Nauka

Jaśniej widać ciemność

Widzimy tylko 5 procent kosmosu

Radioteleskop SPT w stacji Amundsen-Scott na biegunie południowym słuzy do badania ciemnej energii, która według najnowszych szacunków stanowi 72 proc. zawartości wszechświata Radioteleskop SPT w stacji Amundsen-Scott na biegunie południowym słuzy do badania ciemnej energii, która według najnowszych szacunków stanowi 72 proc. zawartości wszechświata Wikimedia / Polityka
Albert Einstein wprowadził do równań ogólnej teorii względności coś, czego się później wstydził. Dziś wygląda na to, że wstydził się niesłusznie.

Wszechświat ekspanduje. Wiemy to od ponad 80 lat – od ukazania się wiekopomnej publikacji, w której Edwin Hubble opisał odkryte przez siebie zjawisko ucieczki mgławic pozagalaktycznych. Obiekty te są dziś nazywane po prostu galaktykami. Te olbrzymie układy gwiazdowe złożone z setek miliardów słońc oddalają się od siebie niczym rodzynki w wyrastającym cieście: odległość między dowolną parą rośnie tym szybciej, im jest większa.

Obrazowej analogii z ciastem nie należy jednak ciągnąć zbyt daleko – w przeciwieństwie do niego Wszechświat nie ma środka ani brzegów (przynajmniej nic o tym nie wiemy). Pytania „w czym on się właściwie rozszerza” i „gdzie jest centrum tej kosmicznej ekspansji” po prostu nie mają sensu. Dokładniej – nie mają go we współczesnej kosmologii opartej na ogólnej teorii względności. Są równie bezsensowne jak pytania: „co jest na zewnątrz ludzkiej kultury” i „gdzie jest środek powierzchni Ziemi”.

Czy taki nieintuicyjny, wręcz sprzeczny ze zdrowym rozsądkiem, obraz (naukowcy wolą mówić: model) Wszechświata może być poprawny? Niewątpliwie tak. Historia dowodzi bowiem, że zdroworozsądkowość i poprawność nie zawsze chodzą w parze: wystarczy przypomnieć cząstki elementarne, które jednocześnie są falami. Tym, co w nauce się liczy, nie jest przystawalność jakiejś koncepcji do wcześniej ugruntowanych poglądów i wyobrażeń, lecz jej spójność i zgodność opartych na niej przewidywań z obserwacjami. W obu tych konkurencjach obowiązujący dziś tzw. standardowy model kosmologiczny nie ma godnych siebie rywali, co jednak nie oznacza, że wszystko jest w nim jasne.

Nagłe przyspieszenie

Problem pojawił się 12 lat temu za sprawą wybuchających gwiazd zwanych supernowymi Ia. W pewnym przybliżeniu każdy taki obiekt jest gigantycznym ładunkiem termojądrowym o mocy ok. 10 miliardów miliardów miliardów (1028) megaton, który nieuchronnie eksploduje, gdy tylko jego masa z jakichś powodów (a tych jest w kosmosie wiele) przekroczy wartość graniczną równą mniej więcej 150 proc. masy naszego Słońca. Ponieważ moc wybuchu jest znana, można obliczyć, jak daleko znajdowała się rozerwana gwiazda. Zupełnie tak samo można wyznaczyć odległość, w jakiej zapaliła się zwykła żarówka, jeśli tylko wiadomo, że miała na przykład 100 W: wystarczy zmierzyć natężenie docierającego od niej światła i wykonać proste obliczenia na poziomie gimnazjalnym.

Ustaliwszy, gdzie nastąpiła eksplozja, dowiadujemy się jednocześnie, jak dawno temu do niej doszło (jeśli w odległości miliarda lat świetlnych – to według naszej rachuby czasu miliard lat temu). Błysk supernowej pozwala też zmierzyć prędkość, z jaką oddala się od nas jej macierzysta galaktyka. Nie ma w tym nic nadzwyczajnego – astronom mierzy prędkość dalekiego źródła światła prawie tak samo jak policjant prędkość samochodu. Jedyna różnica polega na tym, że w kosmosie posługujemy się sygnałami wysłanymi przez badane obiekty, a nie od nich odbitymi.

