JAK WIELE WIEMY o budowie Wszechświata? Złośliwi

Transkrypt

1 Powstał w Wielkim Wybuchu i będzie się nieustannie rozszerzał? A może kolejny raz stworzyło go zderzenie dwóch kosmicznych membran? Szukający wyjaśnienia niezwykłych danych obserwacyjnych fizycy tworzą teorie, tłumaczące przeszłe i przyszłe losy naszego Wszechświata. WERONIKA ŚLIWA JAK WIELE WIEMY o budowie Wszechświata? Złośliwi odparliby, że co najwyżej 4%. Najprawdopodobniej tyle właśnie jest w nim zwykłej materii, budującej galaktyki, gwiazdy i nas samych. 23% Wszechświata stanowi ciemna materia, składająca się z nieznanych nauce cząstek. A reszta? Aż 73% to ciemna energia - coś, o czym fizycy wiedzą niemal tyle, co nic. Jak widać, jest co badać. Dla wyjaśnienia składu naszego świata powstają niezwykłe, poruszające wyobraźnię teorie. Skąd jednak wiemy o istnieniu ciemnej materii i energii? Najnowsza historia poznawania świata rozpoczęła się w początkach XX wieku. To wtedy, wkrótce po ogłoszeniu przez Einsteina ogólnej teorii względności, zajęto się dociekaniami nad budową całego Wszechświata. Początkowo nie wiedziano nawet, czy jest on, jako całość, nieruchomy, czy też - co wydawało się znacznie mniej prawdopodobne - rozszerza się lub kurczy. Sam Einstein był przez jakiś czas zwolennikiem teorii nieruchomego Wszechświata. Ponieważ grawitacja szybko spowodowałaby jego zapadnięcie, wprowadził on do opisujących kosmos równań dodatkowy składnik odpychający, zwany stałą kosmologiczną. Wkrótce jednak, dzięki pomiarom ruchów galaktyk wykonanym przez Edwina Hubble'a, okazało się, że Wszechświat się rozszerza, a Einstein uznał stałą kosmologiczną za swą największą życiową pomyłkę. Na podstawie obserwacji Hubble a można było ustalić, że wszystkie galaktyki musiały kiedyś znajdować się w jednym punkcie. Innymi słowy, Wszechświat kiedyś znajdował się w supergęstym i gorącym stanie, od którego rozpoczęło się nieustanne rozszerzanie. Hipoteza takiego Wielkiego Wybuchu wywołała sprzeciw wielu badaczy, zwolenników odwiecznego kosmosu. Zaproponowali więc wyjaśnienie mniej drastyczne: zgodnie z nim kosmos rozszerza się od zawsze. Jego gęstość musiałaby jednak wówczas stale maleć. Aby temu zapobiec, wprowadzono do fizyki kreację z niczego: od czasu do czasu w rozszerzającej się przestrzeni miałyby powstawać pojedyncze cząstki. Dziwne? Może, ale czy nieustanna kreacja niewielkich ilości materii nie jest dziwniejsza od jednorazowego powstania całego Wszechświata? Wśród nieustannych sporów konkurencyjna do Wielkiego Wybuchu teoria stanu stacjonarnego utrzymała się aż do roku To wtedy Arno Penzias i Robert Wilson, fizycy z laboratorium Bella, odkryli mikrofalowe promieniowanie tła - dobiegającą ze wszystkich kierunków nieba emisję, odpowiadającą

