Ciemna strona świata (cz.III)

Trzecia i ostatnia część eseju kosmologicznego o zagadce rozszerzania się wszechświata, która nie daje spokoju nauce. Czy kiedykolwiek zdołamy ją wyjaśnić?

Oprócz poszukiwania gwiazd supernovae, które skierują teleskop na dziesięć połaci nocnego nieba, gdzie dr Frieman i jego koledzy mają nadzieję dostrzec kolejne ich wybuchy, projekt DES będzie śledził w sumie prawie ósmą część całego obszaru nieba w poszukiwaniu innych wskazówek i śladów. W projekcie znajdą więc zastosowanie trzy dalsze metody, w których ogromny wsad wyrafinowanego software’u przerobi pozornie chaotyczne góry jakby przypadkowych danych pochodzących z obserwacji i zrobi to w celu wykrycia w nich niewielkich anomalii statystycznych.

Pierwsza z tych metod polega na szukaniu skutków fal dźwiękowych, jakie powstały podczas Wielkiego Prawybuchu, czyli tzw. oscylacji barionowo-akustycznych (baryon-acoustic oscillation, BAO) . Zaraz po Prawybuchu, w pierwotnej zupie cząsteczek, zwanej płynem barionowo-fotonowym  istniały fale gęstości podobne do fal dźwiękowych w powietrzu, tyle że o wiele bardziej rozległe i zamaszyste. Kiedy jednak ówże płyn ostygł należycie, bariony (a tak nazywamy cząsteczki, z których zbudowane są jądra atomów materii właściwej, tzn. te 4% stwierdzonej substancji Wszechświata) i fotony rozdzieliły się zupełnie i rozstały się na zawsze. Fotony stały się ostatecznie tym, co obecnie nazywamy mikrofalowym promieniowaniem tła kosmicznego (cosmic microwave background radiation, CMBR). To właśnie fakt, że od samego początku, czyli od Wielkiego Prawybuchu, fotony nie miały z materią właściwie nic wspólnego, sprawia że CMBR jest oknem dającym znakomity wgląd w naturę wczesnego Kosmosu.

Skoro jednak fotony nie chcą się już dłużej bawić z cząsteczkami materii, nie ma już płynu barionowo-fotonowego. Bariony przestały w nim płynąć i utkwiły w miejscu. Tam gdzie oscylacje BAO w pierwotnym płynie pozbijały bariony ciasno w grudy, potworzyły się skupiska materii, a tam gdzie bariony zostały rozrzedzone występują skąpo. W ten sposób rejony Wszechświata o wyższym zagęszczeniu stały się nasionami galaktyk, a średnie oddzielenie tych galaktyk zdradza długość fal BAO, czyli oscylacji w pierwotnym płynie. Ta bardzo charakterystyczna skala została rozciągnięta do około 450 mln lat świetlnych. Bardziej precyzyjne pomiary jej długości dla starszych, czyli wcześniejszych kosmologicznie okresów jest jeszcze jedną metodą wykazania z jaką szybkością następuje rozszerzanie się świata. Nazwijmy ją umownie metodą BAO.

Dwie ostatnie techniki w projekcie DES mierzą nie tyle tempo rozszerzania się wszechświata, tak jak to robią badania supernovae i metoda BAO, ile raczej rozrost struktur w kosmosie, takich jak grupy galaktyk, czyli mierzą ekspansję w mniejszej, jakby pochodnej skali. Śledzenie rozmiarów i kształtów takich skupisk w czasie daje nam pojęcie o tym, jak przebiega wielka i bezustanna wojna pomiędzy siłami grawitacji, które je pchają na siebie, a siłą ciemnej energii, która je ciągnie na zewnątrz. Być może to pozwoli odpowiedzieć na pytanie czy motorem ekspansji świata jest sama tylko ciemna energia, czy też także zmodyfikowana grawitacja. W tym pierwszym przypadku fizycy oczekują korelacji pomiędzy wynikami ze wszystkich czterech technik. W tym drugim przypadku dwie ostatnie nie pokryją się z dwiema pierwszymi.  

Pierwszym z tych dwóch ostatnich sposobów badania struktur kosmicznych jest zliczanie liczby skupisk określonej masy w danej przestrzeni przy różnych redshiftach. Jest to o wiele trudniejsze niż się wydaje ponieważ 85% masy to niewidzialna ciemna materia, czyli nijak nie widać tego, co trzeba policzyć. Można ją tylko mierzyć pośrednio, np. obserwując jak zachowują się gorące chmury gazu, gdy są przyciągane ku ośrodkowi ciemnej materii przez jej grawitację.

Można też sięgnąć po drugi sposób, czyli spróbować ocenić masę materii, zarówno tej ciemnej jak i tej „właściwej” (widzialnej i bezpośredniej) obserwując jej wpływ na zachowanie się światła. Z teorii względności wiemy, że droga światła ulega ugięciu przez mijane obiekty o wielkiej masie. Im cięższy jest taki mijany przez światło obiekt, tym bardziej rozmazany jest obraz obiektu, który jest położony za nim. W ogromnej większości wypadków jest to zniekształcenie bardzo małe. Obrazy galaktyk są przeciętnie rozciągnięte o 2% przez gęste skupiska materii, obok których lub przez które przechodzi światło z takich galaktyk zanim dotrze do teleskopów na Ziemi. Żeby jednak było jeszcze trudniej, rzadko która galaktyka ma kształt idealnie okrągły, co uniemożliwia kategoryczne stwierdzenie, że dane rozciągniecie światła to tylko wynik oglądania tej właśnie, a nie innej galaktyki. Na szczęście jednak światło ze wszystkich galaktyk z danego rejonu kosmosu w drodze na Ziemię przechodzi obok tych samych lub przez te same skupiska materii. Wszystkie zatem obrazy galaktyk oglądane z Ziemi winny być ugięte lub zwichnięte w tym samym kierunku. Jeśli obserwacji podda się odpowiednią ich liczbę, a w przypadku projektu DES ma to być 300 milionów galaktyk (!), następnie zaś dane z obserwacji podda odpowiedniej obróbce informatycznej, to powstanie model statystyczny, który pozwoli astronomom w miarę precyzyjnie umiejscowić na niebie także niewidzialne struktury ciemnej materii, odpowiedzialne za poszczególne ugięcia światła.

Jeśli następnie połączy się wyniki obserwacji i badań ze wszystkich czterech metod przewidzianych w DES, pojawi się nadzieja na jaśniejszy obraz przyczyn kosmicznego przyspieszenia. W wersji najbardziej optymalnej  prof. Ofer Lahav, Izraelczyk, który kieruje wydziałem astronomii na londyńskim University College i odpowiada za program naukowy w projekcie DES, liczy na to że ‘w’ okaże się być stałą kosmologiczną o upragnionej wartości -1. Za chwilę dowiemy się, dlaczego ta tęsknota jest trochę naiwna.     

Oprócz projektu DES, pokrótce w tym eseju omówionego, są także inne, nawet jeszcze bardziej ambitne projekty zmierzające do wyjaśnienia zagadki ciemnej strony wszechświata. Skupią się one głównie na bardziej precyzyjnych pomiarach wartości ‘w’. Najbliższym w realizacji wydaje się jeszcze większy teleskop naziemny wraz z jego urządzeniami peryferyjnymi, który zostanie zamontowany tylko 10 km od Cerro Tololo, na wzgórzu Cerro Pachón, też na pustyni Atacama w Chile. W zeszłym roku położono tam kamień węgielny pod odpowiedni budynek. Znajdzie się w nim teleskop o nazwie Large Synoptic Survey Telescope (LSST) wyposażony w gigantyczną kamerę o mocy 3,2 gigapikseli. Projekt czeka jeszcze na klepnięcie budżetu w wysokości 620 mln $ przez amerykańską National Science Foundation i Departament Energii USA, ale uczeni mają nadzieję, że ich nowa zabawka będzie gotowa do użytku już w roku 2021. 

Planowane są także dwa inne wielkie teleskopy, każdy przynajmniej za 1 miliard dolarów, które zostaną umieszczone na specjalnych satelitach wyniesionych na orbitę (o ich zaletach w porównaniu z teleskopami naziemnymi napiszę innym razem). Pierwszy z nich, o nazwie Euklides, buduje Europejska Agencja Kosmiczna i planuje jego wystrzelenie w roku 2019. Trzy lata później NASA planuje wystrzelenie satelity z teleskopem o nazwie WFIRST, którego nazwa sugeruje, że ma być liderem badania ‘w’.

Te trzy dalsze projekty nie są wyłącznie skupione na badaniu natury ciemnej energii. Np. projekt LSST będzie także zbierał dane o planetoidach, asteroidach itp. luźnych a relatywnie niewielkich obiektach materialnych wałęsających się w przestrzeni kosmicznej, rejestrując je według masy, co pozwoli rozpoznać te, które mogą zagrażać Ziemi. Niemniej, właściwie wszystkie większe przedsięwzięcia astronomiczne obecnej doby w jakimś przynajmniej stopniu badają także wielką zagadkę rozszerzania się wszechświata, która nie daje spać nauce.

Szkopuł w tym, że zagadka ta ma szanse pozostać zagadką na zawsze. Nigdy nie da się określić wartości ‘w’ z absolutną dokładnością. To by wymagało nieskończonej precyzji, a więc rzeczy nie do osiągnięcia nawet w nieskończenie rozszerzającym się wszechświecie. A prawda jest niestety taka, że cała idea stałej kosmologicznej bierze w łeb jeśli ‘w’ jest różne od sakramentalnego „minus jeden” choćby o niewyobrażalnie mały ułamek. Chyba więc gonimy króliczka, którego nigdy nie uda się złapać. „To pytanie zadane jeszcze w wieku XX, jest raczej problemem nauki na wiek XXII, a my żyjemy w XXI” powiada dr Turner z Chicago. Nawet jednak i wiek XXII jest pod znakiem zapytania, choć na pewno zagadnienie jest zbyt duże aby poradziło sobie z nim jedno lub dwa pokolenia fizyków i astronomów. Wielu uczonych zaczyna nawet wątpić w to, czy cały ten wysiłek ma w ogóle sens i czy nie lepiej byłoby poświęcić ten sam czas i wysiłki oraz przeznaczyć tak ogromne środki na coś bardziej konkretnego i bezpośrednio pożytecznego dla ludzkości. Tylko co zrobić z niepohamowaną (i błogosławioną) ludzką ciekawością, która nie potrafi zaniechać szukania odpowiedzi skoro już sobie raz zadała tak ważne pytanie?

Bogusław Jeznach

Dodatek muzy

Zapraszam na njuejdżowy utwór pt. "Straight to the Heart". Wykonawca: Sina Vodjani.