Pomiary prędkości supernowych wybuchających w różnych odległościach od nas pozwoliły odtworzyć historię kosmicznej ekspansji. Ku zdumieniu astronomów okazało się, że od mniej więcej 5 mld lat Wszechświat przyspiesza, zupełnie jakby ktoś łagodnie wciskał międzygalaktyczny pedał gazu. Efekt był całkowicie nieoczekiwany – wszyscy spodziewali się, że z upływem czasu galaktyki będą rozbiegać się coraz wolniej, ponieważ są hamowane przez wzajemne przyciąganie grawitacyjne. Tajemniczy czynnik, który tak skutecznie przeciwdziała grawitacji, został nazwany ciemną energią. Prawie na pewno nie należy go posądzać o pokrewieństwo z wykrytą dużo wcześniej ciemną materią (choć wśród zdesperowanych kosmologów trafiały się i takie pomysły). Ta ostatnia najprawdopodobniej składa się z jeszcze nieodkrytych cząstek, które na poziomie mikroskopowym nadzwyczaj niechętnie oddziałują z jakimikolwiek innymi cząstkami. W skali makroskopowej wytwarza jednak ona takie samo pole grawitacyjne jak zwykła materia, z której składają się gwiazdy, planety i nasze ciała. Dzięki temu mogliśmy stwierdzić, gdzie ciemna materia występuje i w jakiej ilości. Okazało się, że podobnie jak ta zwykła jest rozmieszczona bardzo nierównomiernie.

O naturze ciemnej energii nie wiemy właściwie nic. Wydaje się, że w przeciwieństwie do ciemnej i zwykłej materii nie tworzy ona żadnych zagęszczeń ani struktur: metr sześcienny gwiazdy czy planety zawiera jej tyle samo co metr sześcienny kosmicznej próżni. Na darmo jednak staralibyśmy się ją wykryć w ziemskim laboratorium. W pomieszczeniu o powierzchni 50 m kw. i wysokości 3 m jest jej zaledwie tyle, że równoważnej masy starczyłoby na trzy atomy uranu.

Największa zagadka kosmosu

Krótka historia tego dziwacznego składnika Wszechświata ma długi prolog, sięgający początków XX w. Nie wiedziano wtedy o istnieniu innych galaktyk, a wnętrze naszej Galaktyki (Drogi Mlecznej) wydawało się niezmienne w czasie. Wkrótce po sformułowaniu ogólnej teorii względności Albert Einstein otrzymał za jej pomocą pierwszy w historii model kosmologiczny. Konkluzja jego pracy była tyleż zaskakująca, co niepokojąca: okazało się bowiem, że niezmienność jest niemożliwa! Innymi słowy – że Wszechświat musi albo się kurczyć, albo rozszerzać. Aby dopasować teorię do obserwacji, wielki uczony wprowadził do niej tzw. człon kosmologiczny – źródło swoistej antygrawitacji, które przy odpowiednio dobranej wydajności umożliwiało utrzymanie pożądanej równowagi. 12 lat później, dowiedziawszy się o odkryciu Hubble’a, nazwał tę poprawkę największą ze swoich pomyłek.

Ktoś może powiedzieć: zaraz, zaraz – antygrawitacja została wprowadzona do teorii po to, by można było utrzymać kosmologiczny model w równowadze. Jeśli więc w prawdziwym kosmosie rzeczywiście działa coś w rodzaju antygrawitacji, to dlaczego galaktyki rozbiegają się, i to coraz szybciej? Otóż wszystko zależy od proporcji, w jakich wymieszane są składniki Wszechświata. Zwykła materia, ciemna materia i ciemna energia stanowią odpowiednio mniej więcej 4, 24 i 72 proc. jego zawartości. Upraszczając sprawę można powiedzieć, że antygrawitacja jest dwuipółkrotnie silniejsza od grawitacji, w związku z czym kosmos nie ma wyboru: przyspieszać po prostu musi.

Skąd jednak znamy te proporcje? Jedyna odpowiedź, jaką można dać na to pytanie, brzmi wymijająco lub wręcz pokrętnie: ze standardowego modelu kosmologicznego. Pokrętność jest jednak tylko pozorna. Model Standardowy nie został przez nikogo zadekretowany, lecz jest wynikiem długoletniego, stopniowego dopasowywania teorii do rosnącego zbioru danych obserwacyjnych. Każdy jego element zazębia się z innymi tak precyzyjnie, że usunięcie jednego spowodowałoby zawalenie się całej konstrukcji. Ciemna energia trafiła do Modelu Standardowego nie tylko dlatego, że trzeba było uwzględnić wyniki obserwacji supernowych. Bez niej nie daje się zrozumieć cech wszechobecnej widmowej poświaty Wielkiego Wybuchu, odkrytej w połowie lat 60. przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona. Co więcej, usuwając ciemną energię i pozostawiając resztę Wszechświata bez zmian stanęlibyśmy w obliczu fundamentalnej sprzeczności: wiek wielu gwiazd okazałby się dłuższy od wieku Wszechświata. Podobnie jest z ciemną materią, pierwotnie wprowadzoną tylko po to, by objaśnić ruchy materii w galaktykach i gromadach galaktyk. Okazuje się, że bez niej galaktyki w ogóle by nie powstały.

