Kosmiczna piana

Wyniki badań superstruktur materii coraz częściej podważają powszechnie przyjmowany obraz Wszechświata. Rozkład materii we Wszechświecie nie jest równomierny, bowiem układa się ona wzdłuż przeróżnych płaszczyzn, tworzy pasma, bryły, „pączki”, a nawet góry, zaś wokół nich panuje pustka. Czyżby więc następował zmierzch modelu Wielkiego Wybuchu jednej ze starszych już teorii powstania Wszechświata? Wyniki współczesnych badań wskazują, że rozkład materii w obserwowalnej części Kosmosu nie jest równomierny, gdyż galaktyki i gromady galaktyk nie wypełniają Wszechświata w sposób jednorodny. Przysparza to astronomom i kosmologom poważnego „bólu głowy”. Zastanówmy się nad zjawiskiem, na które, już w 1789 roku, zwrócił uwagę lekarz z Bremy Wilhelm Olbers. Otóż zauważył on, że jeśli nieskończony Wszechświat byłby równomiernie wypełniony gwiazdami, to tło nocnego nieba nie powinno być czarne, lecz powinno świecić jak powierzchnia przeciętnej gwiazdy. Obserwacja potwierdza jednak, że tło nocnego nieba nie jest jasne. Rozumowanie przeprowadzone przez Olbersa prowadzi więc do oczywistego paradoksu. Nasuwa się pytanie, gdzie tkwi błąd? Przemyślenia nad tym zastanawiającym fenomenem doprowadziły do powstania szeregu przypuszczeń. Być może istnieją we Wszechświecie olbrzymie, puste przestrzenie, które sprawiają, że nasze spojrzenie w głębię Kosmosu trafia w pustkę. Może pył, wypełniający przestrzenie międzygalaktyczne, przynajmniej w części absorbuje promieniowanie odległych gwiazd twierdzą inni. Wszechświat rozszerza się i docierające do nas promieniowanie zostaje poddane tzw. kosmologicznemu poczerwienieniu, a dodatkowo horyzont obserwacji nie jest nieskończnie oddalony, lecz odległy o kilkanaście miliardów lat świetlnych to kolejne hipotezy. Znaczącą rolę w wyjaśnieniu tego zjawiska spełniają puste przestrzenie wokół świecących ciał niebieskich, takich jak gwiazdy, galaktyki czy gromady galaktyk.

Ta pustka pomiędzy skupiskami materii nie jest przypadkowa. Rozkład materii w Kosmosie przypomina bowiem plaster miodu, w którym ścianki są wykonane nie z wosku, lecz z galaktyk, a wnętrza komórek nie zawierają miodu, lecz są kosmiczną pustką. Odkrycie ogromnych, pustych przestrzeni w Kosmosie było ważnym wydarzeniem i to zapewne istotniejszym od odkrycia dokonanego przez dwóch amerykańskich astronomów Gellera i Huchra z Centrum Astrofizycznego w Cambridge (Massachusetts). Stwierdzili oni, że we Wszechświecie istnieją jakby olbrzymie ściany składające się z galaktyk i ich gromad, czyli gigantyczne skupiska materii. Np. tzw. wielki mur jest Utworzony z galaktyk, które zajmują powierzchnie o wymiarach: długość około 1500 milionów lat świetlnych, szerokość około 600 milionów lat świetlnych. Ściana ta jest ułożona ukośne w stosunku do kierunku naszego patrzenia i oddala się od nas z prędkością 7500-10 000 km/s. Prędkość oddalania pozwala ocenić odległość około 400 milionów lat świetlnych. Zdumiewającą dla struktury „wielkiego muru” jest jego niewielka grubość zaledwie 50 milionów lat świetlnych. Ta olbrzymia koncentracja materii, w której galaktyki można traktować jak punkty materialne, nie jest zjawiskiem jednorazowym we Wszechświecie. Astronomowie znają już dziś wiele takich gigantycznych zgęszczeń świecących mas. W 1988 brytyjski astronom Donald Lynden-Bell wraz ze swym współpracownikiem stwierdził istnienie „dużego kosmicznego atraktora”. Co to oznacza? Wszystkie galaktyki znajdujące się w ograniczonym obszarze o rozmiarach około 320 milionów lat świetlnych, poruszają się w kierunku lokalnego centrum z prędkością około 500 km/s.

To centrum, czyli atraktor, znajduje się w odległości około 280 milionów lat świetlnych w kierunku gwiazdozbiorów Hydry i Centaura. W kierunku atraktora pędzi również nasza Droga Mleczna wraz z 30 innymi galaktykami wchodzącymi w skład lokalnej grupy galaktyk. Ogólne dążenie galaktyk do tego centrum może być wytłumaczone zjawiskiem grawitacji, gdyż w atraktorze skoncentrowana jest prawdopodobnie masa rzędu 50 x 1018 (pięćset biliardów) mas słonecznych. Tej gigantycznej „góry mas” nie możemy jednak zobaczyć przypuszczalnie dlatego, że materia pyłowa Drogi Mlecznej zasłania nam jej obraz. Atraktor może więc być gromadą galaktyk, lecz niewyobrażalnie większą do dotychczas znanych składałby się z około 5 milionów galaktyk. Pomiędzy takimi skoncentrowanymi masami znajdują się gigantyczne puste przestrzenie, lecz o wielkościach nieprzypadkowych. Wydają się one przyjmować zdecydowanie hierarchiczny porządek. Zauważmy, że gęstość materii stale się zmniejsza wraz ze wzrostem struktury. Rozpatrzmy kilka przykładów: układ Ziemia-Księżyc, Układ Słoneczny, galaktyka i gromada galaktyk. Przez gęstość materii rozumiemy oczywiście średni rozkład materii w przestrzeni zajmowanej przez daną strukturę, a nie rozkład na sferze. Dla układu Ziemia-Księżyc średnia gęstość wynosi 0,23 ‘ 10’3 zaś dla największych struktur Wszechświata: 10’31 g/cm3. Do każdej struktury przynależna jest określona pusta przestrzeń, „wyciśnięta” w hierarchicznej strukturze gęstości materii. Największe znane dziś puste przestrzenie to tzw. in te r c lu s te r voids próżnie o rozmiarach 1500 milionów lat świetlnych, w których średnia gęstość materii jest mniejsza o czynnik 10 od gęstości na obrzeżach pustego pęcherzyka.

Ścianki tego pęcherzyka są zbudowane z galaktyk i ich gromad, a całość przypomina wielooczkową siatkę powierzchniową. Obrazowo można przyjąć, że rozkład materii w Kosmosie podobny jest do pianki powstałej w mydlin przy tej samej ilości materii, w wyniku działania napięcia powierzchniowego wyłaniają się bąble i pęcherzyki. W jaki jednak sposób, w ocenianej dziś na niespełna 20 miliardów lat liczącej historii Wszechświata, mogły powstać tak gigantyczne puste przestrzenie, jeśli przyjmie się, że nie było ich na początku świata? Do tego wątku powrócimy za chwilę. Grawitacja jest siłą dominującą we Wszechświecie. Steruje ona ruchami planet, a także ruchami większych struktur takich jak „ściany” w kosmicznej pianie. Kolejnym, ciekawym fenomenem Wszechświata jest ogólne rozszerzanie się go. Począwszy od chwili Wielkiego Wybuchu, a więc od około 18 miliardów lat, odległe galaktyki oddalają się od siebie. Oddziaływania grawitacyjne między galaktykami, zwłaszcza w okolicach ich zgrupowań, wprowadzają zakłócenia w tym równomiernym ruchu ekspansyjnym. Takie właśnie ruchy obserwuje się w okolicach największych zagęszczeń materii we Wszechświecie, a kierunek tych ruchów jest skierowany ku centrom zagęszczeń. Nietrudno odnaleźć w Kosmosie pojedyncze obiekty poruszające się z prędkością około 500 km/s. Na przykład galaktyka Lyndena-Belschena podąża w kierunku dużego kosmicznego atraktora z taką właśnie prędkością. Z podobną prędkością porusza się również Układ Słoneczny. Prędkość tę zmierzono w odniesieniu do kosmicznego promieniowania tła, które jest określone jako „echo Wielkiego Wybuchu” (promieniowanie tia można traktować jako nieruchomy, kosmiczny układ odniesienia). Jeśli ten skoordynowany ruch miałby być przyczyną powstawania kosmicznych „pustych pęcherzyków” o wielkości ok. 1,5 miliarda lat świetlnych, to musiałoby minąć 1000 miliardów lat, aby takie pustki mogły powstać (do takich wyników prowadzą rozważania teoretyczne).

Według tej teorii niemożliwe jest więc, by w jednorodnej początkowo materii mogły powstać tak olbrzymie puste przestrzenie, skoro wiek Wszechświata oceniany jest co najwyżej na 20 miliardów lat. A może pustka już istniała w jakiejś innej postaci? Co więc jest przyczyną, że niektóre obszary Wszechświata są aż tak puste? Z jednym faktem należy się jednak pogodzić materia nie jest rozłożona równomiernie w przestrzeni. Ze względu na istnienie atraktorów, ekspansja Wszechświata nie jest również izotropowa, tzn. nie jest taka sama we wszystkich kierunkach, jak to dotychczas sugerowano. Tym samym powstaje pytanie, czy Wszechświat w ogóle może być opisany za pomocą modeli kosmologicznych zakładających, że najpierw był Wielki Wybuch, jednorodny rozkład materii i izotopowo odbywająca się ekspansja? „Wielki Mur” odkrycie astronomów z Cambridge często nazywany jest żartobliwie „dobiciem teorii Wielkiego Wybuchu”. Nie wiadomo również, czy nadal możemy uważać za słuszną podstawową zasadę kosmologiczną, która głosi, że Wszechświat oglądany z dowolnego miejsca wygląda tak samo, lub mówiąc inaczej w celu określenia wartości kosmologicznych nie jest istotne miejsce ani kierunek we Wszechświecie? „Niezależna od miejsca” kosmologia wydaje się być równoznaczna z twierdzeniem, że rozkład materii we Wszechświecie jest równomierny, a ekspansja przestrzeni odbywa się od czasu Wielkiego Wybuchu w sposób izotropowy. „Wielki Mur” jest jednak potężnym uderzeniem w tę jak się wydaje nie mającą już większych perspektyw kosmologię. Od dawna znane są bowiem dowody, że przynajmniej świecąca materia nie jest równomiernie rozłożona w przestrzeni. Jeszcze więcej do myślenia dają obserwacje gromad galaktyk, ich rozmiarów i znajdujących się między nimi ciemnych, pustych przestrzeni. Trudno już dziś mówić, że Wszechświat przedstawia spójny, jednolity obraz chociażby ze względu na ogromną skalę przestrzeni, jaką obejmuje. Najprościej można to przedstawić na wykresie.

Zestawiono na nim odległości galaktyk w funkcją ich liczebności. Nietrudno zauważyć wyraźne zgrupowanie galaktyk w odległości między 320 a 450 min lat świetlnych, co na wykresie odpowiada prędkościom od 7500 do 10 000 km/s. Czy jednak wykres ten jest wystarczającym argumentem przemawiającym za istnieniem olbrzymiej gromady galaktyk lub innej superstruktury? Jako miara odległości służy astronomom przesunięcie linii spektralnych w widmach galaktyk, w odniesieniu do linii laboratoryjnych. Efekt ten wywołany jest zjawiskim Dopplera i związany jest z oddalaniem się (lub zbliżaniem) galaktyki. Jeśli obiekt zbliża się do obserwatora, to linie spektralne ulegają przesunięciu w kierunkach fal krótszych, a jeśli oddala się to w kierunku fal dłuższych, co w żargonie astronomicznym nazywane jest poczerwienieniem lub przesunięciem ku czerwieni. Wartość przesunięcia linii określa prędkość radialną względem obserwatora, a prędkość ta z kolei pozwala ocenić, na podstawie prawa Hubble’a, odległość do obiektu. Amerykański astronom Edmund Hubble, w swej słynnej pracy z 1929 roku podał, że prędkość oddalania się galaktyki (v) oraz jej odległość od nas (R), związane są prostą, liniową zależnością: v H R przy czym H jest tzw. stałą Hubble’a. W swych pracach Hubble używał wartości H sięgającej 530 kilometrów na sekundę na megaparsek (Mps). Dzisiaj, w zależności od „szkoły astronomicznej” przyjmuje się wartość H z przedziału od 50 do 100 km/ /sMps (1 Mps 3,26 milionów lat świetlnych). Różnica wynika stąd, iż Hubble analizował tylko mgławice i galaktyki o niewielkich przesunięciach ku czerwieni, zaś rozrzut w uzyskiwanych wynikach miał bardzo duży. Astronomowie uważają, że przesunięcie ku czerwieni jest bezpiecznym wskaźnikiem oceny odległości galaktyk i traktują je jako dowód ogólnej ich ucieczki, co dowodzono na obiektach oddalających się od nas z prędkością nie przekraczającą 75% prędkości światła. Dziś astronomowie pracują nad tym, by dokładniej poznać superstruktury materii oraz znajdujące się między nimi puste przestrzenie a tym samym problemy powstania i ewolucji Wszechświata wyjaśnić za pomocą modeli. Nie dąży się już do manipulacji teoriami czy też dokonywania prób najróżniejszych kompilacji, lecz całość pragnie się poddać gruntownej weryfikacji. Istotną rolę spełnia przy tym formuła, iż nie galaktyki poruszają się w przestrzeni, lecz przestrzeń wraz z galaktykami rozszerza się. Ale w takiej przestrzeni obowiązują inne prawa rozchodzenia się światła. Czy w takim przypadku prawo Hubble’a jest nadal prawdziwe? A jeśli nie, to czy takie masy materii jak „Wielki Mur” mogą być tylko złudzeniem? Cennych danych na te tematy powinien dostarczyć teleskop optyczny, niedawno wyniesiony na orbitę. Astronomowie zaś mają nadzieję, że analiza przesłanych przez niego wyników doprowadzi do znalezienia rozwiązania tego ciekawego problemu.