-
JAK WIELE WIEMY o budowie Wszechwiata? Zoliwi odparliby, e co
najwyej 4%. Najprawdopodobniej tyle wanie jest w nim zwykej
materii, budujcej galaktyki, gwiazdy i nas samych. 23% Wszechwiata
stanowi ciemna materia, skadajca si z nieznanych nauce czstek. A
reszta? A 73% to ciemna energia - co, o czym fizycy wiedz niemal
tyle, co nic. Jak wida, jest co bada. Dla wyjanienia skadu naszego
wiata powstaj niezwyke, poruszajce wyobrani teorie. Skd jednak
wiemy o istnieniu ciemnej materii i energii?
Najnowsza historia poznawania wiata rozpocza si w pocztkach XX
wieku. To wtedy, wkrtce po ogoszeniu przez Einsteina oglnej teorii
wzgldnoci, zajto si dociekaniami nad budow caego Wszechwiata.
Pocztkowo nie wiedziano nawet, czy jest on, jako cao, nieruchomy,
czy te - co wydawao si znacznie mniej prawdopodobne - rozszerza si
lub kurczy. Sam Einstein by przez jaki czas zwolennikiem teorii
nieruchomego Wszechwiata. Poniewa grawitacja szybko spowodowaaby
jego zapadnicie, wprowadzi on do opisujcych kosmos rwna dodatkowy
skadnik odpychajcy, zwany sta kosmologiczn. Wkrtce jednak, dziki
pomiarom ruchw galaktyk wykonanym przez Edwina Hubble'a,
okazao si, e Wszechwiat si rozszerza, a Einstein uzna sta
kosmologiczn za sw najwiksz yciow pomyk.
Na podstawie obserwacji Hubblea mona byo ustali, e wszystkie
galaktyki musiay kiedy znajdowa si w jednym punkcie. Innymi sowy,
Wszechwiat kiedy znajdowa si w supergstym i gorcym stanie, od
ktrego rozpoczo si nieustanne rozszerzanie. Hipoteza takiego
Wielkiego Wybuchu wywoaa sprzeciw wielu badaczy, zwolennikw
odwiecznego kosmosu. Zaproponowali wic wyjanienie mniej drastyczne:
zgodnie z nim kosmos rozszerza si od zawsze. Jego gsto musiaaby
jednak wwczas stale male. Aby temu zapobiec, wprowadzono do fizyki
kreacj z niczego: od czasu do czasu w rozszerzajcej si przestrzeni
miayby powstawa pojedyncze czstki. Dziwne? Moe, ale czy nieustanna
kreacja niewielkich iloci materii nie jest dziwniejsza od
jednorazowego powstania caego Wszechwiata?
Wrd nieustannych sporw konkurencyjna do Wielkiego Wybuchu teoria
stanu stacjonarnego utrzymaa si a do roku 1965. To wtedy Arno
Penzias i Robert Wilson, fizycy z laboratorium Bella, odkryli
mikrofalowe promieniowanie ta - dobiegajc ze wszystkich kierunkw
nieba emisj, odpowiadajc
Powsta w Wielkim Wybuchu i bdzie si nieustannie rozszerza? A moe
kolejny raz stworzyo go zderzenie dwch kosmicznych membran?
Szukajcy wyjanienia niezwykych danych obserwacyjnych fizycy tworz
teorie, tumaczce przesze i przysze losy naszego Wszechwiata.
WERONIKA LIWA
-
promieniowaniu ciaa doskonale czarnego o temperaturze 2,7 K.
Powstanie tego promieniowania dao si wyjani tylko za pomoc teorii
Wielkiego Wybuchu. Zgodnie z ni mody Wszechwiat musia by niezwykle
gorcy i wypeniony promieniowaniem. Jego gwatowne rozszerzanie
spowodowao, e promieniowanie to dzi ma temperatur kilku stopni
powyej zera bezwzgldnego.