Podczas narodzin galaktyk ważną rolę odegrała też ciemna energia. Obserwacje poświaty Wielkiego Wybuchu dowodzą, że materia była w młodym Wszechświecie rozmieszczona niemal równomiernie. Drobne niejednorodności narastały przez miliony i miliardy lat pod wpływem grawitacji, przekształcając się w znane nam dziś obiekty. Proces ten można odtworzyć za pomocą symulacji komputerowych. Okazuje się, że obiekty i struktury obserwowane w naszym Wszechświecie powstają tylko w tych symulacjach, w których oprócz materii uwzględniona jest ciemna energia. Gdy jej nie ma, materia układa się zupełnie inaczej. Nic w tym zresztą dziwnego, ponieważ rozmiary i kształty kosmicznych struktur ewoluują pod wpływem grawitacji oraz generowanej przez ciemną energię antygrawitacji. W naszym Wszechświecie żadna z nich nie miała dotychczas dużej przewagi. Gdyby ciemnej energii było więcej, górę wzięłaby antygrawitacja, uniemożliwiając skupianie się materii; gdyby było jej mniej, powstałe struktury byłyby znacznie bardziej zwarte niż te obserwowane.

Gromady wskazuja drogę

Model z ciemną energią nie tylko objaśnia wiele obserwowanych cech kosmosu, lecz także pozwala przewidywać. Kosmologowie obliczyli, że w przyspieszającym Wszechświecie jasność poświaty Wielkiego Wybuchu powinna wzrastać w pobliżu gromad galaktyk. Taka gromada to olbrzymie skupisko zwykłej i ciemnej materii, w którego obrębie galaktyki krążą chaotycznie niczym pszczoły w roju. Poruszający się między nimi foton poświaty zyskuje energię, dopóki nie dotrze do środka gromady, po czym, wydostając się z niej, traci zdobytą nadwyżkę. Gdyby gromada trwała w równowadze i nie zmieniała rozmiarów, strata byłaby dokładnie równa zyskowi. Antygrawitacja ciemnej energii sprawia jednak, że utrzymanie równowagi jest niemożliwe. Z upływem czasu gromada powoli się rozszerza, wskutek czego fotony tracą mniej energii niż zyskują i poświata ulega nieznacznemu wzmocnieniu. Dwa lata temu efekt ten został zaobserwowany przez zespół astronomów z University of Hawaii. Uzyskano w ten sposób niezależny dowód na to, że kosmiczna ekspansja rzeczywiście przyspiesza.

Niejasność przyczyn tego zjawiska i zagadkowość natury 72 proc. zawartości Wszechświata trudno nazwać inaczej, jak wstydliwą plamą na honorze nauki. Na szczęście wygląda na to, że właśnie zbliżamy się do przełomu. Te same gromady galaktyk, które dostarczyły dowodu realności kosmicznego przyspieszenia, mogą stać się kamieniem z Rosetty pozwalającym rozszyfrować tajemnice ciemnej energii.

Zgodnie z ogólną teorią względności, ich pola grawitacyjne działają jak olbrzymie soczewki. Promienie świetlne wysyłane przez obiekty leżące daleko za gromadami są w tych polach załamywane i skupiane, dzięki czemu możemy oglądać odległe obszary kosmosu jakby przez dodatkowy naturalny teleskop. Analiza obrazów powstających w takich grawitacyjnych przyrządach optycznych pozwala zorientować się, jak w danej gromadzie jest rozmieszczona ciemna materia i jak z upływem czasu zmieniały się odległości między obrazowanymi galaktykami (a to wiąże się już bezpośrednio z działaniem ciemnej energii).

Opublikowane w sierpniu wyniki badań leżącej w tle gwiazdozbioru Panny i odległej od nas o ponad 2 mld lat świetlnych gromady Abell 1689 wskazują, że najlepszym matematycznym opisem zaobserwowanych efektów jest... stary einsteinowski człon kosmologiczny. Co prawda margines niepewności jest jeszcze spory, ale analiza innych gromad pozwoli go znacznie zawęzić. Być może już niedługo dowiemy się, czy Einstein rzeczywiście niechcący trafił w dziesiątkę.

 

Polityka 43.2010 (2779) z dnia 23.10.2010; Nauka; s. 84
Oryginalny tytuł tekstu: "Jaśniej widać ciemność"
Więcej na ten temat
Reklama

Czytaj także

Ja My Oni

Uroda przynosi w życiu profity. Ale nie jest źródłem szczęścia

Już trzymiesięczne niemowlęta przyglądają się ładnym twarzom istotnie dłużej niż nieładnym. I niezależnie od wieku, płci i rasy pochylającej się nad nimi osoby.

Grzegorz Gustaw
26.11.2019
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną