Strona głównaPytania → O rozszerzaniu Wszechświata

O rozszerzaniu Wszechświata

Pytanie

Pyta Ryszard

Obserwując Wszechświat wyciągany jest wniosek o jego rozszerzaniu. Skąd jednak pewność, że np. przesunięcie ku czerwieni świadczy o ruchu, a nie np. o „zmęczeniu” światła (wytracaniu np. energii w efekcie innych zjawisk fizycznych, być może czarnej materii)? Po drugie, obserwowane odległe obiekty są przecież przesunięte w czasie — ze względu na skończoną prędkość światła obserwujemy obrazy historyczne, a więc przeszłość. Skoro wyciągamy wniosek o rozszerzaniu się Wszechświata, to czy przypadkiem nie obserwujemy tego rozszerzania będącego efektem Wielkiego Wybuchu, a nie stan obecny? I czy nie może on być obecnie całkowicie różny od tego co obserwujemy jako obraz z dalekiej przeszłości? Po trzecie, na ile jest ciągle aktualne założenie o izomorficzności Wszechświata przyjmowane w obserwacjach astronomicznych, jeśli z drugiej strony przyjmuje się np. koncentrację ciemnej materii i energii w określonych obszarach wokół centrów galaktyk itp., co ma tłumaczyć trudności w jej wykryciu na Ziemi, mimo zdecydowanej dominanty w masie Kosmosu? Ponadto jak to się ma do znalezionych podobno wyraźnych obszarów „wielkiej pustki” w określonych kierunkach?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

1. Wytracanie energii światła w trakcie jego propagacji możliwe jest albo na skutek rozszerzania się Wszechświata, albo na skutek zderzeń z cząstkami materii. Innych możliwości nie znamy. Procesy zderzeń są dobrze zbadane, i wiemy, że wywoływałyby one losowe zmiany kierunku rozchodzenia się fotonów. Takie losowe zmiany kierunku (rozpraszanie) występuje w pochmurny dzień — światło słoneczne dochodzi do nas, ale Słońca nie widać. Skoro odległe galaktyki (emitujące światło przesunięte ku czerwieni) widzimy w konkretnych miejscach na niebie, i prążki widmowe są ostre, to nie da się wyjaśnić wytracania energii na podstawie procesów rozpraszania.

2. Proces rozumowania był historycznie inny. Dokładnie 100 lat temu Einstein opublikował równania Ogólnej Teorii Względności (OTW), które po raz pierwszy w sposób matematycznie spójny opisywały zjawiska grawitacyjne i propagację fal elektromagnetycznych. Kilka lat później stwierdzono, że z równań tych wynika niestabilność Wszechświata statycznego. Musi się on rozszerzać lub kurczyć. Skoro tak jest, to powinniśmy obserwować przesunięcia ku czerwieni lub fioletowi proporcjonalne do odległości obserwowanego obiektu od nas. Niedługo potem zostało odkryte takie właśnie przesunięcie ku czerwieni światła odległych galaktyk. Tak więc nie wyciągnęliśmy wniosku o rozszerzaniu z przesunięcia ku czerwieni. To raczej obserwacja tego przesunięcia uchroniła nas przed koniecznością modyfikacji bardzo pięknej i prostej teorii. Obserwując dalekie obiekty istotnie widzimy ich obraz z dalekiej przeszłości. Bierzemy to pod uwagę porównując obserwacje z obliczeniami teoretycznymi w ramach OTW. Równania OTW mówią nam jak tempo rozszerzania zależy od warunków początkowych i gęstości materii/energii. Tak więc mamy teorię, która pozwala nam stwierdzić jaki jest stan obecny Wszechświata na podstawie informacji o stanie różnych jego rejonów w mniej lub bardziej odległej przeszłości. Samo rozszerzanie (przeszłe i obecne) można rozumieć jako konsekwencję Wielkiego Wybuchu, gdyż ewolucja układu fizycznego zależy od warunków początkowych.

3. Przez setki tysięcy lat po Wielkim Wybuchu rozszerzanie było szybkie, a wypełnienie Wszechświata materią — izomorficzne, przynajmniej wewnątrz naszego horyzontu zdarzeń. Świadczy o tym praktycznie dokładna (z fluktuacjami rzędu jednej stutysięcznej) izotropowość reliktowego promieniowania tła. Po odprzęgnięciu się promieniowania grawitacja powodowała narastanie niejednorodności. Jesteśmy w stanie symulować to numerycznie i porównywać z obserwacjami. Symulacje wskazują, że niejednorodności podobne do obserwowanych (z obszarami dużych koncentracji i „wielkich pustek”) mogą się pojawiać jako fluktuacje we Wszechświecie, który w pierwszym przybliżeniu rozszerza się w sposób izotropowy i jednorodny. Taki model Wszechświata jest więc najprostszym, który jest zgodny z obserwacjami. Co więcej, formowanie się niejednorodności w początkowo jednorodnym rozkładzie gęstości ciemnej materii przyspiesza powstawanie galaktyk, które w przeciwnym wypadku formowałyby się zbyt wolno. Daje nam to dodatkowe argumenty przemawiające za istnieniem ciemnej materii. Natomiast w przypadku ciemnej energii możemy bez sprzeczności z obserwacjami założyć jej pełną jednorodność i izotropowość (co jest też łatwiejsze do zrozumienia od strony teoretycznej). Jeśli chodzi o rozkład ciemnej materii wewnątrz naszej galaktyki, to dostępne symulacje nie są na tyle dokładne aby móc odpowiedzieć na pytanie o prawdopodobieństwo występowania dużych fluktuacji w obrębie pojedynczej galaktyki. Twierdzenia o astronomicznych dowodach na małą gęstość ciemnej materii w okolicach Słońca są kontestowane, a trudności w bezpośredniej detekcji mogą mieć zupełnie inną przyczynę, np. słabość oddziaływania ciemnej materii z nukleonami i elektronami.