2 promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,7 K. Powstanie tego promieniowania dało się wyjaśnić tylko za pomocą teorii Wielkiego Wybuchu. Zgodnie z nią młody Wszechświat musiał być niezwykle gorący i wypełniony promieniowaniem. Jego gwałtowne rozszerzanie spowodowało, że promieniowanie to dziś ma temperaturę kilku stopni powyżej zera bezwzględnego. Mapa niewidzialnego Po zwycięstwie teorii Wielkiego Wybuchu wydawało się, że losy Wszechświata mogą zależeć tylko od jego średniej gęstości: Wszechświat lekki rozszerzałby się w nieskończoność, ciężki - z czasem zahamowałby i zaczął się kurczyć. Niestety, średnią gęstość Wszechświata zmierzyć niełatwo. W dodatku jej coraz dokładniejsze pomiary wskazywały, że jest ona zdumiewająco bliska wartości odpowiadającej trzeciemu, pośredniemu modelowi, o tzw. gęstości krytycznej - 9, g/cm 3. Przełom w tych pomiarach nastąpił niedawno. Na podstawie wielu badań, w tym obserwacji supernowych typu Ia i mikrofalowego promieniowania tła, udało się ustalić, że łączna gęstość Wszechświata jest rzeczywiście bliska krytycznej. Okazało się też, że zwykła materia wnosi do niej wkład zaledwie 4-procentowy. Ruch materii w galaktykach i ich gromadach, a także zjawiska soczewkowania grawitacyjnego możemy wyjaśnić tylko wtedy, gdy przyjmiemy, że oprócz znanych nam cząstek Wszechświat wypełnia także tajemnicza ciemna materia, oddziałująca ze zwykłą jedynie poprzez grawitację. Niestety, choć trwają już poszukiwania, na razie w laboratoriach nie odnaleźliśmy żadnych kandydatów na cząstki ciemnej materii. Wiemy jedynie, że z pewnością nie są to cząstki tworzące atomy. Te trudności skłoniły część badaczy do sformułowania teorii, zgodnie z którą ciemna materia nie istnieje. Za nietypowe wyniki obserwacji ma zamiast niej odpowiadać zmieniona druga zasada dynamiki Newtona - nieco inna od znanej dziś zależność pomiędzy siłą a przyspieszeniem. Takiej modyfikacji nie można jeszcze definitywnie odrzucić, ale o istnieniu ciemnej materii świadczy coraz więcej faktów, zwłaszcza obserwacje soczewkowania grawitacyjnego. Podczas soczewkowania przechodzące przez niewidoczne skupiska ciemnej materii promienie świetlne zakrzywiają swój bieg. Niedawne obserwacje teleskopu Hubble a doprowadziły już nawet do opracowania pierwszej dużej mapy niewidocznej materii.

3 Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu nowo powstały Wszechświat był tak gorący, że wypełniała go wysokoenergetyczna zupa promieniowania i cząstek elementarnych. W miarę jak świat rozszerzał się i stygł, powstawały pierwsze pierwiastki, gwiazdy, a z czasem - i my sami. Tak jak badania odbitego w krzywym lustrze obrazu wskazują, jaki jest kształt zwierciadła, tak analiza obrazów galaktyk doprowadziła do oceny kształtu i wielkości skupisk ciemnej materii, przez które przebiegało światło w drodze do nas. Dodatkowo badacze wykorzystali dane zebrane przez największe teleskopy naziemne, które pozwoliły ustalić odległości obserwowanych galaktyk. Powstała dzięki badaniom teleskopu Hubble'a mapa obejmuje obszar ośmiokrotnie większy od powierzchni zajmowanej przez Księżyc w pełni i sięga do miejsc odległych o ponad 6 mld lat świetlnych. Na mapie ciemna materia układa się w struktury przypominające trójwymiarową sieć, w której węzłach znajdują się jej większe zgęszczenia. Potwierdza to model, zgodnie z którym w początkowo dobrze wymieszanym Wszechświecie ciemna materia zapadała się, tworząc kosmiczne sieci. Później, pod wpływem przyciągania grawitacyjnego, do obszarów znacznej jej koncentracji spływała zwykła materia, dziś tworząca galaktyki i ich gromady. Rzeczywiście, porównanie rozkładu ciemnej materii z mapą widocznych na niebie galaktyk i gorącego gazu wskazuje, że gromady galaktyk i inne zgęszczenia kosmicznego gazu znajdują się na ogół w miejscach, w których ciemnej materii jest wyjątkowo dużo. Ciemna materia jest więc szkieletem, na którym osadzało się ciało widocznego gołym okiem Wszechświata. Na mapie są też jednak widoczne i inne obszary, w których widzimy sam nieobrośnięty galaktykami kosmiczny szkielet lub niemal pozbawione ciemnej materii galaktyki. Pochodzenie tych nietypowych rejonów być może wyjaśnią nowe pomiary, obejmujące krotnie większe fragmenty kosmosu. Energia, której nie widać Kosmolodzy zmagają się też z problemem jeszcze trudniejszym od wyjaśnienia. Już w latach 90. ubiegłego wieku wyniki pomiarów jasności i odległości supernowych wykazały, że od kilku miliardów lat Wszechświat zamiast powoli hamować, rozszerza się coraz szybciej. Za to przyspieszenie miałby odpowiadać kolejny składnik, zbliżony do wymyślonej przez Einsteina stałej kosmologicznej. Dziś nazywamy

4 go ciemną energią. Ślady jej działania są widoczne już we Wszechświecie sprzed 9 mld lat. Wygląda więc na to, że choć hamujący początkowo swą ekspansję Wszechświat zaczął się ponownie rozpędzać dopiero 5-6 mld lat temu, ciemna energia istniała w nim niemal - a może po prostu? - od samego początku. Dotychczasowe próby teoretycznego opisania własności ciemnej energii zazwyczaj prowadzą do wniosku, że tego odpychającego składnika Wszechświata powinno nie być wcale lub musiałoby go być znacznie więcej, niż obserwujemy - i to razy więcej! Nie wiemy też, czy z czasem ciemna energia będzie rozpędzała Wszechświat, czy tempo tego przyspieszania się nie zmieni. A może kiedyś ciemna energia wyłączy się i nasz świat znowu zacznie hamować? Na takie pytania nie mamy na razie odpowiedzi. A przecież bez nich nie zrozumiemy, jaki będzie kres naszego świata. Koniec w lodzie i pustce Jeżeli obserwowany dziś stan Wszechświata nie zmieni się w istotny sposób i jego ekspansja będzie nadal przyspieszała, czeka nas raczej ponury koniec. W skrajnym scenariuszu przyspieszająca ekspansja zerwie wszelkie istniejące między obiektami materialnymi więzy - zarówno grawitacyjne, jak i elektromagnetyczne czy jądrowe. Według jednego z modeli już na 60 mln lat przed końcem świata rozpadną się galaktyki. Na trzy miesiące przez końcem z puchnącej przestrzeni znikną układy planetarne. W ciągu ostatnich sekund istnienia zwykłego świata rozpadną się gwiazdy i planety, a nawet pojedyncze atomy. Na szczęście do takiego końca pozostało nam jeszcze sporo czasu, mogłoby bowiem do niego dojść najwcześniej za około 20 mld lat. To zresztą niejedyna teoria dotycząca końca Wszechświata. Być może będzie się on z czasem rozszerzał na tyle wolno, że gwiazdy i planety - a nawet całe galaktyki - nie zostaną rozdzielone. Mimo to przyszłość nie będzie wyglądała zbyt różowo: Wszechświat będzie coraz chłodniejszy, a zapasy dostarczających gwiezdnej energii lekkich pierwiastków kiedyś się zużyją. Pozostaną tylko planety i stygnące, wypalone ślady dawnych gwiazd: białe karły, gwiazdy neutronowe i czarne Według teorii bran nasz świat