Zagadki Wszechświata
Ta weryfikacja dotyczy wszystkiego, od samego początku.
Na początku była… biała dziura?
Obecnie coraz częściej patrzy się na Wielki Wybuch nie jako na huczny początek, lecz na moment, czy może proces, głębokiej transformacji - zupełnie innej od wszystkiego, co większość z nas może sobie wyobrazić.
Od niedawna nowe światło na początki naszego Wszechświata rzuca pewne, wciąż słabo poznane, zjawisko.
Wokół szybkich rozbłysków radiowych (fast radio bursts - w skrócie FRB), zarejestrowanych po raz pierwszy kilkanaście lat temu, narosła swoista legenda. Spowija je atmosfera tajemniczości i podejrzeń, jakoby mogły mieć związek z Obcymi. Jednak niedawne odkrycia sugerują, że przynajmniej niektóre z FRB wiążą się z czymś nawet… bardziej ekscytującym niż obca cywilizacja. Być może są pośrednimi sygnałami wszechświata, który istniał przed naszym!
Na pierwszy sygnał tego rodzaju natrafił David Narkevic, który na polecenie swego promotora Duncana Lorimera z Uniwersytetu Zachodniej Wirginii przekopywał się przez archiwalne zapisy sygnałów zarejestrowanych przez australijski radioteleskop Parkes.
Celem obu badaczy było poszukiwanie nietypowych pulsarów - wirujących gwiazd neutronowych, które niczym kosmiczne latarnie z wielką regularnością omiatają Ziemię wiązką radiowego promieniowania. Znamy już w tej chwili ok. 2 tys. pulsarów.
Zamiast jednak nietypowego pulsara badacze niespodziewanie znaleźli mocny, jednorazowy i zagadkowy sygnał radiowy, który został zarejestrowany w 2001 r. Był kakofonią najróżniejszych częstotliwości i urwał się po zaledwie 5 milisekundach. Nigdy więcej się nie powtórzył.
Duncan Lorimer zrelacjonował odkrycie w 2007 r. w "Science", sugerując, że być może jest to radiowe echo jakiegoś całkiem nowego zjawiska, zapewne kosmicznego kataklizmu. Ale mając tylko jeden przykład, trudno było coś pewnego ustalić. W szczególności to, z którego miejsca na niebie, ani z jak daleka, sygnał ten przybył na Ziemię.
Sytuacja zmieniła się w 2011 r., kiedy inny astronom znalazł drugi podobny milisekundowy sygnał radiowy, również w archiwalnych zapiskach radioteleskopu Parkes. Dwa lata później w archiwach natrafiono na kolejne cztery. Właśnie wtedy nazwano je szybkimi rozbłyskami radiowymi.
Od tamtego czasu zanotowaliśmy już kilkadziesiąt FRB - i nie ma wcale zgody co do tego, co je generuje. Sugestie rozpościerają się od zderzeń gwiazd neutronowych po wielkie statki kosmiczne Obcych. Czasem jako źródło wybuchów FRB podaje się czarne dziury, co mogłoby oznaczać, że kosmos nie zaczął się od Wielkiego Wybuchu - przynajmniej nie takiego, jak nam się wydawało.
Model zaprezentowany w 2014 r. na łamach czasopisma "Nature", opracowany przez Carla Rovellego i Hala Haggarda z Uniwersytetu d’Aix-Marseille we Francji, sugeruje, że pod koniec swojego życia czarne dziury przekształcają się w białe dziury, które w trakcie wybuchu (2) uwalniają cały materiał, jaki kiedykolwiek pochłonęły.
Zgodnie z tą koncepcją, przemiana czarnej dziury w białą może następować zaraz po początkowym etapie tworzenia się czarnej dziury. Model oparty jest na tzw. teorii pętlowej grawitacji kwantowej. Kiedy umierająca gwiazda zapada się pod wpływem własnej grawitacji, pojawia się tzw. horyzont zdarzeń, czyli punkt bez powrotu, zza którego nic nie może uciec grawitacji czarnej dziury. Gwiazda będzie się dalej zmniejszać, ale w końcu osiągnie stadium, w którym nie może już być mniejsza, ponieważ grawitacyjne pętle kwantowe nie są w stanie się już bardziej skompresować.
W tym momencie pętle zaczynają wywierać na zewnątrz ciśnienie zwane jako quantum bounce (kwantowe odbicie), które powoduje przekształcenie czarnej dziury w białą. Zdaniem naukowców trwa to zaledwie kilka milisekund, jednak - choć transformacja jest niemal natychmiastowa - czarne dziury mogą się nam pokazywać jako istniejące jeszcze miliardy lat, bo ich grawitacja rozciąga fale świetlne i czas.
