Vodík: 74 % viditelného vesmíru

Téměř tři čtvrtiny (74 %) veškeré viditelné hmoty ve vesmíru tvoří vodík.¹⁾ S trochou nadsázky by se tudíž dalo říci, že historie vesmíru je historií vodíku. V astronomii to v jistém smyslu platí – když mluvíme o ionizovaném prostředí, máme na mysli primárně ionizaci vodíku, molekulární prostředí znamená prostředí, kde existuje vodík v molekulární formě. Proto se na vodík ve vesmíru podívejme důkladněji. Začněme tím, jak vodík vlastně vznikl…

Podle všeobecně uznávané teorie vznikl vodík díky velkému třesku. Vesmír byl po svém vzniku velmi horký, expanzí se ale rychle ochlazoval. Z obvyklých částic se v něm nejdřív objevily ty těžší, tedy protony (jádra vodíku) a neutrony, o něco později lehké částice – elektrony. Při dalším poklesu teploty se protony a neutrony začaly spojovat do těžších jader a vznikalo helium, později také lithium. Tato tvorba trvala přibližně dvacet minut, pak se vesmír ochladil natolik, že další nukleosyntéza už probíhat nemohla.

Výsledkem této primordiální nukleosyntézy je relativní zastoupení vodíku, včetně jeho izotopu deuteria (75 %), helia (25 %) a lithia v hmotě, ze které se později začaly tvořit hvězdy a galaxie. Měření množství těchto prvků je důležitým testem teorie velkého třesku – existence vesmírného objektu, třeba hvězdy hlavní posloupnosti, s výrazně nižším obsahem helia, než je oněch 25 % předvídaných velkým třeskem, by nám způsobila určité problémy. Zatím jsme takový objekt nenašli.

Ale vraťme se k expandujícímu vesmíru. Ačkoli už nemohly probíhat jaderné reakce, teplota vesmíru byla stále ještě vysoká a vodík existoval ve formě plazmatu. Teprve 380 000 let po velkém třesku teplota vesmíru poklesla natolik, že mohly vzniknout atomy vodíku. Této éře se říká epocha rekombinace, což je z hlediska časového vývoje pojem nesprávný, protože atomy vodíku doposud nikdy neexistovaly, takže nemohly re-kombinovat. Fyzikální názvosloví ale vzniklo podle poměrů na Zemi, kde panují trošku jiné podmínky než v raném vesmíru (k rekombinaci plazmatu dochází např. při vypnutí zářivky nebo v tokamaku).

Rovina Mléčné dráhy pozorovaná v různých spektrálních oborech. Střed Galaxie je vždy ve středu obrázku. A. Optický obor: hlavně hvězdy, ale jejich světlo je silně pohlcováno prachem (prach je viditelný jako tmavé oblasti na snímku). B. Blízká infračervená oblast: hlavně hvězdy, ale bez výrazného pohlcování světla prachem. C. Neutrální (atomární) vodík. D. Molekulární plyn (pozorujeme oxid uhelnatý, jeho distribuce odpovídá výskytu molekulárního vodíku H2, který se přímo pozorovat nedá).Snímek NASA

Rekombinací začala doba temna (na tento název jsme přišli nezávisle na Aloisi Jiráskovi a s lepším fyzikálním zdůvodněním). Vesmír byl tvořen neutrálním atomárním vodíkem (s příměsí helia) a v optické oblasti v něm nezářilo nic, protože nebylo, co by svítit mohlo. Postupně, nevíme přesně jak ani jak rychle, vznikly z všudypřítomného atomárního vodíku první hvězdy a první galaxie. K dnešnímu datu (18. 10. 2022) je nejstarší známou galaxií GN-z11 s rudým posuvem 11,09, tedy z doby asi 410 milionů let po velkém třesku. Existují prozatím nepotvrzená pozorování dvou galaxií s rudým posuvem 13 a jedné s rudým posuvem přes 16; té odpovídá stáří vesmíru něco přes 200 milionů let. Doba temna tedy skončila nejpozději 400 milionů let po velkém třesku, a možná jen 200 milionů nebo méně.