jest czterowymiarową membraną, która od czasu do czasu zderza się z inną, sąsiednią. Takie zderzenie wywołało kiedyś odpowiednik Wielkiego Wybuchu. JEDEN WSZECHŚWIAT TO ZA MAŁO! Czy żyjemy w jedynym Wszechświecie? To w pewnym stopniu zależy od definicji: jeśli Wszechświat jest wszystkim, co istnieje, niewątpliwie jest tylko jeden. Nie wiemy jednak, jak bardzo jest duży - dziś obserwujemy tylko obszar, z którego od chwili Wielkiego Wybuchu mogło dojść do nas światło. Promień tego obszaru to około 46,5 mld lat świetlnych. Jeśli Wszechświat jest nieskończenie wielki, może w sobie zawierać olbrzymie obszary identyczne z naszym, łącznie z dodatkowymi kopiami nas samych. Ale może są jakieś, niezwiązane z naszym światy, w których obowiązują inne prawa przyrody i gdzie jest inna liczba widocznych wymiarów? Takie spekulacje to rozważania z pogranicza science fiction, ale wielu kosmologów je jednak prowadzi. Zbiór takich wszechświatów nazywa się Multiświatem. Struktura Multiświata, natura poszczególnych światów i łączące je więzi różnią się w zależności od rozpatrywanego modelu. Część z przewidywań poszczególnych modeli można będzie z czasem sprawdzić dzięki dokładnym pomiarom kosmicznego promieniowania tła, kształtu fal grawitacyjnych i sposobu grupowania się kosmicznych struktur. Jakie są więc rozpatrywane dziś możliwości? Teoria inflacji, zgodnie z którą nasz Wszechświat tuż po powstaniu niezwykle gwałtownie się rozszerzył, dopuszcza istnienie wielu innych obszarów, w żaden sposób niepołączonych przyczynowo z naszym. Zgodnie z teorią ogłoszoną przez rosyjskiego kosmologa Andrieja Lindego, nasz Wszechświat nie jest niczym niezwykłym. Olbrzymia liczba światów powstaje jeden z drugiego w kolejnych procesach superszybkiego rozszerzania - inflacji. W każdym z nowych, zamkniętych przed nami kosmosów mogą obowiązywać inne prawa przyrody. Chociaż każdy z nich ma swoją własną przestrzeń i czas, zbiór wszystkich wszechświatów jest wieczny. Jeśli ta teoria jest prawdziwa, obserwowany przez nas Wszechświat jest tylko jednym z łańcuszka kolejnych kosmosów, a nie jednym, zawierającym wszystko, co istnieje. Zgodnie z niektórymi hipotezami, również materia wpadająca do czarnej dziury może dać początek czemuś w rodzaju Wielkiego Wybuchu w innym kosmosie. Miniaturowy wszechświat można byłoby wówczas stworzyć samodzielnie w laboratorium. Taki jest cel eksperymentu, który zaproponowali fizycy z japońskiego Yamagata University. Ich recepta na stworzenie nowego wszechświata wymaga zderzenia rozpędzonych cząstek elementarnych z monopolem magnetycznym - cząstką zawierającą tylko jeden biegun magnetyczny. Powstająca po zderzeniu miniaturowa czarna dziura zawierałaby w środku wszechświat niezależny od naszego. Po wyparowaniu dziury wskutek promieniowania Hawkinga, łączność między obu wszechświatami zostałaby stracona, a kosmiczny noworodek rozwijałby się dalej samodzielnie. Niestety, na razie po monopolach magnetycznych nie widać nawet śladu. Może dlatego, że w ogóle nie istnieją? A może tuż po powstaniu zamieniają się w kolejne wszechświaty? Na rozwiązanie tego problemu i nowy wszechświat na biurku będziemy musieli jeszcze trochę poczekać.

5 W poszukiwaniu wiedzy o Wszechświecie najcenniejszych danych dostarczają wybuchy supernowych typu la - gwiazd, których maksymalna jasność jest w przybliżeniu stała i dobrze znana - oraz mikrofalowe promieniowanie tła, którego olbrzymią mapę udało się stworzyć dzięki obserwacjom satelity WMAP. Jeszcze dokładniejszej mapy spodziewamy się po satelicie Planck, który ma wyruszyć na wokółsłoneczną orbitę już w przyszłym roku. dziury. Z czasem czarne dziury wyparują i nieba nie będzie już rozświetlała nawet najsłabsza poświata. Czy taki proces da się jakoś powstrzymać lub odwrócić? Dziś wydaje się, że Wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność. Wszechświat na płytce Problemy, na które natrafia teoria Wielkiego Wybuchu, skłoniły badaczy do rozpatrywania innych, alternatywnych scenariuszy. Jedną z ciekawszych prób jest teoria Paula Steinhardta z Princeton i Neila Turoka z Cambridge. Już w 2002 roku badacze ci na łamach Science zaproponowali niestandardowy model, w którym Wszechświat cyklicznie rodzi się i umiera. Nasz świat ma w ich modelu formę czterowymiarowej membrany zwanej braną, zanurzonej w przestrzeni jedenastowymiarowej. Sześć wymiarów tej przestrzeni jest ciasno zwiniętych, a nasza czterowymiarową brana porusza się tylko w pozostałym - jednym - wymiarze. Początek znanego nam świata nastąpił, gdy nasza brana zderzyła się z inną. To superzderzenie spowodowało znany nam Wielki Wybuch. W przeciwieństwie do ortodoksyjnych modeli, wybuch wywołany zderzeniem bran charakteryzuje się tym, że w każdej chwili gęstość i temperatura materii były skończone. Po pewnym czasie, około stukrotnie dłuższym od dotychczasowego wieku Wszechświata, kolejne zderzenie bran może wywołać Wielki Krach. Dla nas świat się skończy, ale w tym samym zderzeniu powstanie przecież nowy wszechświat. Model bran, przypominający nieco stoicki model Wszechświata regularnie tworzonego i niszczonego przez ogień, określa się często jako model ekpyrotyczny, od greckiego słowa oznaczającego płomienie. Nie ma tu potrzeby wprowadzania ciemnej materii. Obserwowane na niebie zjawiska da się wyjaśnić za pomocą oddziaływania

6 KRÓTKA HISTORIA WSZYSTKIEGO Czas od Wielkiego Wybuchu: SEKUNDY Od tej chwili znane nam teorie opisują skład i zachowanie się całego Wszechświata. Przeszedł on już prawdopodobnie fazę superszybkiego rozszerzania - inflacji, która wygładziła istniejące niejednorodności i sprawiła, że jego gęstość zbliżyła się do gęstości krytycznej. 1 SEKUNDA Wszechświat składa się już ze zwykłych" cząstek, takich jak elektrony, fotony i neutrina. Z kwarków tworzą się protony i neutrony. 3 MINUTY Powstają jądra najlżejszych pierwiastków. Poza zwykłym wodorem, którego jądrami są pojedyncze protony, tworzy się deuter i tryt, a także dwa izotopy helu i odrobina litu. 400 TYS. LAT Gdy nieustannie stygnąca materia wystarczająco się ochłodzi, jądra atomowe przyłączają elektrony - tworzą się obojętne elektrycznie atomy. Pozostałe z tej epoki promieniowanie obserwujemy dziś jako mikrofalowe promieniowanie tła. KILKASET MILIONÓW - 1 MLD LAT Z pierwotnych zagęszczeń powstają pierwsze gwiazdy i galaktyki. Wybuchają pierwsze supernowe, wzbogacające wodorowo-helowy gaz w cięższe pierwiastki. 3 MLD LAT Małe galaktyki łączą się, tworząc większe obiekty. W trakcie tych zderzeń powstają gigantyczne czarne dziury, które pochłaniają otaczający je gaz: tworzą się kwazary. 9 MLD LAT Powstaje Słońce i Układ Słoneczny. 13,7 MLD LAT Chwila obecna. 