Tajemniczy wszechświat - czy się rozszerza i co jest na jego krańcu?
Czy wszechświat naprawdę się rozszerza? Co jest na krańcu świata? Jak wyglądał Kosmos 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu? O tych i innych tajemnicach naszego uniwersum rozmawiamy z doktorem hab. Andrzejem Woszczyną z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Agnieszka Waś-Turecka: W 1928 roku Edwin Hubble odkrył, że wszechświat się rozszerza. Czy potrafimy powiedzieć, z jaką prędkością?
Dr hab. Andrzej Woszczyna, prof UJ: Owszem, potrafimy. Umiemy dokładnie mierzyć widma emisyjne pierwiastków. Takie widmo to taki "kod paskowy" pierwiastka. Jeśli tylko materia świeci, jej kod widoczny jest z dowolnej odległości. Możemy go "zeskanować" i wiemy: Aha! To jest właśnie hel... Edwin Hubble zauważył, że "kody paskowe" pierwiastków w odległych galaktykach są systematycznie przesunięte ku czerwieni. To znak, że materia, na którą patrzymy, oddala się.
Czy jest to prędkość stała, czy rosnąca?
Nie, nie jest stała. Rośnie wraz z odległością galaktyk.
To właśnie jest prawo Hubble'a. Ale ja pytam, czy prędkość rozszerzania się wszechświata jest stała w czasie?
Nie jest stała, jednak zmienia się nieznacznie. W dostępnej astronomicznym pomiarom skali czasowej nie można zmierzyć jej zmian. Te zmiany są zbyt wolne. Szacuje się, że względne tempo rozszerzania, czyli stosunek zmiany promienia wszechświata w ciągu jednego roku do samego promienia wynosi około 1/15 000 000 000.
Jeśli wybiorę galaktykę, zmierzę jej prędkość, poczekam 40 lat i zmierzę ponownie, to nie stwierdzę żadnej różnicy. Skala ludzkiego życia jest za krótka, abyśmy mogli zauważyć, że coś się zmieniło. Dla nas nic się nie zmienia. Wszechświat jest stacjonarny.
To skąd wiadomo, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej?
Skąd wiadomo? Nie wiem. Mnie się wydaje, że z prasy.... Trochę żartuję, ale media tutaj nie stoją z boku. To nie jest tak, że media biernie przekazują obraz, który jest autentycznym "dziełem nauki". Istnieje reakcja zwrotna. Jeżeli media czymś się interesują, to budują lobby dla badań w danej dziedzinie. Chodzi o to, że w astronomii jest bardzo niewiele takich wielkości, które potrafimy zmierzyć bezpośrednio.
A co można zmierzyć bezpośrednio?
Trzy podstawowe wielkości to: jasność - widzimy, ile jest światła, i możemy to zanotować, temperatura obiektu - po kolorze (widmo Plancka) i prędkość radialna - czyli prędkość obiektu od i do obserwatora (efekt Dopplera). Prędkości poprzecznej już nie potrafimy zmierzyć. Faktycznie dla planet i bliskich obiektów jeszcze możemy wyznaczać prędkości poprzeczne (kątowe), bo widzimy zmiany ich położenia, ale dla gwiazd i galaktyk już nie. To taka "sfera gwiazd stałych". Natomiast inne wielkości ważne dla astronomii, tzn. odległości i masy, są wyznaczane pośrednio.
Skoro astronomia ma tak wielkie problemy z bezpośrednimi pomiarami, to jak zmierzono przyspieszenie wszechświata?
Nie zmierzono. Podejrzewam, że jak napiszemy, że nie wiemy, czy wszechświat przyspiesza, to internauci nas zwyczajnie zjedzą, bo teraz wszyscy wszechświat przyspieszają. Ale prawda jest taka, że co parę lat przychodzi inna moda. Przez jakiś czas popularna była inflacja. W ciągu 25 lat intensywnych badań nie udało się dla niej zbudować teorii. Był też czas, kiedy wszechświat był zakrzywiony, lata 1990-2000, a teraz jest płaski.
Nie ma bezpośrednich metod pomiaru przyspieszenia. Część uczonych twierdzi, że wszechświat przyspiesza, opierając się na badaniu mikrofalowego promieniowania tła. Ale oni w gruncie rzeczy dysponują urządzeniem do pomiaru temperatury - sonda kosmiczna WMAP to technologicznie bardzo zaawansowany termometr. Nikt mi nie wytłumaczy, że przy pomocy termometru można zmierzyć przyspieszenie. Jestem fizykiem i wiem, że nie można.
A supernowe?
Grupa australijskich astronomów odkryła deficyt światła odległych supernowych. Supernowe te widzimy jako odrobinę ciemniejsze niż to wynika z ogólnie przyjętego modelu tego zjawiska. To niezwykle ciekawy fakt...
Pomoże to zrozumieć mechanizm wybuchu gwiazdy?
Zapewne tak, ale badania w tej materii będą żmudne i długotrwałe. Tymczasem interpretacje poszły w innym kierunku. Okazało się bowiem, że gdyby wszechświat przyspieszał, to deficytu światła nie będzie i wszystko się zgadza.
I wtedy nie trzeba poprawiać teorii?
Teorii supernowej nie, ale trzeba poprawiać teorię grawitacji, co, jak pisał sam Einstein, można wykonać na nieskończenie wiele sposobów. Jest to więc interpretacja, przy której wiemy mniej niż przedtem. O supernowych nie dowiedzieliśmy się jeszcze nic nowego, a o wszechświecie tyle, że przyspiesza....o ile dotychczasowy model supernowej jest poprawny.
Tych "o ile" zaczyna być dużo.
Właśnie! Fizyk może przeprowadzić w laboratorium każdy eksperyment, na jaki go stać. Astronoma nigdy nie stać na skonstruowanie "laboratoryjnej gwiazdy" czy "laboratoryjnej galaktyki". Większość pomiarów w astronomii to pomiary pośrednie: zmierzyłem rozmiar galaktyki, "o ile" odległość do niej wyznaczono poprawnie. Odległość do galaktyki wyznaczono poprawnie, "o ile" znane jest zachowanie cefeid itd. Problem polega na tym, że trudno jest wskazać, do którego miejsca ta "pośredniość" jest jeszcze akceptowalna, a kiedy zaczyna to być po prostu wątpliwe.
Moje zdanie jest takie: przyspieszanie wszechświata jest już poza granicą takiej akceptowalnej obserwacji pośredniej. To jest po prostu hipoteza.
Czy możemy wyjaśnić, dlaczego wszechświat się rozszerza?
O tak! To wynika z natury sił grawitacyjnych. Mamy dwa ładunki elektryczne: dodatni i ujemny, ale tylko jeden "ładunek grawitacyjny" - masę. Sztywność to zjawisko elektryczne i kwantowe. Wymaga istnienia dwóch ładunków. Elektryczność i zjawiska kwantowe dominują w małej skali, dlatego otaczające nas przedmioty, sztywne, mają stały rozmiar. W wielkiej skali dominuje grawitacja. Przy jednym "ładunku" nie da się zbudować obiektu sztywnego, dlatego wszechświat w całości podlega ekspansji. Podobną treść można ściślej i w nieco inny sposób wyrazić w języku ogólnej teorii względności.
Tak wyglądał wszechświat około 13 miliardów lat temu:
Skoro tak, to wszechświat mógłby się również kurczyć?
Mógłby. To zależy od warunków początkowych, czyli od tego, jak zaczął. Jeśli kamień rzucę w dół, to spada od razu. Jeśli rzucę do góry, to przez chwilę się unosi, ale w końcu spadnie. Teraz pytam, czy można zbudować katapultę i rzucić kamień z taką siłą, że on nigdy nie wróci? Można. Jeśli energia ruchu kamienia "przewyższy" jamę potencjału grawitacyjnego Ziemi, to wtedy kamień poleci w nieskończoność.
Rozszerzanie wszechświata to problem tego samego rodzaju. Grawitacja ma tę własność, że wyrzucone w przestrzeń przedmioty albo będą uciekać do nieskończoności, albo po pewnym czasie, pod wpływem własnego ciążenia, znów zaczną się do siebie zbliżać. Jedno jest pewne: nie zatrzymają się, podobnie jak kamień nie zawiśnie w powietrzu.
Czyli to, że wszechświat się rozszerza, wynika z tego, w której fazie jesteśmy?
Tak właśnie jest. Rozszerzanie nie musi być wieczne. Fazę rozszerzania ma na początku również i taki wszechświat, który ostatecznie z powrotem się zapadnie. W ten sposób zwykle zachowują się modele zamknięte, tzn. takie, w których przestrzeń ma skończoną objętość.
Zatem nie wiemy, czy wszechświat skończy się w Wielkim Chłodzie czy w Wielkim Kolapsie, ponieważ nie wiemy, który przypadek odnosi się do naszego wszechświata?
Nie wiemy, ale jakie to ma znaczenie? Czy ma to np. wpływ na powstanie galaktyk albo na pochodzenie promieniowania kosmicznego, rozbłysków gamma itp.? Odpowiedź jest, że znikomy. Im większe mamy trudności z ustaleniem geometrii wszechświata, tym bardziej zdajemy sobie sprawę z tego, że nie ma to istotnego wpływu na rozumienie zjawisk, które obserwujemy. Gdyby coś naprawdę od tego zależało, to już byśmy wiedzieli.
Pytanie, które pani zadała, ma jednak inny ważny aspekt. Dość nieskomplikowanymi metodami można podatnika przekonać, że powinien finansować badanie "przyszłości wszechświata". Znacznie trudniej uświadomić wagę chromodynamiki kwantowej, rezonansu magnetycznego, kondensatu Bosego-Einsteina itd. Żaden autentyczny problem naukowy, podkreślam ŻADEN, nie zabrzmi dla podatnika tak atrakcyjnie jak nieskomplikowana fantazja naukowa.
To przejdźmy teraz do tematu, który tę "nieskomplikowaną fantazję naukową" może przypominać. Co jest na końcu świata? Czy dzięki Głębokiemu Polu Hubble'a poznaliśmy "koniec wszechświata"?
To byłby raczej "kraniec" niż "koniec". Myślimy o przestrzeni, a nie o czasie. W kosmologii to, co potocznie nazwalibyśmy "krańcem", łączy się z początkiem czasu. Fakt ten może brzmi tajemniczo, ale taka jest fizyka. Patrząc w dal dostajemy obrazy coraz wcześniejszych epok, bo światło potrzebuje czasu, aby do nas dotrzeć. Naprawdę przestrzeń nie ma "końca" czy "krańca", a kosmologowie badając wszechświat zawsze mówią, że próbują dotrzeć do jego "początku".
"Głębokie Pole" Hubble'a to imponujący obraz. Czy wszechświat jest aż tak wielki?
Tak. Na pierwszy rzut oka widzimy rozgwieżdżone niebo. Ale proszę zwrócić uwagę, że nie gwiazdami. Na tym zdjęciu gwiazd jest tylko kilka - to te z charakterystycznymi "krzyżykami". Prawie wszystko, co tutaj widzimy, to galaktyki rozrzucone w przestrzeni, "w nieskończoność". Ta fotografia to mały wycinek nieba. Gdyby teleskop Hubble'a sfotografował całe niebo, widzielibyśmy ich około czterech bilionów.
Jednak to, co jest ważne, to fakt, że to zdjęcie jest anachroniczne. Te najlepiej zarysowane, bliskie galaktyki są odległe od tych najdalszych, małych punkcików o około 400 milionów lat świetlnych. Najdalsze widoczne obiekty pochodzą z epoki 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a te bliższe mają około 800 milionów lat. A więc obraz tych dalekich jest o 400 milionów lat "starszy" niż tych bliskich.
Czyli na tej fotografii jest czterysta milionów lat czasu wszechświata?