Mapa niewidzialnegoPo zwycistwie teorii Wielkiego Wybuchu
wydawao si, e losy Wszechwiata mog zalee tylko od jego redniej
gstoci: Wszechwiat lekki rozszerzaby si w nieskoczono, ciki - z
czasem zahamowaby i zacz si kurczy. Niestety, redni gsto
Wszechwiata zmierzy nieatwo. W dodatku jej coraz dokadniejsze
pomiary wskazyway, e jest ona zdumiewajco bliska wartoci
odpowiadajcej trzeciemu, poredniemu modelowi, o tzw. gstoci
krytycznej - 9,9 10 30 g/cm3. Przeom w tych pomiarach nastpi
niedawno. Na podstawie wielu bada, w tym obserwacji supernowych
typu Ia i mikrofalowego promieniowania ta, udao si ustali, e czna
gsto Wszechwiata jest rzeczywicie bliska krytycznej. Okazao si te,
e zwyka materia wnosi
do niej wkad zaledwie 4-procentowy. Ruch materii w galaktykach i
ich gromadach, a take zjawiska so- czewkowania grawitacyjnego moemy
wyjani tylko wtedy, gdy przyjmiemy, e oprcz znanych nam czstek
Wszechwiat wypenia take tajemnicza ciemna materia, oddziaujca ze
zwyk jedynie poprzez grawitacj.
Niestety, cho trwaj ju poszukiwania, na razie w laboratoriach
nie odnalelimy adnych kandydatw na czstki ciemnej materii. Wiemy
jedynie, e z pewnoci nie s to czstki tworzce atomy. Te trudnoci
skoniy cz badaczy do sformuowania teorii, zgodnie z ktr ciemna
materia nie istnieje. Za nietypowe wyniki obserwacji ma zamiast
niej odpowiada zmieniona druga zasada dynamiki Newtona - nieco inna
od znanej dzi zaleno pomidzy si a przyspieszeniem. Takiej
modyfikacji nie mona jeszcze definitywnie odrzuci, ale o istnieniu
ciemnej materii wiadczy coraz wicej faktw, zwaszcza obserwacje
soczewkowania grawitacyjnego. Podczas so- czewkowania przechodzce
przez niewidoczne skupiska ciemnej materii promienie wietlne
zakrzywiaj swj bieg. Niedawne obserwacje teleskopu Hubblea
doprowadziy ju nawet do opracowania pierwszej duej mapy
niewidocznej materii.
-
Zgodnie z teori Wielkiego Wybuchu
nowo powstay Wszechwiat by tak
gorcy, e wypeniaa go
wysokoenergetyczna zupa
promieniowania i czstek
elementarnych. W miar jak wiat
rozszerza si i styg, powstaway
pierwsze pierwiastki,
gwiazdy, a z czasem - i my sami.
Tak jak badania odbitego w krzywym lustrze obrazu wskazuj, jaki
jest ksztat zwierciada, tak analiza obrazw galaktyk doprowadzia do
oceny ksztatu i wielkoci skupisk ciemnej materii, przez ktre
przebiegao wiato w drodze do nas. Dodatkowo badacze wykorzystali
dane zebrane przez najwiksze teleskopy naziemne, ktre pozwoliy
ustali odlegoci obserwowanych galaktyk.
Powstaa dziki badaniom teleskopu Hubble'a mapa obejmuje obszar
omiokrotnie wikszy od powierzchni zajmowanej przez Ksiyc w peni i
siga do miejsc odlegych o ponad 6 mld lat wietlnych. Na mapie
ciemna materia ukada si w struktury przypominajce trjwymiarow sie,
w ktrej wzach znajduj si jej wiksze zgszczenia. Potwierdza to
model, zgodnie z ktrym w pocztkowo dobrze wymieszanym Wszechwiecie
ciemna materia zapadaa si, tworzc kosmiczne sieci. Pniej, pod
wpywem przycigania grawitacyjnego, do obszarw znacznej jej
koncentracji spywaa zwyka materia, dzi tworzca galaktyki i ich
gromady. Rzeczywicie, porwnanie rozkadu ciemnej materii z map
widocz
nych na niebie galaktyk i gorcego gazu wskazuje, e gromady
galaktyk i inne zgszczenia kosmicznego gazu znajduj si na og w
miejscach, w ktrych ciemnej materii jest wyjtkowo duo. Ciemna
materia jest wic szkieletem, na ktrym osadzao si ciao widocznego
goym okiem Wszechwiata. Na mapie s te jednak widoczne i inne
obszary, w ktrych widzimy sam nieobronity galaktykami kosmiczny
szkielet lub niemal pozbawione ciemnej materii galaktyki.
