Prawdę mówiąc tych drobnych fluktuacji spodziewano się, gdyż ich istnienie wynikało z przewidywań teoretycznych. Patrząc w kosmos widzimy bowiem, że rozkład materii w przestrzeni nie jest idealnie jednorodny. Materia grupuje się w gwiazdy, gwiazdy w galaktyki te zaś w gromady galaktyk. Musiały więc od samego początku istnieć w przestrzeni fluktuacje gęstości materii i energii (już w pierwszych ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu) i te pierwotne fluktuacje gęstości stały się potem grawitacyjnymi zarodkami przyszłych galaktyk i ich gromad. Jeśli jednak już w pierwszych chwilach istniały miejsca troszkę gęstsze i troszkę rzadsze to w nich temperatura też musiała być odpowiednio troszkę wyższa lub troszkę niższa od średniej. Ślad po tych pierwotnych fluktuacjach gęstości oraz temperatury powinien pozostać w promieniowaniu reliktowym. I to właśnie po raz pierwszy zaobserwował satelita COBE. Było to naprawdę wielkie odkrycie potwierdzające scenariusz Wielkiego Wybuchu.

Pewnym mankamentem satelity COBE była stosunkowo niewielka zdolność rozdzielcza obrazu fluktuacji. Widoczne na rysunku 1. plamki fluktuacyjne są duże i rozmazane. Chodziło o bardziej ostry (drobnoziarnisty) obraz tych fluktuacji temperaturowych. Pierwszym krokiem w tym kierunku był eksperyment o nazwie BOOMERANG. Była to udoskonalona aparatura do pomiaru fluktuacji temperaturowych wyniesiona na balonie stratosferycznym w grudniu 1998 roku. Ponieważ nie była to obserwacja satelitarna, nie było więc możliwości obserwacji całej sfery niebieskiej lecz tylko jej fragmentu. Ale już ten fragment nieba obserwowany z dużą ostrością (rozdzielczością kątową) pozwolił zobaczyć drobnoziarnistą strukturę fluktuacji temperaturowych promieniowania reliktowego. To zaś pozwoliło na wyprowadzenie odpowiedzi na kolejne ważne w kosmologii pytanie — jaka jest globalna geometria Wszechświata i jaka będzie jego dalsza ewolucja. Okazuje się, że formalizm matematyczny oraz obecna wiedza fizyczna pozwalają nam przewidzieć jak duże plamki fluktuacyjne powinny dominować na otrzymanej mapce temperaturowej gdyby geometria Wszechświata była: typu sferycznego, euklidesowego lub hiperbolicznego. Ilustruje to rysunek 2. W górnej jego części mamy obraz fluktuacji otrzymany z pomiarów BOOMERANG-a a poniżej trzy symulacje komputerowe odpowiadające trzem klasom modeli kosmologicznych.

Rys.2. Ilustracja wpływu geometrii przestrzeni wszechświata na obserwowane rozmiary kątowe fluktuacji promieniowania reliktowego (symulacja komputerowa i jej porównanie z obserwacjami eksperymentu BOOMERANG.

Nawet na pierwszy rzut oka widać, że model z geometrią euklidesową najlepiej pasuje do danych obserwacyjnych. A więc nasz Wszechświat jest globalnie euklidesowy (pomimo lokalnych zakrzywień przestrzeni wokół dużych mas) i zgodnie z modelami Friedmanna będzie ekspandował nieodwracalnie coraz bardziej rzednąc i stygnąc.

Ostatnim krokiem na tej drodze badań jest misja satelitarna W_MAP. Satelita ten, podobnie jak COBE, wykonał mapę temperatury promieniowania reliktowego całej sfery niebieskiej z dokładnością pomiaru 10^-5 K i z ostrością nawet nieco lepszą niż misja BOOMERANG (rys. 3.). Jego wyniki opublikowano w lutym 2003 roku. Potwierdziły one w całej rozciągłości tezę o euklidesowości przestrzeni Wszechświata.

Rys. 3. Mapa fluktuacji temperaturowych promieniowania reliktowego wykonana przez satelitę W_MAP (miejsca granatowe są chłodniejsze, pomarańczowe najcieplejsze).

Przypomnijmy sobie raz jeszcze wspominany na początku artykułu fakt. Trzy klasy modeli Friedmanna zależały od parametrów takich jak: średnia gęstość materii we Wszechświecie oraz tempa ekspansji zawartego w stałej Hubble’a. Obecnie obydwa te parametry znamy już z dużo większą dokładnością niż kilkadziesiąt lat temu. I tu pojawił się dylemat. Wyniki pomiarowe fluktuacji promieniowania reliktowego wyraźnie wskazują na Wszechświat euklidesowy, natomiast wartość stałej Hubble’a oraz ilość materii we Wszechświecie nie zgadzają się z tym modelem. Ilość materii atomowej (takiej zwyczajnej, z której my sami jesteśmy zbudowani) stanowi zaledwie kilka procent tego co potrzeba aby realizował się model euklidesowy. Najprawdopodobniej jest we Wszechświecie pewna ilość materii nieświecącej (tzw. ciemnej materii). Na jej obecność wskazuje analiza ruchów własnych galaktyk w gromadach galaktyk. Analiza ta pokazuje, że w galaktykach jest znacznie więcej materii niż to widać w świeceniu gwiazd. Nie wiemy obecnie jaki jest skład tej ciemnej materii, są tu różne hipotezy na ten temat, jednak ilość tej ciemnej materii to też zaledwie ok. 25% tego co potrzeba do zrealizowania Wszechświata euklidesowego. Pozostałe brakujące ok. 70% nazywa się w tej chwili roboczo ciemną energią lub tzw. kwintesencją. Jest to zupełnie egzotyczne tworzywo o zupełnie nieznanej nam obecnie naturze. Tworzywo to ma własność taką, że jego gęstość pozostaje stała mimo ekspansji Wszechświata a ponadto, w przeciwieństwie do materii, ma własność odpychającą a nie przyciągającą (coś jakby antygrawitacja). Zauważono jednak, że w formalizmie matematycznym modeli kosmologicznych tworzywo to wchodzi do równań identycznie jak dawna einsteinowska stała kosmologiczna. Czyżby więc zabieg Einsteina ze stałą kosmologiczną, potępiony przez samego jej autora, miał jednak jakiś sens fizyczny? Może to była jednak genialna pomyłka Einsteina, który dziś byłby zapewne zdumiony widząc renesans swojego dawnego i odrzuconego pomysłu.

Zakończenie

Dzisiejszy obraz naszego Wszechświata przedstawia się nam dość osobliwie. Głównym „wypełniaczem" przestrzeni okazuje się być egzotyczne tworzywo zwane ciemną energią, która na dodatek ma własności odpychające i to ona może decydować o samym zjawisku ekspansji. Sporą część, ok. 25% stanowi ciemna materia o nie znanym nam obecnie składzie ale przynajmniej normalnie grawitacyjnie przyciągająca. My sami zaś oraz wszystko co dotychczas wokół siebie widzieliśmy i dotykaliśmy zbudowane jest z materii stanowiącej kilka procent składu Wszechświata a więc jesteśmy zrobieni jakby z odpadków, bez których globalna ewolucja kosmologiczna być może mogłaby się obejść. Zasada kopernikańska mówi, że nie żyjemy w żadnym wyróżnionym miejscu Wszechświata ani w żadnym wyróżnionym czasie. Na dodatek okazuje się, że zrobieni jesteśmy z byle czego.

Dziś wiemy o Wszechświecie dużo więcej niż nasi wielcy poprzednicy — Kopernik Newton, Einstein. Nasi następcy zapewne będą wiedzieli dużo więcej od nas. Jest wiele otwartych problemów w kosmologii. Problem, czym są ciemna materia i ciemna energia to tylko niektóre z nich. Pojawia się też pytanie, czy to co obecnie nazywamy naszym Wszechświatem to rzeczywiście jest Wszech-Świat czy też tylko część jakiegoś obszerniejszego Multiversum (zob. str. 403, 109). Wielka księga o Wszechświecie nie została jeszcze przeczytana do końca. Być może przeczytaliśmy dopiero wstęp. Ale to pasjonująca księga i aż żal czasem, że nikt z nas za swojego życia nie zdoła doczytać jej do końca.

Po przeczytaniu tego tekstu, czytelnicy często wybierają też: Teoria strun: fizyka czy teologia? Kosmologia jako proces poszlakowy

Comment on this article..   See comments (15)..

Send text to e-mail address..

Print-out version..    PDF    MS Word