17 MLD LAT Droga Mleczna może się zderzyć z galaktyką M 31 w Andromedzie, zbliżającą się ku nam z prędkością 120 km/s. 20 MLD LAT Słońce zakończy życie jako biały karzeł. 100 MLD LAT Większość galaktyk oddali się od naszej tak bardzo, że staną się niewidoczne MLD LAT Wypalą się ostatnie gwiazdy LAT Wyparują ostatnie czarne dziury. grawitacyjnego z materią sąsiedniej brany. Coraz szybsze rozszerzanie się Wszechświata nie oznacza istnienia ciemnej energii, lecz jest związane z oddalaniem się od siebie obu bran. Steinhardt i Turok dowodzą, że ich model dobrze przewiduje nie tylko sam fakt coraz szybszego rozszerzania się Wszechświata, ale i tempo tego przyspieszenia, z czym większość konwencjonalnych teorii ma spory problem. Ich autorzy tłumaczą na ogół, że parametry obserwowanego Wszechświata są takie, a nie inne, ponieważ w innym Wszechświecie nie moglibyśmy się pojawić i go badać. Nasz świat byłby więc unikatowym, nietypowym przypadkiem, którego powstanie było bardzo mało prawdopodobne. Steinhardt i Turok wyliczyli, że w ich scenariuszu wszechświaty o cechach podobnych do naszego pojawiają się tak często, że są wręcz pospolite. Nasz Wszechświat nie jest więc białym krukiem, lecz typowym, przeciętnym światem. Porządek musi maleć? Ta i inne koncepcje Wszechświata cyklicznego mają jednak swoje wady. Do niedawna nie umiały uporać się z problemem rosnącej entropii - miary uporządkowania świata. Druga zasada termodynamiki mówi, że entropia każdego izolowanego układu nie może maleć. Gdyby więc rosła przez wszystkie cykle odnawiającego się Wszechświata, kolejne kosmosy szybko stałyby się skrajnie nieuporządkowane i nie przypominałyby świata, w którym żyjemy. Taki wzrost oznaczałby też, że cofając się w przeszłość, dotarlibyśmy do pierwszego, wyjątkowo uporządkowanego Wszechświata i... Wielkiego Wybuchu - podobnego do tego, o którym mówi zwykła kosmologia. Rozwiązanie tego problemu może jednak przynieść praca, której preprint opublikowano niedawno na łamach internetowego serwisu arxiv.org. Jej autorzy znaleźli sposób na opisanie wszechświata cyklicznego, w którym narosła po każdym kolejnym cyklu entropia ponownie maleje. Czy więc model Wszechświata na płytce ma teraz szanse w starciu z teorią Wielkiego Wybuchu? Choć dotyczące go prace publikuje się na łamach Science i innych cenionych w naukowym świecie czasopism, nie zdobył on dotąd uznania większości kosmologów. Aby tak się stało, nowy model musi nie tylko wyjaśnić znane już dziś fakty, ale też przewidzieć zjawiska, których dotychczasowy nie opisuje. Planowane są jednak kolejne kosmiczne misje, które będą w stanie zbadać niektóre przewidywania modelu bran, odmienne od przewidywań teorii Wielkiego Wybuchu. Zastosowanie teorii ekpyrotycznej pozwala przewidzieć pewne możliwe do wykrycia cechy mikrofalowego promieniowania tła. Kwestię prawdziwości teorii świata na płytce mogą też z czasem rozstrzygnąć pomiary fal grawitacyjnych wysyłanych we wczesnym Wszechświecie. Czy więc za parę lat teoria Wielkiego Wybuchu zwycięży, czy też okaże się, że nasz płaski świat porusza się w wielowymiarowej przestrzeni, czekając na kolejne zderzenie? Galaktyki spiralne podobne do tej, w której żyjemy, nie będą trwały wiecznie: gdy zabraknie gazu, z którego mogą powstawać nowe gwiazdy, zaczną powoli gasnąć. Z czasem rozpychająca świat ciemna energia może rozerwać więzy pomiędzy poszczególnymi gwiazdami, ich planetami, a nawet - atomami. Świat zakończyłby się wówczas w Wielkim Rozerwaniu". DR WERONIKA ŚLIWA jest redaktorem Wiedzy i Żyda.