Jeśli tak rzeczywiście jest, to czarne dziury zamiast kryć się pod nieprzeniknionym, wiecznym horyzontem zdarzeń, mają tymczasowy horyzont. Tak twierdzi Carlo Rovelli. Podczas kwantowego odbicia czarne dziury "wydalają" błyskawicznie wszystko to, co poprzednio połknęły, a my, według tej koncepcji, odczytujemy radiomagnetyczny efekt tego zjawiska jako FRB - supersilny rozbłysk fal radiowych.
Czarne dziury przekształcające się w białe mogłyby więc rozwiązać jedną z największych zagadek współczesnej fizyki, z zagadką Wielkiego Wybuchu na czele. Zgodnie bowiem z tą teorią, sam Big Bang byłby takim właśnie odbiciem.
Przewrócony kopernikański świat
Od Kopernika opieramy się na idei, że Ziemia nie stanowi jakiegoś szczególnego miejsca w kosmosie, lecz coś typowego i we Wszechświecie powtarzanego. Koncepcja ta wywodzi się z czasów renesansu i odkrycia kanonika warmińskiego, że to nasz glob obraca się wokół Słońca, a nie odwrotnie. Straciliśmy miejsce w centrum stworzenia.
Stało się jasne, że Ziemia jest po prostu planetą krążącą wokół swojej gwiazdy, jak wiele innych, a koncepcje autora dzieła "De revolutionibus orbium coelestium" przeobraziły się w kopernikańską zasadę, że zasadniczo wszędzie we Wszechświecie jest podobnie - wszystko wygląda tak samo i nie ma żadnych niezwykłych miejsc.
Założenie to obecne jest w naszych modelach Wszechświata, zbudowanych na ogólnej teorii względności Einsteina, a najnowsze odkrycia - np. łowcy planet, Teleskopu Keplera - zdają się to potwierdzać.
Przekonanie, że Wszechświat jest taki sam wzdłuż i wszerz, składając się z podobnych do siebie elementów, utrwalone zostało przez wieki obserwacji. Niemniej niektórzy wciąż powątpiewają w jednorodność kosmosu, wskazując, że znamy tylko niewielki wycinek uniwersum.
Te wątpliwości wspierają nowo odkrywane gigantyczne struktury, takie jak np. Wielka Ściana w Herkulesie-Koronie Północnej, której długość szacuje się na ponad 10 mld lat świetlnych! Czy Wielka Ściana BOSS, zauważona w 2016 r. (jej nazwa to skrót od Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, czyli projektu badawczego, który stoi za jej odkryciem).
Wcześniej, w 2014 r., grupa amerykańskich astronomów doszła do wniosku, że nasza Galaktyka jest częścią gigantycznej supergromady ok. 100 tys. galaktyk, którą nazwano Laniakea (3), co w języku rdzennych mieszkańców Hawajów oznacza "wielkie niebo".
Dane, które pozwoliły na zidentyfikowanie tej formacji, pochodzą z amerykańskiego radioteleskopu Green Bank Telescope i innych podobnych urządzeń. Przy tak wielkich skalach nie potrafimy już ocenić, czy przestrzeń ma charakter homogeniczny.
Jednak w tym samym roku co Laniakea odkryto tuż obok nas wielką pustkę o rozmiarach ok. 2 mln lat świetlnych.
Informacje te każą spojrzeć nieco inaczej na miejsce gatunku ludzkiego we Wszechświecie. Może wcale nie jest ono tak zwykłe i typowe, jak nam się wydawało, a wspomniane struktury nie pozwalają nam potwierdzić homogeniczności Wszechświata.
Jeśli BOSS czy Laniakea są częściami jeszcze większych superstruktur, a wszystko składa się właśnie z takich konstrukcji, w innym układzie niż wyobrażana przez nas homogeniczność, to musimy zmienić opracowane teorie na temat budowy, ewolucji i losu Wszechświata.
Homogeniczność kosmosu i uniwersalność zasad w nim panujących podważana jest na różne sposoby. W 2010 r. naukowcy odkryli cztery gigantyczne gwiazdy o masach ponad trzysta razy większych niż nasze Słońce. Pomimo, że są to bardzo jasne obiekty, nigdy wcześniej nie udało się ich zaobserwować. Te cztery giganty znajdują się w gromadzie gwiazd R136, w Wielkim Obłoku Magellana.
Do czasu ich znalezienia obserwacje Drogi Mlecznej i innych galaktyk wskazywały, że górną granicę masy utworzonej gwiazdy stanowi ok. 150 mas Słońca. Ta wartość stanowiła uniwersalną granicę i pojawiała się w wielu innych regionach formujących gwiazdy. Dodatkowo nie tylko owa granica masy, ale również skład nowych gwiazd wydawały się uniwersalnymi wartościami niezależnymi od miejsca narodzin kosmicznych obiektów.
Nowo odkryte, cztery ultraciężkie gwiazdy w R136 wybiegają daleko poza powszechnie przyjęte limity. Czy to oznacza, że R136 jest pod jakimś względem wyjątkowa i znacząco różni się od innych tego typu miejsc? Niezależnie od odpowiedzi na to pytanie, "znalezisko" silnie podważyło założenie o uniwersalności procesu narodzin gwiazd, stanowiące jedną z podstaw współczesnej astronomii.
Z planetami jest nie lepiej. Dziwaczne obiekty, np. planety o gęstości takiej jak styropian, to tylko niektóre z dziwactw, które wyśledziliśmy w innych systemach słonecznych. I znów rodzą się pytania, czy nasze własne podwórko jest wyjątkiem, nie regułą?
Odkryty w 2016 r. KELT-11b (4) początkowo wydawał się być tylko jednym z wielu dużych "gorących Jowiszów" (rzecz sama w sobie wcześniej nieznana), krążących blisko swojej gwiazdy i powodujących duży spadek jej jasności za każdym razem, gdy mijają gwiezdną tarczę, obserwowaną z Ziemi. Kiedy jednak astronomowie wyliczali masę KELT-11b, doszli do wniosku, że wynosi ona zaledwie 20% masy Jowisza, przy średnicy sięgającej… aż 1,4 tego olbrzyma. Oznacza to ekstremalnie niską gęstość obiektu.
Wkrótce potem astronomowie odkryli WASP-127b, który ma bardzo podobne parametry co KELT-11b. Problem polega na tym, że to kompletna egzotyka w porównaniu z tym, co wiemy o planetach na podstawie obserwacji Układu Słonecznego.
- Nie rozumiemy, dlaczego są one tak napompowane - mówił w rozmowie z "NewScientist" Joshua Pepper z Uniwersytetu Lehigh w Pensylwanii, kierujący zespołem badającym KELT-11b.
Im więcej odkrywamy rozmaitych dziwactw wokół innych gwiazd, tym dalej odchodzimy od naszego wyobrażenia, jak powinien wyglądać układ planetarny. Liczba anomalii nie pozwala nawet stworzyć typologii. Być może pojawi się, gdy zbierzemy więcej danych.
Można bez ciemnej materii?
Można W latach 70. XX wieku pomiary obrotów galaktyk wykazały, że zwykle wirują one zbyt szybko, aby utrzymać zawartą w nich materię.
W większości przypadków do utrzymania galaktyk razem potrzeba od 10 do 100 razy więcej materii, niż możemy wykryć. Zdecydowana większość astrofizyków uważa, że ta zasadnicza rozbieżność wynika z wpływu tajemniczej, grawitacyjnej ciemnej materii, której nie udało nam się jeszcze bezpośrednio zaobserwować.
Ale istnieje też mniejszość, która wierzy, że ciemna materia jest iluzją, a galaktyki zachowują swoje kształty dlatego, że grawitacja działa inaczej, niż nam się do tej pory wydawało.
Odkryta w tym roku ultrarozproszona galaktyka NGC 1052-DF2 (5) wydawała się być przełomem. Astronomowie korzystający z Teleskopu Hubble’a i kilku obserwatoriów naziemnych ujrzeli w niej unikatowy obiekt astronomiczny - galaktykę, która wydaje się nie zawierać żadnej ciemnej materii.
Jeśli przyjmiemy, że pomiary zostały wykonane prawidłowo, musimy odwołać się do kilku istniejących teorii opisujących, w jaki sposób galaktyki mogą powstawać bez udziału ciemnej materii.
Wedle jednej z nich NGC 1052-DF2 mogła być do niedawna spokojną chmurą gazu, którą zburzyło pojawienie się w jej pobliżu nieodkrytej jeszcze galaktyki, powodując formowanie się nowych gwiazd. Pieter van Dokkum z Uniwersytetu w Yale, odkrywca obiektu, spekuluje z kolei, że NGC 1052-DF powstała z dwóch strumieni gazu, które się ze sobą zderzyły, tworząc porozrzucane z rzadka gwiazdy.
Van Dokkum dodaje jednak przekornie, że wbrew pozorom ten obiekt bez ciemnej materii "może być dowodem na istnienie ciemnej materii". Odkrycie NGC 1052-DF2 dowodzi, że ciemną materię można oddzielić od galaktyk. To możliwe tylko w sytuacji, w której wiąże się ona z materią barionową wyłącznie przez grawitację.
Pojawiła się też koncepcja, zgodnie z którą grawitacja to efekt uboczny fluktuacji kwantowych i ciemnej energii.
Czarne dziury za szybkie, za wściekłe
Czarne dziury o masach sięgających miliardowych wielokrotności masy Słońca stanowią ogromne wyzwanie dla teorii kosmicznych. Dlatego że od Wielkiego Wybuchu właściwie nie było wystarczająco dużo czasu, aby te "obiekty" w ogóle mogły powstać…
W naszej Galaktyce znajduje się supermasywna czarna dziura Sagittarius A*. Waży 4 miliony mas słonecznych i rozciąga się na odcinku 44 mln km, co wydaje się być zdumiewająco ekstremalnym zjawiskiem. Cała ta materia jest jednak wciśnięta w przestrzeń o rozmiarze wokółsłonecznej orbity Merkurego. Sagittarius A* to i tak mikrus w porównaniu z hipotetyczną czarną dziurą w aktywnej galaktyce OJ 287, o wyjątkowo dużej masie, ocenianej na 1,8 × 1010 mas Słońca.
Naukowcy wyliczyli, że aby tak urosnąć, musiałaby ona w ciągu 10 mld lat rok w rok konsumować dziewięć gwiazd wielkości Słońca! Jeszcze bardziej kontrowersyjna jest pewna supermasywna czarna dziura o masie 800 mln mas słonecznych, istniejąca już wówczas, gdy Wszechświat miał zaledwie 700 mln lat. Jak tego zdążyła dokonać - to dopiero zagadka!
Obserwacje prowadzone od 2006 r. pokazują, że olbrzymie potwory z masami co najmniej miliarda mas Słońca współtworzyły Wszechświat, gdy ten miał mniej niż miliard lat. To o wiele za wcześnie, by uformowały się w konwencjonalny sposób. Być może jeden lub dwa takie masywne obiekty dałoby się jeszcze zaakceptować jako dziwactwa, jak stwierdziła w październikowym "NewScientist" Priyamvada Natarajan, astrofizyk z Uniwersytetu Yale.
Jednak do tej pory astronomowie zauważyli już ponad sto supermasywnych czarnych dziur, które istniały, zanim Wszechświat liczył 950 mln lat. Potrzebne jest naukowe, systemowe wyjaśnienie owego fenomenu.
Zwykłe hipotezy zakładają, że tego rodzaju czarne dziury albo urodziły się od razu jako duże, albo szybko dorastały. Jednak ostatnie odkrycia stanowią wyzwanie dla tych teorii.
We współczesnym Wszechświecie czarne dziury powstają zazwyczaj z masywnych gwiazd, które zapadają się pod własną masą przy końcu życia. Przeważnie liczą mniej niż sto mas słonecznych i mogą rosnąć albo poprzez połączenie z inną czarną dziurą, albo przez akrecję (opadanie) gazu z otoczenia.
Gaz ten często organizuje się w dysk, który spiralnie wkrada się w czarną dziurę, z tarciem podgrzewając dysk do białości, widocznej z odległości miliardów lat świetlnych. Te czarne dziury zasilane gazem nazywane są kwazarami. Im szybciej kwazar zjada materię, tym jaśniej świeci jego dysk. Ale świetlisty gaz zarazem ogranicza tempo wzrostu czarnej dziury. Fotony dysku świetlnego odpychają świeży materiał. Ma to związek z tzw. jasnością Eddingtona, przy której ciśnienie promieniowania emitowanego przez obiekt równoważy przyciąganie grawitacyjne.
Astronomowie mierzyli proporcje Eddingtona dla około dwudziestu supermasywnych czarnych dziur istniejących już we wczesnym Wszechświecie. Większość wydaje się "jeść" w tempie zbliżonym do limitu, w przeciwieństwie do kwazarów we współczesnym Wszechświecie, żerujących z prędkością około dziesiątej części prędkości granicznej.
To wczesne szaleńcze tempo pożerania nadal jednak wydaje się zbyt małe, aby w czasie krótszym niż miliard lat czarna dziura urosła do supermasywnych rozmiarów.
Tymczasem fizyk Myungshin Im z południowo-koreańskiego Narodowego Uniwersytetu w Seulu zwrócił uwagę, że jeszcze większy problem stanowią czarne dziury wolniej konsumujące materię (6).
Jego zespół celowo szukał ciemniejszych, odległych kwazarów za pomocą teleskopów w Las Campanas Observatory w Chile. Naukowcy znaleźli IMS J2204+0112 - czarną dziurę o masie miliarda Słońc, która konsumowała materię z prędkością wynoszącą jedną dziesiątą limitu Eddingtona, pochodzącą z czasów, gdy Wszechświat miał dopiero 940 mln lat.
W lutym 2018 r. koreańscy naukowcy zauważyli na portalu arXiv.org, że przy tej prędkości żerowania czarna dziura nie powinna zyskać takiego rozmiaru, dopóki Wszechświat nie osiągnął 8 miliardów lat.
Podobny paradoks wiąże się nie tylko z IMS J2204+0112. W listopadzie 2017 r. Chiara Mazzucchelli z Astronomicznego Instytutu Maxa Plancka w Niemczech i jej koledzy donieśli w "Astrophysical Journal" aż o jedenastu "wybrednych" czarnych dziurach, istniejących już wtedy, gdy Wszechświat miał mniej niż 800 mln lat.
Kwazary te mają przeciętnie masę ok. 1,62 miliarda mas słonecznych, ale pożerają materię w tempie bliskim 40% maksymalnej prędkości. Co dziwne, największa czarna dziura w tej grupie, HSC J1205-0000, zanotowała najniższe tempo wzrostu. Przy swoich 4,7 miliardach mas słonecznych, konsumuje z szybkością 6% limitu. Wystarczająco dziwne były żarłoczne supermasywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie, ale zachowanie tych niespiesznych żarłaczy pozostaje jeszcze trudniejsze do zrozumienia.
Naukowcy mają nadzieję, że sporo wyjaśni się, gdy do badań włączy się Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba, który powinien być w stanie wykryć kwazary i gwiazdy istniejące zaledwie 400 lub 500 mln lat po Wielkim Wybuchu. Identyfikowanie supermasywnych czarnych dziur w odmętach pradziejów kosmosu będzie też jednym z głównych celów projektowanego kosmicznego obserwatorium fal grawitacyjnych o nazwie LISA.
Fluidy o masie negatywnej
Jedną z wielkich zagadek Wszechświata stanowi nierównowaga materii i antymaterii. Przynajmniej tak nam się zdaje, bo mimo wszystko cały czas przyjmujemy, że ów Wszechświat jest homogeniczny.
Teoria mówi, że w Wielkim Wybuchu materia i antymateria powinny być stworzone w równej mierze. Nie ma jednak między nimi zgody - gdy tylko się ze sobą zetkną, anihilują, wydzielając ogromną energię. Logicznie rzecz biorąc, obie postacie materii powinny się zdusić w gorącej orgii wzajemnego zniszczenia już podczas pierwszej sekundy istnienia Wszechświata, pozostawiając kosmos wypełniony tylko światłem. A jednak jakoś wygrała materia. Dlaczego?
Jedną z możliwości jest to, że antymateria po prostu się ukrywa. Uciekła przed śmiertelnym starciem z materią, znajdując schronienie w oddalonych, bezpiecznych miejscach. Dziś rezyduje w dalekich, nieznanych nam zakamarkach przestrzeni, drwiąc z naszego przekonania o jednorodności uniwersum.
Odrobinę mniej enigmatyczne są ciemna energia i wspominana już ciemna materia, stanowiące ok. 95% Wszechświata. A to dlatego, że przynajmniej pośrednio widzimy ich egzystencję. Oblicza się, że ciemna materia, która oddziałuje grawitacyjnie podobnie jak normalna materia, stanowi ok. 27% Wszechświata. Tymczasem aż ok. 68% to ciemna energia - tajemniczy ośrodek, który powoduje przyspieszenie ekspansji kosmosu.
Naukowcy sądzą, że w bardzo wczesnym Wszechświecie dominowała ciemna materia.
- W tym czasie gęstość ciemnej materii była o 95 rzędów wielkości większa niż ciemnej energii - uważa Nicolao Fornengo z Uniwersytetu w Turynie, z którym rozmawiał przedstawiciel "NewScientist".
Gęstość ciemnej materii spadała wraz z rozszerzaniem się Wszechświata, podczas gdy gęstość ciemnej energii jest powszechnie zakładana jako stała w czasie, co czyni ją coraz bardziej dominującą. Kilka miliardów lat temu ciemna energia stała się gęstsza od ciemnej materii - a w efekcie ekspansja Wszechświata zaczęła przyspieszać.
Średnią gęstość ciemnej materii oceniamy na podstawie symulacji komputerowych, w których istotną rolę odgrywają prędkości obiegu gwiazd wokół centrów galaktyk. Ciemna materia przynosi dominujący wkład do mas galaktyk, a zatem do wytwarzanego przez nie pola grawitacyjnego. Z kolei pole grawitacyjne decyduje o zależności prędkości obiegu gwiazdy od promienia jej orbity w galaktyce. Podstawą teoretyczną tego obliczenia jest prawo powszechnego ciążenia Newtona.
Odkrycie niezerowej gęstości ciemnej energii umożliwiły obserwacje supernowych. Jednak nie zapewniają one precyzji. Najdokładniejsze wyliczenia otrzymujemy, analizując niejednorodności w rozkładzie promieniowania tła, które zostało wyemitowane ponad 13 miliardów lat temu.
Możemy na tej podstawie wyznaczyć krzywiznę przestrzenną Wszechświata, która okazuje się być nieobserwowalnie mała (w przeciwieństwie do krzywizny czasoprzestrzennej, odpowiadającej za rozszerzanie się Wszechświata). Zerowa krzywizna przestrzenna oznacza istnienie dokładnej relacji między całkowitą gęstością (sumą gęstości materii barionowej, ciemnej materii i ciemnej energii) a mierzonym parametrem Hubble’a, opisującym rozszerzanie się Wszechświata.
Z mierzonego parametru Hubble’a wyznaczamy całkowitą gęstość (nazywaną gęstością krytyczną) i odejmujemy od niej wcześniej wyznaczone gęstości materii barionowej oraz ciemnej materii. W ten sposób otrzymujemy dokładną wartość gęstości ciemnej energii.
Obie ciemne strony Wszechświata są stale kwestionowane. Zdaniem niektórych uczonych, to, co nazywamy ciemną materią, może w rzeczywistości reprezentować kwantową próżnię, "substancję" mogąca stanowić zdecydowaną większość naszego Wszechświata.
Nowa teoria, która proponuje unifikację ciemnej materii i ciemnej energii w jedną substancję - ciemny płyn o ujemnej masie, została w listopadzie 2018 r. opublikowana w "Astronomy & Astrophysics".
- Uważamy, że zarówno ciemna materia, jak i ciemna energia mogą być traktowane jako rodzaj substancji płynnej, charakteryzującej się czymś w rodzaju negatywnej grawitacji, czyli odpychającej całą otaczającą je materię - wyjaśnił w oświadczeniu autor publikacji dr Jamie Farnes z Uniwersytetu w Oxfordzie (7). - Teoria wydaje się wyjaśniać istotę ciemnej materii, a przy okazji otrzymujemy możliwe rozwiązanie dla ciemnej energii.
Model przetestowano przy użyciu symulacji Wszechświata - był on w stanie stworzyć wirtualny kosmos, w którym rozkład galaktyk kształtował się zgodnie z oczekiwaniami. To intrygujące odkrycie, choć dalekie od jednoznacznego dowodu. Istnieją jednak pomysły na weryfikację tej hipotezy.
Dlaczego wszędzie jest tyle samo ciepła, czyli tak samo zimno?
Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, materia i energia zakrzywiają przestrzeń i czas, zaś ilość materii-energii, którą zawiera Wszechświat, określi jego ostateczny los. Jeśli Wszechświat pozostaje wystarczająco gęsty, by zakrzywić czas w sobie, cała grawitacja ostatecznie ściśnie wszystko z powrotem do punktu zero. Jeśli zaś gęstość Wszechświata jest niska, wygina się on na zewnątrz - a słabość przyciągania grawitacyjnego oznacza, że rozszerzać się będzie zawsze.
Jednak nasz Wszechświat zdaje się nie pasować do żadnego z tych modeli. Najpotężniejszy test jego geometrii stanowi zmienność kosmicznego tła mikrofalowego, promieniowania emitowanego wkrótce po Wielkim Wybuchu.
Zgodnie z pomiarami tego promieniowania, gęstość materii i energii pozostaje na takim poziomie, że Wszechświat nie zakrzywia się w żaden sposób - jest idealnie płaski. Po upływie odpowiednio dużego czasu jego ekspansja powinna przyhamować, jednak bez zapaści z powrotem.
Temperatura kosmicznego tła mikrofalowego, w którego kąpieli radiacyjnej pławi się cała przestrzeń, wydaje się niezwykle jednolita. Waha się o mniej niż 0,001 stopni od 2,725 Kelwina. Choć może się to wydawać całkiem naturalne, jednak ta spójność dla nauki pozostaje prawdziwą zagadką.
Aby osiągnąć równowagę termiczną w tak ogromnie rozpostartej przestrzeni, ciepło potrzebuje bardzo dużo czasu na konwekcję. Nawet jeśli dzieje się to z prędkością światła, Wszechświat jest po prostu zbyt młody, aby tak się stało.
Kosmolodzy starają się wyjaśnić jednorodność termiczną Wszechświata za pomocą hipotezy inflacji. Zastępuje ona prostą ideę Wielkiego Wybuchu koncepcją, w której pojawił się moment ekspansji wykładniczej. Ten nagły, szybszy od światła wzrost rozmiaru Wszechświata dopuszcza zarówno wzrost od rozmiaru atomu, jak i czas na wyrównanie temperatury.
Nagła ekspansja pomogłaby również wyjaśnić, dlaczego obserwowalny Wszechświat wydaje się być płaski. Tak samo jak krzywizna Ziemi staje się widoczna tylko wtedy, gdy patrzy się na nią z dużego oddalenia, tak złożona geometria czasoprzestrzeni może wydawać się spłaszczona dla obserwatorów oglądających jedynie ułamek całości - bez odpowiedniej perspektywy. Co więcej, wyjaśnia nawet, w jaki sposób powstały galaktyki, ponieważ w podlegającej inflacji przestrzeni pojawiały się drobne wahania kwantowe.
Bozon utknął na zboczu, dlatego istniejemy
Uważa się od niedawna, że to bozon Higgsa sprawia, iż Wszechświat jest stabilny. Gdyby dająca masę cząstka była znacznie lżejsza, kosmos szybko zapadłby się w sobie. Mimo to nasz Wszechświat może zniknąć w mgnieniu oka!
Dzieje się tak dlatego, że według koncepcji metastabilności bozonu Higgsa tkanina czasoprzestrzeni znajduje się w stanie niepewnym - co fizycy nazywają fałszywą próżnią - i w każdej chwili może się zapaść w stabilność.
- Gdyby w pobliżu nas we Wszechświecie pojawiła się bańka prawdziwej próżni, rozszerzając swoja objętość na nas, wszyscy stalibyśmy się martwi - stwierdził w rozmowie z "NewScientist" Sean Carroll, fizyk teoretyczny z California Institute of Technology w Pasadenie.
Kluczem do zrozumienia stabilności próżni jest bozon Higgsa oraz związane z nim pole, które przenika całą przestrzeń czasową i nadaje cząstkom elementarnym ich masę. Chociaż cząstki elementarne uzyskują swoje masy poprzez oddziaływanie z polem Higgsa, masa bozonu Higgsa również zależy od tych cząstek.
Najcięższy z nich, kwark górny, ma największy wpływ na masę Higgsa. Według najnowszych pomiarów pola Higgsa, nasz Wszechświat może znajdować się na krawędzi. Niczym piłka tocząca się w dół zbocza próżnia zmierza do najniższego stanu energetycznego. Jeśli zatrzymała się w zagłębieniu po drodze (8), to wyjaśniałoby to wszystkie zbiegi okoliczności i taki a nie inny "obraz" naszego Wszechświata.
Fizycy nie lubią jednak zbiegów okoliczności, podejrzewając je o ukrywanie jakiejś nowej zasady, której jeszcze nie zrozumieli. Kiedy już zabraknie im teorii, zawsze pozostaje jeszcze uniwersalne wyjaśnienie, odpowiadające na wszystko, nie odpowiadając na wiele: Wszechświat jest taki, jaki jest, ponieważ istniejemy, aby go zobaczyć. Logika ta zwana jest zasadą antropiczną.
Wszechświat nieprzyjazny życiu nie stworzyłby istot ludzkich mogących go obserwować, więc ten, który widzimy, musi z definicji posiadać cechy niezbędne do przyjęcia inteligentnego życia. To oczywiście nie mówi nam, czy nieco inny wszechświat mógłby nadal być gospodarzem życia, ani dlaczego istnieje ten nasz, szczególny, a nie inny, lub dlaczego widzimy drobno zrównoważone cechy bez wpływu na powstawanie życia.
A jednak pojawił się pomysł usuwający wszystkie te zastrzeżenia - to teoria multiwszechświata. Zgodnie z nią wszystkie wyobrażalne wszechświaty istnieją obok siebie w mozaikowej, wielorakiej nadprzestrzeni. Zamieszkujemy tylko jeden z nieskończonych wariantów.
Rzecz jasna, niektórzy postrzegają tę wielorakość jako abdykację naukowej odpowiedzialności i ucieczkę przed koniecznością wyjaśniania zbiegów okoliczności.
Albo symulacja, albo multiwszechświat
Istnieje jednak jeszcze jedno wyjaśnienie wszystkich tych zadziwiających zbiegów okoliczności. Jak ujął to wizjoner technologiczny Ray Kurzweil: "być może cały nasz Wszechświat jest eksperymentem naukowym jakiegoś gimnazjalisty w innym wszechświecie".
Dla Kurzweila i jemu podobnych precyzyjna symulacja nie różni się znacząco od rzeczywistości realnej, zaś "prawa fizyczne są zbiorem procesów obliczeniowych".
Astronomowie potrafią już symulować wszechświaty, a raczej pewne ich części.
- Nie jesteśmy w stanie przeprowadzać eksperymentów na gwiazdach i galaktykach - wyjaśniał w jednej z audycji telewizyjnej kosmolog Martin Rees. - Możemy jednak stworzyć wirtualny wszechświat w naszych komputerach i obliczyć, co się dzieje, jeśli galaktyki się zderzają, ewoluują gwiazdy itp. Ponieważ więc możemy symulować niektóre zjawiska kosmiczne, warto zapytać, jakie symulacje będą osiągalne w miarę wzrostu potęgi komputerów. Nie jest szaleństwem wierzyć, że w dalekiej przyszłości powstaną komputery potrafiące symulować procesy zachodzące w naprawdę dużej części kosmosu.
Fizyk Paul Davies ma inne podejście. Wykorzystuje teorię symulacji, aby wyeliminować możliwe sprzeczności w teorii multiwszechświata, która jego zdaniem stanowi wielkie wyzwanie dla współczesnej kosmologii głównego nurtu.
- Jeśli poważnie potraktujemy teorię wszystkich możliwych wszechświatów, łącznie ze wszystkimi możliwymi odmianami, to musimy przyjąć, że przynajmniej w niektórych z nich występują inteligentne cywilizacje dysponujące mocą obliczeniową wystarczającą do symulacji całych fikcyjnych światów - wyjaśnia Davies. - Symulowane wszechświaty są znacznie tańsze w wykonaniu niż te rzeczywiste, a więc liczba fałszywych wszechświatów rozrastałaby się, znacznie przewyższając liczbę prawdziwych. A zakładając, że jesteśmy typowymi obserwatorami, bardziej prawdopodobne jest, iż znajdziemy się w fałszywym wszechświecie niż w rzeczywistym.
Davies idzie dalej. Twierdzi, że ponieważ teoretyczne istnienie wielu wszechświatów opiera się na prawach fizyki w naszym wszechświecie, to jeśli ów wszechświat jest symulowany, jego prawa fizyki są również symulowane, co oznaczałoby, że fizyka tego wszechświata jest fałszywa.
- Nie możemy użyć argumentu, że fizyka w naszym wszechświecie prowadzi do wielu wszechświatów, ponieważ wiedzie również do fałszywego wszechświata z fałszywą fizyką - wnioskuje.
Podważa to, jego zdaniem, całą argumentację o mnogości uniwersów, ponieważ rozumowanie takie prowadzi do błędnego koła.
Jak nie meteory, to mroczny wiatr
Powędrowaliśmy szlakiem zagadek Wszechświata naprawdę daleko.
Teorie multiwszechświata i symulacji to w dużej mierze sfera spekulatywna. Tymczasem we Wszechświecie bardzo blisko nas rodzą się zagadki nie mniej frapujące, a przynaj - mniej takie, których rozwiązanie może mieć bezpośredni wpływ na los ziemskiej cywilizacji.
Jedną z nich jest pytanie, czy w roju Taurydów (9) kryją się większe i groźne dla Ziemi obiekty? Zespół naukowców z Akademii Nauk Republiki Czeskiej dokonał obserwacji sugerujących, że Ziemia jest bardziej zagrożona, niż sądziliśmy.
Zidentyfikowali oni nowy rój meteoroidów - lodowych odłamków w kosmosie, pozostawionych przez kometę 2P/Encke. Są związane ze strumieniem meteorów właśnie w roju Taurydów. Zdaniem Czechów, ten nowy strumień meteoroidów może również zawierać wciąż nieodkryte asteroidy, niektóre pokaźnych rozmiarów. Wyniki badań na ten temat zostały opublikowane w 2017 r. w "Astronomy & Astrophysics".
Mniej groźny - a przynajmniej tak na razie sądzimy - wydaje się "huragan" ciemnej materii, który według badaczy owiewa właśnie Ziemię (10). Opublikowany w "Physical Review D" artykuł Ciarana O’Hare z Uniwersytetu w Saragossie opisuje strumień S1 składający się z 30 tys. gwiazd, odkryty w 2017 r. przez satelitę ESA Gaia.
Uważa się, że są to "resztki galaktyki karłowatej, połkniętej miliardy lat temu przez Drogę Mleczną". W naszej galaktyce znaleziono ok. 30 takich strumieni, z których każdy stanowi pozostałość po poprzednim zderzeniu. S1 jest jednak szczególnie interesujący, ponieważ związana z nim ciemna materia "wieje" obok nas z prędkością ok. 500 km/s.
"Dotychczas działające detektory poszukujące słabo oddziałujących masywnych cząstek (WIMP) - jednej z hipotetycznych form ciemnej materii - prawdopodobnie nie zauważą żadnego efektu z S1", pisze autor badań, "ale nowym detektorom WIMP może się udać."
Redaktorzy serwisu ScienceAlert zauważają, że możliwe jest wykrycie w tym strumieniu innych cząstek, które według teoretycznych rozważań mogą stanowić ciemną materię - aksjonów. Zatem od rozbłysków radiowych, które być może wydobyły się z pierwotnej białej dziury, aż po niewidzialny wicher ciemnej materii, z którym podobno zmaga się w tej chwili nasza planeta, Wszechświat jest pełen tajemnic.
Wiemy już, że próby poszukiwania odpowiedzi rodzą kolejne zagadki - i to w tempie mniej więcej wykładniczym. Dla jednych to udręka, bo woleliby jasność niż niekończące się ciągi wątpliwości. Inni z kolei uważają, że cała przyjemność polega na ściganiu króliczka…
Mirosław Usidus
