อุณหภูมิของจักรวาลในช่วงบิกแบง

ทฤษฎีบิ๊กแบงกำเนิดเอกภพเป็นผลจากการค้นพบโดยนักดาราศาสตร์ เอ็ดวิน ฮับเบิล ที่จักรวาลกำลังขยายตัว หากการขยายตัวสามารถย้อนกลับได้ ในบางช่วงเวลาของจักรวาลจะหดตัวลงสู่จุดเดียวในอวกาศ นักวิทยาศาสตร์ได้อนุมานสภาพและอุณหภูมิของเอกภพในเวลาที่ใกล้เคียงกับภาวะเอกฐานนี้น้อยมาก โดยอาศัยการสังเกตของเอกภพปัจจุบัน

ภาวะเอกฐานคือบริเวณของกาลอวกาศซึ่งสสารถูกบดขยี้อย่างใกล้ชิดจนกฎความโน้มถ่วงอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสลาย ในภาวะเอกฐาน ปริมาตรของสเปซเป็นศูนย์และความหนาแน่นของมันคืออนันต์ อีกวิธีหนึ่งคือความโค้งของกาล-อวกาศนั้นไม่มีที่สิ้นสุด นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าภาวะเอกฐานดังกล่าวมีอยู่ที่แกนกลางของหลุมดำ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดวงอาทิตย์มวลมหาศาลถึงจุดสิ้นสุดของชีวิตและระเบิด ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังต้องการภาวะเอกฐานเช่นนี้ที่จุดเริ่มต้นของจักรวาลที่กำลังขยายตัว

บิ๊กแบงเป็นช่วงเวลาที่ภาวะเอกฐานในยุคแรกเริ่มกลายเป็นจักรวาล จากการสังเกตวัตถุที่อยู่ห่างไกลและการวัดรังสีพื้นหลังของจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ ได้อนุมานอุณหภูมิ ณ เวลาพลังค์ ซึ่งเท่ากับ 10 ล้านล้านล้านล้านล้าน ที่สอง ในขณะนั้น อุณหภูมิอยู่ที่ 100 ล้านล้านล้านเคลวิน (180 ล้านล้านล้านล้านองศาฟาเรนไฮต์) เอกภพได้รับช่วงของการขยายตัวอย่างรวดเร็วซึ่งจบลงด้วยดีก่อนเวลาวินาทีจะผ่านไป ถึงเวลานี้ อุณหภูมิได้เย็นลงถึง 100 พันล้านเคลวิน (180 พันล้านองศาฟาเรนไฮต์)

ประมาณหนึ่งวินาทีหลังจากเกิดบิ๊กแบง จักรวาลมีความหนาแน่นเท่ากับน้ำประมาณ 400,000 เท่า และอุณหภูมิอยู่ที่ 10 พันล้านเคลวิน สสารประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเป็นส่วนใหญ่ หลังจาก 13.8 วินาที อุณหภูมิลดลงเหลือ 3 พันล้านเคลวิน และอีก 3 นาทีกับ 45 วินาทีต่อมา อุณหภูมิลดลงเหลือ 1 พันล้านเคลวิน เมื่อมาถึงจุดนี้ นิวตรอนและโปรตอนเริ่มก่อตัวเป็นฮีเลียมนิวเคลียส อะตอมแรกไม่ได้ก่อตัวขึ้นจนกระทั่ง 700,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง เมื่อถึงเวลานั้น อุณหภูมิก็ลดลงเหลือหลายพันเคลวิน ซึ่งเย็นพอที่โปรตอนและอิเล็กตรอนจะก่อตัวเป็นอะตอมไฮโดรเจน

นอกจากการค้นพบของฮับเบิลว่าจักรวาลกำลังขยายตัว ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีบิ๊กแบงตั้งแต่แรกแล้ว ยังมีอีกสองเหตุผลในการยอมรับทฤษฎีนี้ หนึ่งคือมันคาดการณ์ว่าฮีเลียมที่ก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาของบิกแบงน่าจะคิดเป็น 25 เปอร์เซ็นต์ของมวลของจักรวาล ซึ่งเป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สังเกต อีกอย่างคือมันทำนายว่าอุณหภูมิของรังสีพื้นหลังจักรวาล -- the -- แสงระเรื่อของบิ๊กแบง -- ควรอยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์ 3 องศา และการสังเกตการณ์ก็เช่นกัน ยืนยันสิ่งนี้