Pochodzenie tych nietypowych rejonw by moe wyjani nowe pomiary,
obejmujce 1000- -krotnie wiksze fragmenty kosmosu.
Energia, ktrej nie widaKosmolodzy zmagaj si te z problemem
jeszcze trudniejszym od wyjanienia. Ju w latach 90. ubiegego wieku
wyniki pomiarw jasnoci i odlegoci supernowych wykazay, e od kilku
miliardw lat Wszechwiat zamiast powoli hamowa, rozszerza si coraz
szybciej. Za to przyspieszenie miaby odpowiada kolejny skadnik,
zbliony do wymylonej przez Einsteina staej kosmologicznej. Dzi
nazywamy
-
go ciemn energi. lady jej dziaania s widoczne ju we Wszechwiecie
sprzed 9 mld lat. Wyglda wic na to, e cho hamujcy pocztkowo sw
ekspansj Wszechwiat zacz si ponownie rozpdza dopiero 5-6 mld lat
temu, ciemna energia istniaa w nim niemal - a moe po prostu? - od
samego pocztku.
Dotychczasowe prby teoretycznego opisania wasnoci ciemnej
energii zazwyczaj prowadz do wniosku, e tego odpychajcego skadnika
Wszechwiata powinno nie by wcale lub musiaoby go by znacznie wicej,
ni obserwujemy - i to 10120 razy wicej! Nie wiemy te, czy z czasem
ciemna energia bdzie rozpdzaa Wszechwiat, czy tempo tego
przyspieszania si nie zmieni. A moe kiedy ciemna energia wyczy si i
nasz wiat znowu zacznie hamowa? Na takie pytania nie mamy na razie
odpowiedzi. A przecie bez nich nie zrozumiemy, jaki bdzie kres
naszego wiata.
Koniec w lodzie i pustceJeeli obserwowany dzi stan Wszechwiata
nie zmieni si w istotny sposb i jego ekspansja bdzie nadal
przyspieszaa, czeka nas raczej ponury
koniec. W skrajnym scenariuszu przyspieszajca ekspansja zerwie
wszelkie istniejce midzy obiektami materialnymi wizy - zarwno
grawitacyjne, jak i elektromagnetyczne czy jdrowe. Wedug jednego z
modeli ju na 60 mln lat przed kocem wiata rozpadn si galaktyki. Na
trzy miesice przez kocem z puchncej przestrzeni znikn ukady
planetarne. W cigu ostatnich sekund istnienia zwykego wiata rozpadn
si gwiazdy i planety, a nawet pojedyncze atomy.
Na szczcie do takiego koca pozostao nam jeszcze sporo czasu,
mogoby bowiem do niego doj najwczeniej za okoo 20 mld lat. To
zreszt niejedy- na teoria dotyczca koca Wszechwiata. By moe bdzie
si on z czasem rozszerza na tyle wolno, e gwiazdy i planety - a
nawet cae galaktyki - nie zostan rozdzielone. Mimo to przyszo nie
bdzie wygldaa zbyt rowo: Wszechwiat bdzie coraz chodniejszy, a
zapasy dostarczajcych gwiezdnej energii lekkich pierwiastkw kiedy
si zuyj. Pozostan tylko planety i stygnce, wypalone lady dawnych
gwiazd: biae kary, gwiazdy neutronowe i czarne
Wedug teorii bran nasz wiat jest czterowymiarow membran, ktra od
czasu do czasu zderza si z inn, ssiedni.Takie zderzenie wywoao
kiedy odpowiednik Wielkiego Wybuchu.
JEDEN WSZECHWIAT TO ZA MAO!
Czy yjemy w jedynym Wszechwiecie? To w pewnym stopniu zaley od
definicji: jeli Wszechwiat jest wszystkim, co istnieje, niewtpliwie
jest tylko jeden. Nie wiemy jednak, jak bardzo jest duy - dzi
obserwujemy tylko obszar, z ktrego od chwili Wielkiego Wybuchu mogo
doj do nas wiato. Promie tego obszaru to okoo 46,5 mld lat
wietlnych. Jeli Wszechwiat jest nieskoczenie wielki, moe w sobie
zawiera olbrzymie obszary identyczne z naszym, cznie z dodatkowymi
kopiami nas samych. Ale moe s jakie, niezwizane z naszym wiaty, w
ktrych obowizuj inne prawa przyrody i gdzie jest inna liczba
widocznych wymiarw? Takie spekulacje to rozwaania z pogranicza
science fiction, ale wielu kosmologw je jednak prowadzi. Zbir
takich wszechwiatw nazywa si Multiwiatem. Struktura Multiwiata,
natura poszczeglnych wiatw i czce je wizi rni si w zalenoci od
rozpatrywanego modelu. Cz z przewidywa poszczeglnych modeli mona
bdzie z czasem sprawdzi dziki dokadnym pomiarom
kosmicznego promieniowania ta, ksztatu fal grawitacyjnych i
sposobu grupowania si kosmicznych struktur. Jakie s wic
rozpatrywane dzi moliwoci?
Teoria inflacji, zgodnie z ktr nasz Wszechwiat tu po powstaniu
niezwykle gwatownie si rozszerzy, dopuszcza istnienie wielu innych
obszarw, w aden sposb niepoczonych przyczynowo z naszym. Zgodnie z
teori ogoszon przez rosyjskiego kosmologa Andrieja Lindego, nasz
Wszechwiat nie jest niczym niezwykym. Olbrzymia liczba wiatw
powstaje jeden z drugiego w kolejnych procesach superszybkiego
rozszerzania - inflacji. W kadym z nowych, zamknitych przed nami
kosmosw mog obowizywa inne prawa przyrody. Chocia kady z nich ma
swoj wasn przestrze i czas, zbir wszystkich wszechwiatw jest
wieczny. Jeli ta teoria jest prawdziwa, obserwowany przez nas
Wszechwiat jest tylko jednym z acuszka kolejnych kosmosw, a nie
jednym, zawierajcym wszystko, co istnieje.
Zgodnie z niektrymi hipotezami, rwnie materia wpadajca do
czarnej dziury moe da pocztek czemu w rodzaju Wielkiego Wybuchu w
innym kosmosie. Miniaturowy wszechwiat mona byoby wwczas stworzy
samodzielnie w laboratorium. Taki jest cel eksperymentu, ktry
zaproponowali fizycy z japoskiego Yamagata University. Ich recepta
na stworzenie nowego wszechwiata wymaga zderzenia rozpdzonych
czstek elementarnych z monopolem magnetycznym - czstk zawierajc
tylko jeden biegun magnetyczny. Powstajca po zderzeniu miniaturowa
czarna dziura zawieraaby w rodku wszechwiat niezaleny od naszego.
Po wyparowaniu dziury wskutek promieniowania Hawkinga, czno midzy
obu wszechwiatami zostaaby stracona, a kosmiczny noworodek
rozwijaby si dalej samodzielnie. Niestety, na razie po monopolach
magnetycznych nie wida nawet ladu. Moe dlatego, e w ogle nie
istniej? A moe tu po powstaniu zamieniaj si w kolejne wszechwiaty?
Na rozwizanie tego problemu i nowy wszechwiat na biurku bdziemy
musieli jeszcze troch poczeka.
-
W poszukiwaniu wiedzy
o Wszechwiecie najcenniejszych
danych dostarczaj wybuchy
supernowych typu la -
gwiazd, ktrych maksymalna jasno jest
w przyblieniu staa i dobrze
znana - oraz mikrofalowe
promieniowanie ta, ktrego
olbrzymi map udao si stworzy dziki
obserwacjom satelity WMAP.
Jeszcze dokadniejszej
mapy spodziewamy
si po satelicie Planck, ktry ma
wyruszy na woksoneczn
orbit ju w przyszym roku.
dziury. Z czasem czarne dziury wyparuj i nieba nie bdzie ju
rozwietlaa nawet najsabsza powiata. Czy taki proces da si jako
powstrzyma lub odwrci? Dzi wydaje si, e Wszechwiat bdzie si
rozszerza w nieskoczono.
Wszechwiat na pytceProblemy, na ktre natrafia teoria Wielkiego
Wybuchu, skoniy badaczy do rozpatrywania innych, alternatywnych
scenariuszy. Jedn z ciekawszych prb jest teoria Paula Steinhardta z
Princeton i Neila Turoka z Cambridge. Ju w 2002 roku badacze ci na
amach Science zaproponowali niestandardowy model, w ktrym
Wszechwiat cyklicznie rodzi si i umiera. Nasz wiat ma w ich modelu
form czterowymiarowej membrany zwanej bran, zanurzonej w
przestrzeni jedenastowymiarowej. Sze wymiarw tej przestrzeni jest
ciasno zwinitych, a nasza czterowymiarow
brana porusza si tylko w pozostaym - jednym - wymiarze. Pocztek
znanego nam wiata nastpi, gdy nasza brana zderzya si z inn. To
superzderzenie spowodowao znany nam Wielki Wybuch. W przeciwiestwie
do ortodoksyjnych modeli, wybuch wywoany zderzeniem bran
charakteryzuje si tym, e w kadej chwili gsto i temperatura materii
byy skoczone. Po pewnym czasie, okoo stukrotnie duszym od
dotychczasowego wieku Wszechwiata, kolejne zderzenie bran moe wywoa
Wielki Krach. Dla nas wiat si skoczy, ale w tym samym zderzeniu
powstanie przecie nowy wszechwiat.
Model bran, przypominajcy nieco stoicki model Wszechwiata
regularnie tworzonego i niszczonego przez ogie, okrela si czsto
jako model ekpyrotyczny, od greckiego sowa oznaczajcego pomienie.
Nie ma tu potrzeby wprowadzania ciemnej materii. Obserwowane na
niebie zjawiska da si wyjani za pomoc oddziaywania
-
KRTKA HISTORIA WSZYSTKIEGOCzas od Wielkiego Wybuchu:10-36
SEKUNDY
Od tej chwili znane nam teorie opisuj skad i zachowanie si caego
Wszechwiata. Przeszed on ju prawdopodobnie faz superszybkiego
rozszerzania - inflacji, ktra wygadzia istniejce niejednorodnoci i
sprawia, e jego gsto zbliya si do gstoci krytycznej.
1 SEKUNDA
Wszechwiat skada si ju ze zwykych" czstek, takich jak elektrony,
fotony i neutrina. Z kwarkw tworz si protony i neutrony.
3 MINUTY
Powstaj jdra najlejszych pierwiastkw. Poza zwykym wodorem,
ktrego jdrami s pojedyncze protony, tworzy si deuter i tryt, a take
dwa izotopy helu i odrobina litu.
400 TYS. LAT
Gdy nieustannie stygnca materia wystarczajco si ochodzi, jdra
atomowe przyczaj elektrony - tworz si obojtne elektrycznie atomy.
Pozostae z tej epoki promieniowanie obserwujemy dzi jako
mikrofalowe promieniowanie ta.
KILKASET MILIONW - 1 MLD LAT
Z pierwotnych zagszcze powstaj pierwsze gwiazdy i galaktyki.
Wybuchaj pierwsze supernowe, wzbogacajce wodorowo-helowy gaz w
cisze pierwiastki.
3 MLD LAT
Mae galaktyki cz si, tworzc wiksze obiekty. W trakcie tych
zderze powstaj gigantyczne czarne dziury, ktre pochaniaj otaczajcy
je gaz: tworz si kwazary.
9 MLD LAT
Powstaje Soce i Ukad Soneczny.
13,7 MLD LAT
Chwila obecna.
17 MLD LAT
Droga Mleczna moe si zderzy z galaktyk M 31 w Andromedzie,
zbliajc si ku nam z prdkoci 120 km/s.
20 MLD LAT
Soce zakoczy ycie jako biay karze.
100 MLD LAT
Wikszo galaktyk oddali si od naszej tak bardzo, e stan si
niewidoczne.
10000 MLD LAT
Wypal si ostatnie gwiazdy.
10100 LAT
Wyparuj ostatnie czarne dziury.
grawitacyjnego z materi ssiedniej brany. Coraz szybsze
rozszerzanie si Wszechwiata nie oznacza istnienia ciemnej energii,
lecz jest zwizane z oddalaniem si od siebie obu bran. Steinhardt i
Turok dowodz, e ich model dobrze przewiduje nie tylko sam fakt
coraz szybszego rozszerzania si Wszechwiata, ale i tempo tego
przyspieszenia, z czym wikszo konwencjonalnych teorii ma spory
problem. Ich autorzy tumacz na og, e parametry obserwowanego
Wszechwiata s takie, a nie inne, poniewa w innym Wszechwiecie nie
moglibymy si pojawi i go bada. Nasz wiat byby wic unikatowym,
nietypowym przypadkiem, ktrego powstanie byo bardzo mao
prawdopodobne. Steinhardt i Turok wyliczyli, e w ich scenariuszu
wszechwiaty o cechach podobnych do naszego pojawiaj si tak czsto, e
s wrcz pospolite. Nasz Wszechwiat nie jest wic biaym krukiem, lecz
typowym, przecitnym wiatem.
Porzdek musi male?Ta i inne koncepcje Wszechwiata cyklicznego
maj jednak swoje wady. Do niedawna nie umiay upora si z problemem
rosncej entropii - miary uporzdkowania wiata. Druga zasada
termodynamiki mwi, e entropia kadego izolowanego ukadu nie moe
male. Gdyby wic rosa przez wszystkie cykle odnawiajcego si
Wszechwiata, kolejne kosmosy szybko stayby si skrajnie
nieuporzdkowane i nie przypominayby wiata, w ktrym yjemy. Taki
wzrost oznaczaby te, e cofajc si w przeszo, dotarlibymy do
pierwszego, wyjtkowo uporzdkowanego Wszechwiata i... Wielkiego
Wybuchu - podobnego do tego, o ktrym mwi zwyka kosmologia.
Rozwizanie tego problemu moe jednak przynie praca, ktrej
preprint opublikowano niedawno na amach internetowego serwisu
arxiv.org. Jej autorzy znaleli sposb na opisanie wszechwiata
cyklicznego, w ktrym narosa po kadym kolejnym cyklu entropia
ponownie maleje. Czy wic model Wszechwiata na pytce ma teraz szanse
w starciu z teori Wielkiego Wybuchu? Cho dotyczce go prace
publikuje si na amach Science i innych cenionych w naukowym wiecie
czasopism, nie zdoby on dotd uznania wikszoci kosmologw. Aby tak si
stao, nowy model musi nie tylko wyjani znane ju dzi fakty, ale te
przewidzie zjawiska, ktrych dotychczasowy nie opisuje.
Planowane s jednak kolejne kosmiczne misje, ktre bd w stanie
zbada niektre przewidywania modelu bran, odmienne od przewidywa
teorii Wielkiego Wybuchu. Zastosowanie teorii ekpyrotycznej pozwala
przewidzie pewne moliwe do wykrycia cechy mikrofalowego
promieniowania ta. Kwesti prawdziwoci teorii wiata na pytce mog te
z czasem rozstrzygn pomiary fal grawitacyjnych wysyanych we
wczesnym Wszechwiecie. Czy wic za par lat teoria Wielkiego Wybuchu
zwyciy, czy te okae si, e nasz paski wiat porusza si w
wielowymiarowej przestrzeni, czekajc na kolejne zderzenie?
DR WERONIKA LIWA jest redaktorem Wiedzy i yda.
Galaktyki spiralne podobne do tej, w ktrej yjemy, nie bd trway
wiecznie: gdy zabraknie gazu, z ktrego mog powstawa nowe gwiazdy,
zaczn powoli gasn. Z czasem rozpychajca wiat ciemna energia moe
rozerwa wizy pomidzy poszczeglnymi gwiazdami, ich planetami, a
nawet - atomami.wiat zakoczyby si wwczas w Wielkim Rozerwaniu".