To właśnie mam na myśli, mówiąc "fotografia anachroniczna". "Fotograficzny" znaczy wierny, udokumentowany, ale również uchwycony w jednej chwili. Na każdej fotografii udokumentowane zdarzenia są jednoczesne. Na każdej, z wyjątkiem tej. Tutaj jest tak, jakby ktoś namalował perspektywę ulicy wielkiego miasta, w której coraz to odleglejsze domy są coraz starsze, aż wreszcie gdzieś na horyzoncie rośnie dzika, prehistoryczna dżungla.
I "architektura" tych galaktyk się zmienia?
W tym rzecz, że nie! W geologii Ziemi 400 milionów lat to ciąg burzliwych procesów. To dystans czasowy między dewonem i czwartorzędem. Natomiast jeśli patrzymy na to zdjęcie, to między najstarszymi a najmłodszymi obiektami nie zauważamy istotnych różnic. Oczywiście nie możemy stwierdzić, czy skład chemiczny galaktyki wcześniejszej i późniejszej jest dokładnie ten sam, czy procesy formacji gwiazd przebiegają identycznie, ale też nie widzimy jakiegoś wyrazistego procesu tworzenia galaktyk.
Nie doszliśmy do miejsca, w którym z "bezkształtnej plazmy" miałaby się wyłaniać "współczesna" galaktyka. Nie. Ten wszechświat wydaje się być taki sam. Widać, że w takim przedziale czasu nic przełomowego się nie wydarzyło. To jest zaskakujące!
Nie tego oczekiwaliśmy po obserwacjach teleskopu orbitalnego. Spodziewaliśmy się zobaczyć bardzo wyraźne stadia ewolucji wszechświata, proces powstawania galaktyk, moment, w którym struktura się formuje. Zadziwiające jest więc to, że po zaledwie 4 proc. wieku wszechświata wszystko już jest uformowane, gotowe. Cała ewolucja musiała nastąpić wcześniej. To bardziej przypomina "akt stworzenia", czyli językiem fizyki "przejście fazowe", aniżeli ewolucję.
Czy sfotografowano jakieś nieznane obiekty, o których jeszcze niewiele wiadomo?
Z punktu widzenia fizyki, o większości z nich niewiele wiadomo. Np. czym jest kwazar? Będę wiedział, czym jest kwazar, kiedy zbuduję jego model matematyczny zgodny z prawami fizyki. To samo dotyczy aktywnych jąder galaktyk, dżetów, błysków gamma itp. Na dobrą sprawę nie rozumiemy nawet dynamiki galaktyk.
Czyli obiekty się odkrywa, nazywa i klasyfikuje. A kiedy to wszystko zrozumiemy?
Kosmologia wciąż jest na etapie "klasyfikacji". To jest taka wielka gablota, w której przybywa okazów, w nadziei, że ktoś kiedyś złoży to w całość. Podobne trudności mają wszystkie dyscypliny badające układy o wysokim stopniu złożoności. Możemy odczytać genotyp motyla, ale czy wyczytamy w nim, dlaczego motyl lata? W astronomii dzieje się coś podobnego: przyzwyczajamy się do istnienia obiektów, stają się dla nas normalne, ale dalej nie wiemy, dlaczego produkują tyle energii, albo dlaczego wyrzucają tyle materii.
Może zabrakło nam szczęścia? Może nie odkryliśmy czegoś, co stanowi klucz do tych zagadek?
Czasem zdarzają się odkrycia przypadkowe, niesamowicie ciekawe, które zasługują na większą uwagę. Na przykład lata całe była mowa o tym, że teoria względności jest piękna, ale ma słabe potwierdzenie, ponieważ zaczyna odgrywać rolę dopiero wtedy, kiedy są bardzo silne pola.
I nagle kilku czy kilkuset inżynierów robi system GPS, i ni stąd ni zowąd okazuje się, że teoria względności ma zastosowanie przemysłowe. Bo jeśli nie wprowadzi się poprawek relatywistycznych, to nie można z dokładnością zmierzyć położenia danego obiektu na Ziemi.
To niesamowite - okazuje się, że jedna z najbardziej abstrakcyjnych teorii jest niezbędna po to, żeby jadąc samochodem trafić pod właściwy adres.
Nie wystarczy mieć szczęścia do odkryć. Trzeba jeszcze umieć te odkrycia doceniać.
Czytaj też:
