. Takové antény vykazují maximumální citlivost k záření polarizovanému rovnoběžně s jejich směrem, takže elektronickým vyhodnocením odezvy z obou částí lze stanovit směr polarizace dopadajícího záření
(rozdíly v polarizaci reliktního záření se očekávají velmi malé; budou detekovatelné až ve zdokonalených systémech).
  Milimetrové elektromagnetické vlny jsou silně pohlcovány ve vodě, takže jsou částečně pohlcovány i ve vzdušné vlhkosti v atmosféře. Vhodnými místy pro detekci mikrovlnného reliktního záření proto jsou oblasti s minimálním zastoupením vodní páry:
1. Otevřený vesmír - kosmické sondy - což je samozřejmě nejvhodnější místo pro detekci CMB.
2. Vysokohorské oblasti
. 3. Pouštní oblasti. 4. Polární oblasti, kde vodní páry v atmosféře "vymrzají" při nízkých teplotách.
V těchto místech je plánována výstavba složitých zařízení pro detekci a analýzu reliktního mikrovlnného záření *).
*) V dodatku na konci této kapitoly jsou uvedeny
aktuální realizace těchto citlivých experimentů.
 
 Osvobozené fotony reliktního záření mají vlastnosti zformované při několika posledních interakcích s původní plasmou a nesou tak informaci o podmínkách v době cca 400 000 let po vzniku vesmíru - ze sféry posledního rozptylu. Informace o dřívějších událostech ve vesmíru v nich přímo obsaženy nejsou, můžeme se však pokusit rekonstruovat je teoreticky, srovnáváním modelových předpovědí tehdejšího chování vesmíru a jejich odrazu na distribuci hmoty v době rekombinace s naměřenými daty o mikrovlnném záření.
  Co tedy můžeme z reliktního záření zjistit? Především, změřením spektra, tj. závislosti intenzity záření na vlnové délce zjišťujeme, že reliktní záření je opravdu zářením absolutně černého tělesa s Planckovým spektrem o teplotě 2,73°K. Přesné změření spektra - vlnové délky, teploty - reliktního záření umožňuje (v koprodukci s měřením kosmologických rudých posuvů spekter) upřesnit stáří vesmíru. Ve větších měřítcích je toto záření izotropní *) s uvedenou teplotou , avšak v menších úhlových rozměrech se dají očekávat malé fluktuace
(na úrovni pouhých desítek mikrokelvinů) iniciované předpokládanými nehomogenitami látky v období rekombinace (bylo diskutováno výše v pasáži "Fázové přechody ve vesmíru"). Tyto mikrokelvinové fluktuace intenzity reliktního záření nepochybně změří budoucí družicové přístroje s vysokým rozlišením. Vznikne tak podrobná mikrovlnná mapa velkorozměrové struktury vesmíru, která bude zachycovat zárodky, v nichž pravděpodobně vznikaly kupy galaxií a galaxie.
*) Globální izotropie platí pro pozoro)vatele který je v klidu vzhledem ke kosmologické expanzi vesmíru. Jelikož se však naše Země pohybuje při obíhání kolem Slunce (rychlostí ...km/s) a naše sluneční soustava se pohybuje při obíhání kolem středu Galaxie (rychlostí ...km/s), lze očekávat mírnou anizotropii reliktního záření. Tato anizotropie je však čistě kinematického původu a nemá nic společného se skutečnými astrofyzikálními vlastnostmi reliktního záření. Při přesných měřeních vlastností CMB je nutno tyto kinematické efekty odečíst od nativních změřených dat a analyzovat zbylou drobnou, ale skutečnou astrofyzikální anizotropii reliktního záření.
Vliv gravitačních fluktuací metriky ve vesmíru na reliktní záření - Sachs-Wolfův efekt 
Jak bylo analyzováno v §2.4, pasáž "
Gravitační elektrodynamika a optika", elektromag. vlnění při průchodu gravitačně zakřiveným prostoročasem podléhá frekvenčnímu posuvu ("Gravitační frekvenční posun") a zakřivování směru šíření. Toto gravitační ovlivňování se zákonitě uplatňuje i u reliktního záření přicházejícího z dalekého vesmíru. Probíhá v zásadě ve dvou etapách :
1. Již při svém vyzáření z povrchu posledního rozptylu bude vlnová délka ("teplota" DT) CMB ovlivněna místním gravitačním potenciálem f : DT/T = f/c2 - tato obvyklá hodnota červeného posuvu by platila ve statickém neexpandujícím vesmíru. Ve skutečnosti se však vesmír rozpíná s časem t, a=a(t), což efektem dilatace času přispívá hodnotou DT/T = - Da/a, závislou na konkrétním kosmologickém modelu. V nejjednodušším případě plochého vesmíru popsaného Fridmanovým modelem s dominující látkou v době rekombinace vesmír expanduje s 2/3 mocninou času: a(t) ~ t2/3, čímž se 2/3 normálního rudého gravitačního posuvu zruší. Výsledný efekt pozorované změny teploty mikrovlnného reliktního záření, způsobené gravitačním potenciálem na povrchu posledního rozptylu, tedy činí DT/T = f/3c2. Je 3-krát menší než by se dalo očekávat za běžných podmínek bez expanze.
2. Mikrovlnné reliktní záření při své dlouhé cestě vesmírem bude reagovat na fluktuace metriky - gravitačního potenciálu. Při šíření rozlehlými prostory vesmíru reliktní vlny - fotony CMB - procházejí místy s velkým nahromaděním hmoty v kupách galaxií, i rozsáhlými "prázdnotami". V těchto místech se fotony CMB setkávají s výraznými fluktuacemi gravitačního potenciálu - potenciálními "vrcholy" a "jámami". Během příchodu reliktního záření do míst "lin" zvýšeného nahromadění hmoty dochází k modrému gravitačnímu posuvu, u prázdnějších míst zase k červenému posuvu. Při výstupu záření z těchto míst, "lout", je tomu opačně, modrý a rudý posuv se vystřídají. Dalo by se očekávat, že gravitační frekvenční posuvy ze vstupu a výstupu se vyruší; tak by tomu bylo ve statickém vesmíru.
  Vesmír se však rozpíná, takže v časovém intervalu mezi vstupem fotonů CMB do rozsáhlých gravitačních anomálií a jejich výstupem do běžného vesmíru
(který může trvat i miliardy let!), se poněkud změní metrika prostoročasu; složka goo metrického tenzoru mezitím zeslábne.... Takže frekvenční posuv při výstupu je poněkud menší než odpovídá původní změně energie při vstupu - nepatrná část frekvenčního posuvu (změny teploty DT) ze vstupu procházejícímu záření již trvale zůstane. Lze to vyjádřit integrálním vztahem DT/T = 2. lin ň lout (f·/c2)dl/c, kde f· je rychlost časové evoluce perturbovaného potenciálu ovlivněného gravitační fluktuací, dl je element délky ve směru pohybu fotonu. Sumárně to lze vyjádřit jako DT/T » Dl . 2 Df/c2, kde Df je velikost změny gravitačního potenciálu vlivem expanze vesmíru na délce Dl = lout- lin pohybu fotonu v gravitační anomálii. K takovéto modifikaci DT/T radiační teploty tedy dochází, když při průchodu záření rozsáhlými oblastmi prostoru s výrazně zvýšenou či sníženou distribucí hmoty probíhá výrazná evoluce gravitačního potenciálu v době mezi vstupem do- a výstupem fotonů z gravitační anomálie - potenciálové "jámy" či "kopce".
  Výsledkem je, že reliktní záření procházející hmotnými oblastmi kup galaxií se bude jevit nepatrně teplejší, zatímco záření procházející rozsáhlými oblastmi prázdnoty bude o něco chladnější. Při budoucích citlivých měřeních nehomogenit CMB bude potřeba rozlišovat mezi skutečnými fluktuacemi, pocházejícími z raných období oddělení elmag. záření, od pozdějších fluktuací způsobených průchodem záření přes rozsáhlé gravitační anomálie ve vesmíru..!..
  Vliv fluktuací metriky - gravitačního potenciálu - ve vesmíru na anizotropii reliktního mikrovlnného pozadí se někdy nazývá Sachs-Wolfe effect, podle autorů, kteří jej v r.1967 analyzovali. Proces podle bodu 1. se někdy označuje jako základní či raný, proces 2. fluktuací metriky při průchodu CMB rozsáhlými oblastmi kup galaxií či prázdnotami jako pozdní integrální Sachs-Wolfe efekt, či Rees-Sciama effect (1968).
Pozn.:  Integrovaný Sach-Wolfe efekt se neuplatňuje ve zjednodušeném Einstein-deSitterově modelu, kde potenciál
f vychází konstantní. Nastává pouze u kosmologických modelů s Wmą1nebo WLą1 (§5.3, pasáž "Relativní W-parametrizace kosmologických modelů").
Polarizace reliktního záření 
Potenciálně zajímavé informace o ještě ranějším vesmíru by mohly být zakódovány v polarizaci reliktního mikrovlnného záření. Základní reliktní záření, vznikající při chaotických interakcích částic v horké plasmě, je nepolarizované
(§1.1, část "Metody zkoumání přírody"). Polarizaci mu mohou vtisknout dvě okolnosti :
1.  Hustotní či teplotní změny v horké plasmě vedou k drobné polarizaci v radiálním směru kolem místa zvýšené hustoty. Označuje se jako E-mód polarizace
(název je odvozen od vlastností vektoru E intenzity elektrického pole vybíhající z okolí bodového náboje), rovina elektrického pole kmitá ve dvou kolmých směrech. Tato polarizace může vhodně doplňovat měření fluktuací intenzity reliktního záření.
2.  Gravitační vlny kvadrupólového charakteru deformují plasmu v diagonálních směrech a způsobují polarizaci reliktního záření v tzv. B-módu
(připomínajícího víry magnetického pole popsaného vektorem magnetické indukce B), kde vektor intenzity pole kmitá ve směrech 45o. Zde jsou to předpokládané primordiální gravitační vlny, pocházející z období kosmologické inflace (§5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír."). Tyto mohutné gravitační vlny specifickým způsobem (kvadrupólově) zdeformují plasmu, na jejichž elektronech pak při Thomsonově rozptylu záření může docházet k polarizaci vlnění (jak bylo výše zmíněno). Změření polarizace reliktního záření by tak mohlo být zajímavým informačním kanálem o tom nejranějším vesmíru, odkud se nic kromě gravitačních vln nemůže dostat (přímo detekovat gravitační vlny, tím méně primordiální, neumíme). Je podrobněji diskutováno v §2.7, pasáž "Měření polarizace reliktního mikrovlnného záření".
"Okno" do raného vesmíru 
Celkově lze říci, že reliktní mikrovlnné záření, jakožto nejstarší "světlo" či elektromagnetické vlnění
(původně bylo opravdu světlem), je v současné době nejdůležitějším zdrojem informací o raném vesmíru, přinášejícím jedinečné informace z doby, kdy ještě nebyly žádné hvězdy ani galaxie, ba ani atomy a molekuly, neexistovala žádná látka podobná té kterou známe a z níž jsme složeni my i všechno kolem nás. Přináší informace z doby, kdy se teprve zakládaly podmínky pro vznik nyní pozorovaných struktur ve vesmíru a nepřímo možná může přinést i informace z událostí samotného vzniku vesmíru. Astronomie mikrovlnného záření je tak unikátním "observačním oknem" do velmi raného vesmíru, které se s pokrokem detekčních technologií bude nepochybně stále více pootevírat...

Obtíže a problémy standartního kosmologického modelu
I když standartní kosmologický model velmi přesvědčivě popisuje evoluci vesmíru a je nyní téměř všeobecně přijímán, v jeho původní verzi existují některé sporné otázky a problémy. Toto je jejich heslovitý výčet:
- Problém počáteční singularity
- Problém rovinnosti vesmíru
- Problém horizontu - globální homogenity a izotropie vesmíru
- Problém baryonové asymetrie hmoty vesmíru
- Problém nepřítomnosti reliktních magnetických monopólů a dalších exotických částic
- Problém počátečních nehomogenit nutných k pozdějšímu vytvoření galaxií a velkorozměrové struktury vesmíru
- Problém velkých čísel a Planckových měřítek
  Zmíníme se zde o některých z nich, jakož i o pokusech řešit je nejdříve v rámci konvenční kosmologie, posléze pak, v příštím §5.5, na základě modelu inflační expanze velmi raného vesmíru.

Problém počáteční singularity
Nejzákladnějším problémem jak z fyzikálního, tak z filosofického hlediska, je
problém singularity na počátku vesmíru a s ním související konečnost vesmíru v čase. Když půjdeme v čase zpátky, tak na počátku vesmíru bude enormě narůstat teplota a hustota látky, jakož i zakřivení prostoročasu, až nade všechny meze, všechno bude divergovat k nekonečnu, vzniká singularita. Podle Fridmanových kosmologických modelů měl vesmír v každém případě svůj singulární počátek (a pokud je r > rkrit, bude mít i svůj singulární konec), zatímco zákony zachování elektrického, baryonového a leptonového náboje, stejně jako některé filosofické argumenty, hovoří ve prospěch věčné existence vesmíru.
  Byly proto činěny pokusy "zachránit věčný vesmír" a vyhnout se tak problému vzniku, tj. otázce "co bylo, když ještě nic nebylo?". Jedním z takových pokusů je model tzv. oscilujícího vesmíru beroucí doslovně řešení (5.28), podle něhož v uzavřeném vesmíru velký třesk není počátkem evoluce (a "velký krach" koncem evoluce), nýbrž vesmír prodělává nekonečnou posloupnost cyklů rozpínání a smršťování (obr.5.6). Tato představa naráží však na dva principiální nedostatky.
  První je geometricko-topologický: pokud platí OTR, musí vesmír při smršťování projít singularitou (jak plyne z Hawkingových a Penroseových teorémů, speciálně z teorému 3.6, viz §3.8), za niž řešení již nelze analyticky prodloužit. Není znám žádný mechanismus, pomocí něhož by se vesmír po dosažení singularity znovu začal rozšiřovat (aspoň ne jako "tentýž vesmír").
  Druhá potíž pramení z termodynamiky: pokud je splněn 2.zákon termodynamiky, entropie hmoty ve vesmíru monotónně roste jak při rozšiřování, tak při smršťování (ke zvláště výraznému růstu entropie dochází při tvorbě hvězd, jaderných reakcích a gravitačním kolapsu). Pomineme-li spekulace o "dodání záporné entropie" singularitou, entropie z jednoho cyklu na druhý roste o konečnou nenulovou hodnotu. Proto jednotlivé po sobě jdoucí cykly nemohou být stejné. V každém následujícím cyklu je energie, připadající na jeden baryon, větší než v cyklu předcházejícím, takže i velikost maximálního poloměru je větší. Vlivem růstu entropie by tedy evoluce oscilujícího vesmíru vypadala tak, jak je znázorněno na obr.5.6b - neustále roste amplituda a perioda jednotlivých cyklů. Jelikož v současném vesmíru má hmota konečnou entropii, mohl vesmír prodělat pouze konečný počet takových cyklů.
  Model oscilujícího vesmíru tedy není schopen vyjádřit věčnou existenci vesmíru od t = - Ą; problém vzniku vesmíru pouze odsouvá dále do minulosti. Podle poznatků současné astrofyziky se zdá, že pokud je vesmír uzavřený, je jednocyklový *).
*) Současná poznámka: Některé nové alternativní hypotézy do procesu vzniku a evoluce nejranějších fází vesmíru však vnášejí nové výzkumy v teorii superstrun - viz pasáž "Astrofyzikální a kosmologické důsledky teorie superstrun" §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny.".


Obr.5.6. Časová závislost poloměru uzavřeného vesmíru (
r>rkrit) podle oscilujícího modelu.
a) Nejjednodušší představa nekonečné posloupnosti identických cyklů rozpínání a smršťování vesmíru.
b) Vlivem růstu entropie se perioda i amplituda oscilací neustále zvětšuje.

Od řešení problému singularity a vzniku vesmíru, který má v rámci klasické teorie téměř metafyzický charakter, je současná kosmologie ještě velmi daleko, i když některé hypothézy "kvantové kosmologie" již byly vysloveny (viz příští §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír."). Je třeba si uvědomit, že ve standardním kosmologickém modelu singularita vzniká striktní "přímočarou" extrapolací nynějšího chování vesmíru (Hubbleovy expanze) k počátečnímu času t=0 za použití klasické obecné teorie relativity. Takto vzniklá singularita je jen matematickou abstrakcí. Ve skutečnosti v raných fázích hustého a horkého vesmíru hrály důležitou úlohu kvantové zákonitosti gravitace i ostatních interakcí (výše diskutované v pasáži "Velmi raný vesmír"). Zahrnutí těchto kvantových interakcí do kosmologického modelu může počáteční singularitu odstranit - vesmír na počátku nemusel být singulární, mohl mít sice velmi vysokou, ale konečnou, hustotu a teplotu (srov. též diskusi "Fyzikální nereálnost singularit" na začátku §3.7 "Prostoročasové singularity").

Problém homogenity a izotropie
  Dalším problémem kosmologie je problém globální homogenity a izotropie vesmíru
. Ve světle standartního scénáře vzniku a evoluce vesmíru se totiž objevuje netriviální otázka: proč je vesmír z globálního hlediska tak homogenní a izotropní? Jsou v principu dvě krajní možnosti :

  První možnost by v podstatě nebyla žádným rozumným vysvětlením, protože příčinu homogenity a izotropie pouze odsunuje do principiálně nepoznatelné iniciální singularity. Rovněž kvantové efekty vedou spíše k domněnce, že v iniciálních fázích musely vznikat fluktuace způsobující nehomogenity a anizotropie. Proto bylo v kosmologii hodně úsilí věnováno výzkumu modelů obecnějších než Friedmanovy, tj. anizotropních a příp. i nehomogenních kosmologických modelů, ve snaze najít účinné mechanismy jejich "izotropizace" v průběhu expanze a přechodu na Friedmanovské již v raném stádiu. Tak by se mohlo podařit vysvětlit onu vysokou homogenitu a izotropii vesmíru, kterou pozorujeme.
   
Nejjednodušším anizotropním kosmologickým modelem je anizotropní homogenní prostoročas (vesmír) s eukleidovským trojrozměrným prostorem, v němž expanze v různých směrech může probíhat různě rychle. Metrika takového modelu má tvar

ds2   =   - dt2 + a2(t) dx2 + b2(t) dy2 + c2(t) dz2   , (5.36)

kde rozdílnost funkcí a, b, c, závisejících pouze na čase, vyjadřuje anizotropii expanze. Einsteinovy rovnice pro tuto metriku (tečky nad a,b,c znamenají opět časové derivace)

(5.37)

obsahují pouze relativní rychlosti .a/a a relativní zrychlení ä/a (podobně b a c) expanze v jednotlivých směrech. Vakuová řešení těchto rovnic (bez pravé strany) nalezl Kasner již ve 20.letech [149] :

a   =   ao . t p1 ,   b   =   bo . t p2 ,   c   =   co . t p3   , 
kde   p1 + p2 + p3 = 1 ,  p12 + p22 + p32 = 1  .
(5.38)

V tomto Kasnerově řešení zůstává pouze jeden ze třech parametrů p1,p2,p3 nezávislý. Zvolíme-li p1 < 0, bude -1/3 Ł p1 Ł 0 , 0 Ł p2 Ł 2/3 , 2/3 Ł p3 Ł 1 - expanze probíhá ve dvou směrech Y a Z, zatímco ve třetím směru X probíhá kontrakce. Kasnerovo řešení je použitelné tehdy, když levá strana Einsteinových rovnic je podstatně větší než pravá strana; to je splněno speciálně na samém začátku evoluce v okolí singularity (dynamika zde nezávisí na přítomnosti hmoty - jedná se o "vakuovou fázi"). Další zobecnění na anizotropní nehomogenní model lze dosáhnout tím, že funkce a,b,c v (5.36), popř. parametry p1,p2,p3 v (5.38), se budou měnit od místa k místu. Výsledky analýzy takových modelů jsou však pro velký počet proměnných dosti nejednoznačné.
   Fyzikální mechanismy izotropizace anizotropního raného stádia vesmíru v průběhu další evoluce mohou být klasické i kvantové. Z klasického hlediska lze ukázat, že při "hydrodynamické" stavové rovnici látky vyplňující vesmír tvaru p = k.r (a speciálně tedy i pro horký vesmír s p = r/3) velmi brzy převáží členy na pravé straně Einsteinových rovnic, což vede k rychlému přechodu Kasnerovského anizotropního řešení na Friedmanovské izotropní řešení. Z kvantového hlediska je jasné, že v blízkosti singularity při anizotropní deformaci prostoru musí docházet k velmi intenzívní tvorbě částic z polarizovaného vakua. Tato spontánní kvantová produkce částic v blízkosti singularity ovlivní dynamiku evoluce a může vést k velmi účinné disipaci anizotropie (existuje jakási kvantová "viskozita vakua").

Problém horizontu
Všechny tyto mechanismy mohou vést k lokální izotropizaci
vesmíru. Při objasňování globální homogenity a izotropie vesmíru však narážíme na další principiální potíž. Nutnou podmínkou toho, aby nějaké fyzikální procesy v raných stádiích kosmologické expanze mohly zajistit celkovou homogenitu a izotropii vesmíru je, aby všechna místa oblasti, v níž má homogenita vzniknout, byla během činnosti vyrovnávajících procesů příčinně spojena. Jen tehdy může dojít k vyrovnání nehomogenit patřičným "promícháním" jednotlivých částí. Podle teorie relativity navzájem interagovat mohou pouze takové oblasti, které mohou být spojeny světelným signálem. Ve Friedmanově kosmologickém modelu však existuje optický horizont (mající poloměr zhruba c.t, kde t je doba od počátku existence vesmíru), který je v raném období relativně velmi malý, takže oblasti jež mohly navzájem interagovat za dobu uplynulou od počátku expanze byly příliš malé na to, aby zajistily globální homogenitu a izotropii vesmíru *). Reliktové záření ale ukazuje, že již v období t Ł 105 let od počátku expanze (a pravděpodobně již mnohem dříve - při t Ł 103s, jak ukazuje analýza prvotní nukleosynthézy) byl vesmír vysoce homogenní a izotropní v měřítcích o mnoho řádů větších než horizont c.t ve standartním modelu. V tom spočívá problém horizontu neboli příčinnosti **).
*) Jak bylo zmíněno na začátku tohoto §5.4, čím ranější okamžik při Friedmanovské expanzi podle standartního modelu, tím menší část stávajícího vesmíru je obsažena uvnitř horizontu. Například oblasti vesmíru vzdálené od sebe na nynější obloze o pouhých několik úhlových stupňů, nebyly ještě na konci éry záření (kdy docházelo k rekombinaci a k trvalému oddělení záření od látky) v příčinném styku. V Planckovském období t »10-43 s, kdy podle expanzního zákona standartního modelu měl dnešní pozorovatelný vesmír velikost ~10-3 cm a kauzální horizont velikost ~10-33 cm, vesmír sestával dokonce z ~1090 příčinně oddělených částí!
**) Vzdálené ("protilehlé") oblasti vesmíru se od sebe rozletí příliš rychle, než aby se "stačily dohodnout" že se mají uspořádat tak, aby vesmír později vykazoval tak dokonalou homogenitu a izotropii.

Probém plochosti - přesného naladění vesmíru
Dalším globálním problémem standartního kosmologického modelu je záhada globální rovinnosti neboli
přesného naladění raného vesmíru. Vesmír jako celek pozorujeme na velkých škálách jako téměř dokonale rovný (jen v lokálních měřítcích je zakřivený gravitačním působením jednotlivých vesmírných těles). Veličina |r - rkrit|/rkrit, charakterizující míru odlišnosti vesmíru od rovinného, se v průběhu expanze mění podle zákona

|r - rkrit| / rkrit = 1 / .a2 ,

jak plyne z rovnic (5.23)-(5.26). I když nynější hodnotu průměrné hustoty hmoty ve vesmíru r neznáme zatím příliš přesně (0,05rkrit < r < ~2rkrit), nemůže být současná hodnota |r - rkrit|/rkrit příliš velká, jak ostatně plyne i z antropického principu (§5.6). V raných stádiích evoluce vesmíru, kdy podle (5.35) bylo .a-2 ~ t, však veličina |r - rkrit|/rkrit musela být velice malá; aby současný poloměr vesmíru a byl větší než asi 1026 m, v leptonové éře (t » 1 s) veličina |r - rkrit|/rkrit nesměla být větší než asi 10-8, a v Planckovské době t » 10-43 s musel být vesmír nastaven na kritickou hustotu dokonce s neuvěřitelnou přesností větší než 10-59 (!), pokud expanze probíhala podle standartního kosmologického modelu. Jinak by vesmír buďto již dávno zkolaboval, nebo naopak by se rychle rozptýlil aniž by vznikly galaxie.
  V rámci standartního modelu nelze nijak vysvětlit, proč vesmír ve svých nejranějších stádiích měl hustotu hmoty s tak nesmírně vysokou přesností rovnou kritické hustotě, neboli proč počáteční rychlost expanze b
yla tak přesně "naladěna" na únikovou rychlost?

Problém zárodečných nehomogenit
Z globálního hlediska je vesmír sice homogenní, avšak v menších měřítcích existují výrazné nehomogenní struktury - galaxie, kupy galaxií, hvězdy atd. Aby pozorované galaxie a kupy galaxií mohly gravitační kontrakcí vzniknout, musely již v nejranějších stádiích evoluce vesmíru existovat určité "zárodečné" nehomogenity či fluktuace hustoty s přeně definovaným "spektrem" (v němž amplituda nehomogenit téměř nezávisí na jejich prostorové velikosti). Původ těchto nehomogenit standartní model rovněž není schopen vysvětlit.

Problém baryonové asymetrie 
Mimo možnosti standartního kosmologického modelu leží též problém baryonové asymetrie vesmíru, tj. otázka, proč již v hadronové éře existoval zcela určitý malý přebytek baryonů nad antibaryony vedoucí k tomu, že vesmír je zaplněn pouze hmotou a antihmota se téměř nevyskytuje; přitom by jich mělo být stejné množství, všechny experimenty jaderné fyziky ukazují, že při částicových interakcích dochází vždy ke sdružené produkci částic a antičástic, v poměru 1:1 (bylo diskutováno výše v části "Etapy vývoje vesmíru", pasáži "Velmi raný vesmír" a "Standardní kosmologický model", dále pak bude zmíněno v následujícím §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie", pasáž "Baryonová asymetrie vesmíru").

Problém absence reliktních exotických částic
V nejranějších bouřlivých fázích vzniku vesmíru by podle unitárních teoriích pole mělo vznikat velké množství "exotických" částic (z našeho nynějšího pohledu), jako jsou magnetické monopóly, gravitina, ... Některé z těchto částic jsou dostatečně stabilní a mohly by, jako reliktní, přetrvávat do pozdějších období vesmíru, i do současnosti. Proč je nepozorujeme, ani jejich vliv na evoluci vesmíru?

  Na zmíněné problémy (kromě zcela neřešitelného problému iniciální singularity*) je standartní kosmologický model schopen odpovědět pouze výmluvou, že "počáteční podmínky byly (náhodou či Božím přičiněním?) právě takové, že vesmír má nyní takovou strukturu, jakou pozorujeme". Jindy se "zdůvodnění" počátečních podmínek podává na základě tzv. antropického principu diskutovaného v §5.7 "Antropický princip a existence více vesmírů". Vynoření se vesmíru daných vlastností ze singularity je v rámci standartního modelu jevem bez jakékoliv fyzikální příčiny, který nelze nijak racionálně objasnit. Nelze se proto divit, že otázky příčiny vzniku vesmíru a původu jeho vlastností byly často odkazovány do oblasti metafyziky, ba i theologie. Reálné fyzikální řešení těchto otázek bude nastíněno v následujícím §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír.".
*) Opět je třeba připomenout, že matematická abstrakce singularity je důsledkem extrapolace pomocí klasické obecné teorie relativity, zatímco při zahrnutí kvantových zákonitostí gravitace a ostatních interakcí vznikat nemusí!


---------------- současná poznámka --------------------------
níže uvedené poznatky vznikly až po sepsání knihy "Gravitace, černé díry ...", takže v knižním vydání nebyly obsaženy -----
*) Pokrok v oblasti elektroniky a detekční techniky umožnil realizovat plánované metody uveené v záklaním textu, jakož i řadu novějších experimentů.

5.3. Fridmanovy dynamické
modely vesmíru
  5.5. Mikrofyzika a kosmologie.
Inflační vesmír.

Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu :
Gravitace ve fyzice Obecná teorie relativity Geometrie a topologie
Černé díry Relativistická kosmologie Unitární teorie pole
Antropický princip aneb kosmický Bůh
Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Vojtěch Ullmann