Czy Ziemia znajduje się w jakimś szczególnym miejscu Wszechświata?

Pytanie

Pyta Krzysiek

Czy w każdym kierunku od Ziemi obserwujemy Wszechświat na odległość około 13,8 mld lat świetlnych? Czy to oznacza, że Ziemia nie znajduje się się w żadnym szczególnym miejscu Wszechświata?

Odpowiedź

Odpowiada Adam Markiewicz

Z obserwacji astronomicznych wiemy, że nasz Wszechświat w wielkich skalach jest niezwykle jednorodny i wszędzie wygląda mniej więcej tak samo. Można porównać to do zaśnieżonego krajobrazu. Jeśli będziemy oglądać poszczególne płatki śniegu, to każdy będzie nieco inny. Patrząc po najbliższej okolicy, możemy wskazać poszczególne zaspy, różniące się kształtem i rozmiarem. Jeśli jednak popatrzymy na większy obszar, to zobaczymy po prostu białą przestrzeń. Właśnie takie zjawisko mamy na myśli, gdy mówimy o wielkoskalowej jednorodności.

W tym właśnie sensie Ziemia jest w przeciętnym miejscu. Choć nasza planeta znajduje się w szczególnej, sprzyjającej życiu, części Układu Słonecznego, a samo Słońce leży na spokojnych obrzeżach Drogi Mlecznej, to nasza galaktyka jest już tylko jedną z ponad 100 miliardów rozsianych po obserwowalnej części Wszechświata, a jej położenie niczym się nie wyróżnia.

Z jednorodności Wszechświata wynika, że w każdym kierunku jesteśmy w stanie spojrzeć na tę samą odległość. Dlatego obserwowalna część powinna mieć kształt kuli, z Ziemią położoną w jej centrum. Jak duża jest ta kula? Tu sprawa robi się nieco bardziej skomplikowana.

Z obserwacji wykonanych przez satelitę PLANCK wiemy, że nasz Wszechświat ma 13,8 mld lat. Warto tu zauważyć, że wartość ta nie została zmierzona bezpośrednio, lecz obliczona na podstawie modelu Lambda-CDM, w którym Wszechświat jest wypełniony głównie ciemną materią oraz ciemną energią. W innych modelach Wszechświat może być dużo starszy lub nawet istnieć wiecznie, bez żadnego początku. Na potrzeby naszej dyskusji pozostańmy jednak przy tej wartości.

Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że wiek 13,8 mld lat oznacza, że najdalsze obiekty, które możemy obserwować, mogą być oddalone o 13,8 mld lat świetlnych od Ziemi. Tak rzeczywiście by było, gdyby nasz Wszechświat się nie rozszerzał.

Promień swiatła zmierzający ku Ziemi z odległej galaktyki

Na powyższym rysunku możemy zobaczyć promień światła zmierzający do nas z odległej galaktyki, która oddala się na skutek ekspansji Wszechświata. Początkowo postęp jest niewielki, ponieważ światło, choć porusza się z prędkością 300 km/s, musi nadążyć za „rozdymającą się” przestrzenią, która nas dzieli. Już na piątym obrazie światło jest mniej więcej w połowie drogi, jednak zawdzięcza to głównie temu, że sama galaktyka znacząco się oddaliła. Im bliżej nas jest światło, tym łatwiej mu pokonać brakujący odcinek, ponieważ efekty rozszerzania się Wszechświata są proporcjonalne do dzielącej nas odległości. Trzeba też zauważyć, że choć światło emitowane w tym przykładzie jest niebieskie, to jego kolor zostanie przesunięty w stronę czerwieni. Długość fali świetlnej rośnie wraz z postępującą ekspansją Wszechświata, co skutkuje zmianą barwy.

Widzimy, że możemy obserwować bardzo dalekie obiekty, ponieważ w chwili emisji światła znajdowały się one znacznie bliżej. Jak wielki jest w takim razie obserwowalny Wszechświat? Gdybyśmy byli z stanie obserwować wszystko aż do „chwili zero”, byłby on nieskończony. Nie bylibyśmy w stanie jednak dostrzec samego momentu Wielkiego Wybuchu. Patrząc coraz dalej, widzielibyśmy coraz starsze obiekty. Równocześnie docierające do nas światło byłoby coraz słabsze i coraz bardziej przesunięte w stronę fal radiowych. W (niewidocznej) nieskończoności leżałby początek Wszechświata.

W rzeczywistości istnieje dodatkowa granica, której obserwacje fal elektromagnetycznych, takich jak światło, mikrofale, czy fale radiowe, nie są w stanie przekroczyć. Przez pierwsze 380 000 lat Wszechświat był wypełniony gorącą „zupą” naładowanych cząstek, przez którą światło nie mogło się przedrzeć. Dopiero po tym czasie elektrony połączyły się z jądrami, tworząc elektrycznie obojętne atomy. Wszechświat stał się przezroczysty, a światło mogło wreszcie wyruszyć w swoją drogę. To najstarsze światło nazywamy mikrofalowym promieniowaniem tła. Jest to obraz najwcześniejszej chwili, jaką jesteśmy w stanie podejrzeć, i odpowiada odległości około 46 mld lat świetlnych.

Podsumowując, obserwowalny Wszechświat jest kulą o średnicy około 92 mld lat świetlnych. Najdalszy obiekt, jaki udało nam się dotychczas zaobserwować, to odległa od nas o 32 mld lat świetlnych galaktyka GN-z11. Warto dodać, że zaobserwowane niedawno po raz pierwszy fale grawitacyjne nie są ograniczone przez przezroczystość Wszechświata. Możliwe, że w przyszłości teleskopy fal grawitacyjnych pozwolą nam zajrzeć wcześniej i dalej, tym samym powiększając obszar, który uznajemy za obserwowalny.