Być może największym odkryciem dotyczącym Wszechświata, jakiego dokonaliśmy pod koniec ubiegłego wieku, kiedy odkryliśmy jedną z najdziwniejszych kosmicznych prawd: odległe galaktyki nie tylko odlatują od nas w miarę upływu czasu, ale także odlatują coraz szybciej. Odkrycie przyspieszającej ekspansji Wszechświata w ramach projektu Supernova Cosmology z pomocą zespołu High-z Supernova Search przyniosło naukowcom Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Chociaż jest to jedno z najdziwniejszych i najbardziej niezwykłych zjawisk we wszechświecie.
Faktem jest, że Wszechświat nie zawsze przyspieszał, odlatując od nas. Ekspansja spowolniła się przez miliardy lat, a komuś, kto żył dziesięć miliardów lat temu, mogłoby się wydawać, że się kurczy. Co się stało?
W latach dwudziestych przedstawiono cztery dowody - trzy obserwowalne i jeden teoretyczny - że wszechświat się rozszerza. Tutaj są:
1. Odkrył, że mgławice spiralne na nocnym niebie były prawdziwymi galaktykami lub „wszechświatami wyspowymi”, zawierającymi miliardy gwiazd i znajdującymi się daleko poza Drogą Mleczną.
2. Pomiar przesunięć czerwieni i błękitu tych galaktyk przez Vesto Slifera pokazał, jak szybko te galaktyki oddalają się od nas (przesunięcie ku czerwieni) lub zbliżają się do nas (przesunięcie ku czerwieni), a zdecydowana większość podążyła za pierwszym scenariuszem.
3. Pomiary odległości do każdej z tych galaktyk zostały przeprowadzone przez Edwina Hubble'a i jego asystenta Miltona Humasona. W połączeniu z obserwacjami Sliphera ujawniły one wyraźny związek: im dalej była galaktyka, tym szybciej wydawała się oddalać od nas.
4. Wreszcie, potężny teoretyczny skok dokonany przez ogólną teorię względności Einsteina: uświadomienie sobie, że Wszechświat, który jest wypełniony galaktykami o mniej więcej tej samej gęstości we wszystkich kierunkach, musi być niestabilny, dopóki się nie rozszerzy lub nie skurczy.
Doprowadziło to do obrazu wszechświata z 1929 roku: był gorętszy, gęstszy i rozszerzał się szybciej w przeszłości, a następnie stawał się zimniejszy, mniej gęsty i rozszerzał się wolniej z czasem.
Film promocyjny:
Jest to całkiem logiczne z punktu widzenia Wielkiego Wybuchu. Wyobraź sobie Wielki Wybuch jako pistolet startowy wielkiego wyścigu kosmicznego, wyścigu pomiędzy początkową ekspansją z jednej strony, która z początku była bardzo szybka, a grawitacją z drugiej strony, która spaja wszystko w jedną całość. Łatwo sobie wyobrazić trzy różne opcje, z których każda skutkuje innym tempem wszechświata:
1. Duża kompresja. Być może początkowa szybkość ekspansji była dość wysoka, ale siła grawitacji była silniejsza. Ekspansja powinna spowolnić i zatrzymać się. Wszechświat musi osiągnąć maksymalne rozmiary i zacząć się kurczyć. I w końcu musi ponownie się zawalić, powracając do stanu sprzed Wielkiego Wybuchu.
2. Wielkie zamrażanie. To odwrotny scenariusz do poprzedniego: w którym ekspansja zaczyna się szybko, a grawitacja ją spowalnia, ale nie wystarczająco. Ekspansja trwa wiecznie, grawitacja cały czas ją spowalnia, ale nie może jej zatrzymać. Ten scenariusz jest znany jako Heat Death of the Universe: The Great Freeze.
3. Krytyczny Wszechświat. Istnieje również możliwość, że znajdziesz się w środku, kiedy szybkość ekspansji i grawitacja wyrównają się, a szybkość ekspansji będzie z czasem spowalniać. Jedna cząsteczka mniej, jedna cząstka więcej we Wszechświecie - i otrzymujesz pierwszy lub drugi scenariusz. Ale ta cząstka nie istnieje. Scenariusz „krytycznego wszechświata” doprowadziłby do możliwie najwolniejszej śmierci z powodu ciepła.
Przez miliardy lat wydawało się, że opcja krytyczna zwycięży. Widzisz, kiedy mieszkasz we wszechświecie i patrzysz na różne galaktyki, możesz nie tylko zmierzyć bieżące tempo ekspansji, ale patrząc na najbardziej odległe galaktyki, możesz również zmierzyć tempo ekspansji na początku historii wszechświata.
Ten obraz pokazuje galaktyki już nieosiągalne dla nas.
Przez miliardy lat - dokładnie około siedmiu miliardów - wydawało się, że żyjemy w krytycznym wszechświecie. Ekspansja rozpoczęła się w erze promieniowania (fotonów i neutrin), a potem wszystko ostygło na tyle, aby rozpoczęła się era materii (zarówno zwykłej, jak i ciemnej). W miarę rozszerzania się wszechświata gęstość materii spadała i spadała wraz ze wzrostem objętości materii, a masa pozostawała taka sama.
Ale w pewnym momencie gęstość materii spadła do tak niskiej wartości, że pojawił się inny, bardziej subtelny czynnik przyczyniający się do gęstości energii Wszechświata: ciemna energia. W ciągu około siedmiu miliardów lat wielkość ciemnej materii osiągnęła kilka procent całkowitej gęstości energii, a zanim Wszechświat miał 7,8 miliarda lat, gęstość ciemnej energii osiągnęła ważną wartość: 33% całkowitej gęstości energii we Wszechświecie. Jest to ważne, ponieważ taka ilość ciemnej energii jest potrzebna, aby tempo ekspansji zaczęło rosnąć.
Od tego czasu, około 6 miliardów lat temu, gęstość materii zaczęła spadać, podczas gdy ciemna energia pozostawała stała. Obecnie ciemna materia stanowi około 68% całkowitej energii wszechświata, a całkowita materia spadła do 32% (27% ciemnej materii i 5% zwykłej materii). Z biegiem czasu w przyszłości gęstość materii będzie nadal spadać, podczas gdy gęstość ciemnej energii pozostanie stała, ciemna energia będzie coraz bardziej powszechna.
Gęstość energii we Wszechświecie w różnych okresach w jego przeszłości
W przypadku pojedynczych galaktyk będzie to oznaczać, że galaktyka, która zaczęła oddalać się od nas w czasie Wielkiego Wybuchu szybciej niż inne, wykaże wyraźny spadek prędkości (z naszego punktu widzenia) w ciągu pierwszych 7,8 miliarda lat. Wtedy tempo zwalniania przestanie spadać i pozostanie niezmienione przez jakiś czas. Wtedy zacznie rosnąć, a galaktyka zacznie się od nas oddalać jeszcze szybciej niż wcześniej, ponieważ przestrzeń między nami a odległymi galaktykami rozszerza się z ogromną prędkością. W pewnym momencie - i jest to przerażające, ponieważ dotyczy to 97% galaktyk w naszym widzialnym wszechświecie - każda galaktyka poza naszą lokalną grupą odsunie się z prędkością przekraczającą prędkość światła, stając się tym samym poza naszym zasięgiem z powodu fizycznych ograniczeń.
Na żółto zaznaczono obecny rozmiar widzialnego Wszechświata: 46 miliardów lat świetlnych; Rozmiar, jaki możemy osiągnąć, jest różowy: 14,5 miliarda lat świetlnych
O ile nam wiadomo, wszechświat zawsze miał taką ilość ciemnej energii, jaką ma teraz w samym kosmosie. Ale minęło 7,8 miliarda lat, czyli cała historia Wszechświata półtora miliarda lat zanim powstał nasz Układ Słoneczny, zanim gęstość materii spadła do takiego poziomu, że ciemna energia przejęła ekspansję wszechświata. Od tego czasu wszystkie galaktyki poza naszą lokalną grupą oddalają się od nas i będą się oddalać, aż ostatnia zniknie. Wszechświat rozszerzał się przez ostatnie sześć miliardów lat i gdybyśmy pojawili się wcześniej, moglibyśmy nie wykroczyć poza te trzy opcje oferowane przez naszą intuicję. W najlepszym razie moglibyśmy tylko zgadywać, czym dokładnie jest wszechświat. I to byłaby nasza największa nagroda.
