Wielkość kosmosu nie mieści się w głowie

Przestrzeń jest duża. Dlatego nazywamy ją przestrzenią. Ale co to znaczy „duża”?

To kwestia względna. Kiedy astronom mówi, że coś jest w pobliżu nas, może mieć na myśli kilka milionów kilometrów (jeśli chodzi o planetoidy) lub kilkadziesiąt bilionów (w przypadku gwiazd) albo kilkadziesiąt trylionów (w przypadku galaktyk).

Jakikolwiek by był cel podróży, spacer będzie długi. Aby uprościć sobie zadanie, do pomiaru odległości używamy ogromnych jednostek, takich jak rok świetlny, czyli odległość pokonywana w ciągu roku przez światło – najszybszą rzecz we Wszechświecie. Rok świetlny to około 10 bln km. Ale dla zwykłej osoby czytającej od niechcenia o „pobliskich” egzoplanetach lub „odległych” galaktykach to wciąż pojęcie dość abstrakcyjne. Jednym ze sposobów na lepsze zrozumienie tej skali jest prześledzenie jej krok po kroku. Najbliższym nam obiektem astronomicznym w całym Wszechświecie jest Księżyc. Na swojej orbicie znajduje się średnio około 380 000 km od Ziemi. To już całkiem spora odległość; mogłoby się na niej zmieścić prawie 30 Ziem! Albo pomyśl o tym w taki sposób: astronauci Apollo, podróżujący szybciej niż jakikolwiek człowiek przed nimi, potrzebowali trzech dni, aby dotrzeć w pobliże Księżyca.

Słońce znajduje się około 400 razy dalej od nas niż Księżyc: 150 mln km. Jak to daleko? Gdyby można było wytyczyć drogę między Ziemią a Słońcem, przejechanie jej z prędkością autostradową zajęłoby około 170 lat. Lepiej zabrać ze sobą duży prowiant. Bardziej opłacałoby się polecieć komercyjnym odrzutowcem – zajęłoby to zaledwie 17 lat.

Kiedy zajmujemy się obiektami wewnątrz Układu Słonecznego, wygodnie jest używać odległości Ziemia-Słońce jako swojego rodzaju kosmicznego miernika. Nazywamy go jednostką astronomiczną i oznaczamy AU (astronomical unit). Jest ona zdefiniowana przez Międzynarodową Unię Astronomiczną (strażnika wszystkich astronomicznych liczb, nazw i innych tego typu uzgodnionych konwencji) jako dokładnie 149 597 870,7 km. Merkury znajduje się około 0,4 AU od Słońca, a Wenus około 0,7. Ich odległości od Ziemi zależą od tego, w którym miejscu swojej orbity przebywają aktualnie te planety, i są większe, gdy planety znajdują się po przeciwnej stronie Słońca. A zatem odległość Wenus od Ziemi może zmieniać się od około 0,3 do 1,7 AU.

Neptun, najdalsza duża planeta krążąca wokół Słońca, znajduje się w odległości 4,5 mld km, czyli 30 AU. Najmniejsza odległość Plutona jest mniej więcej taka sama, czyli bardzo duża. Aby do niego dotrzeć, sonda New Horizons potrzebowała ponad dziewięciu lat, mimo że poruszała się z prędkością ponad 50 tys. km na godzinę.

Liczby te są wciąż trudne do ogarnięcia. Kiedy odwiedzałem szkoły z pokazami astronomicznymi dla dzieci, jednym z moich ulubionych rekwizytów była lina Układu Słonecznego: potężny 15-metrowy sznur, który reprezentował średnią odległość Plutona od Słońca. Uczniowie otrzymywali zdjęcia planet i umieszczali je w odpowiedniej odległości od Słońca. Wewnętrzne cztery planety znajdowały się tak blisko siebie, że dzieci praktycznie przymocowywały je jedna na drugiej, ale zewnętrzne planety były bardzo rozrzucone; musieliśmy znaleźć długi korytarz albo wyjść na zewnątrz w celu przeprowadzenia demonstracji.

Lekcja ta okazała się tak popularna, że stworzyłem arkusz kalkulacyjny pozwalający każdemu obliczyć rozmiary Układu Słonecznego w odpowiedniej skali. Jego podstawą jest rozmiar Słońca, więc można go zmienić z domyślnego jednego metra na, przykładowo, rozmiar winogrona, i sprawdzić, jak duże i jak odległe stają się planety. To świetna zabawa, która pozwala zrozumieć wiele rzeczy.

Przydatne jest również rozważanie separacji między obiektami na podstawie ich wielkości. Dla przykładu, średnica Słońca wynosi 1,4 mln km. Najbliższym Słońcu układem gwiezdnym jest Alfa Centauri, odległa o 41 bln km. Jeśli podzielimy drugą liczbę przez pierwszą, okaże się, że Alfa Centauri jest oddalona o około 30 mln „słońc”. Gwiazdy są bardzo małe w porównaniu z odległością między nimi i jest to jedna z przyczyn, dla których naprawdę nie trzeba się martwić, że któraś z nich kiedykolwiek zderzy się z naszym Słońcem!

Z tego też powodu do określania takich odległości stosuje się lata świetlne; w przypadku podróży międzygwiezdnych jest to poręczniejsza jednostka. Alfa Centauri jest oddalona o 4,3 roku świetlnego. Mgławica Oriona znajduje się około 1250 lat świetlnych od Słońca. Centrum Drogi Mlecznej jest odległe o 26 tys. lat świetlnych, a sama Galaktyka to płaski dysk o średnicy około 120 tys. lat świetlnych.

Najbliższą dużą galaktyką dla Drogi Mlecznej jest Galaktyka Andromedy, która znajduje się 2,5 mln lat świetlnych od nas. To interesująca liczba, ponieważ jest ona „tylko” 20 razy większa od rozmiaru Drogi Mlecznej. Większość galaktyk ma dość zbliżone średnice.

Wewnątrz galaktyk gwiazdy zderzają się niezwykle rzadko, ponieważ w stosunku do swoich rozmiarów są bardzo daleko od siebie. Ale galaktyki są w przestrzeni upakowane ciaśniej, nie jest więc dużym zaskoczeniem, że zderzenia galaktyk są nie tylko powszechne, ale wręcz wszechobecne. Droga Mleczna urosła do swoich ogromnych rozmiarów poprzez zderzanie się i łączenie z innymi galaktykami; w rzeczywistości każda duża galaktyka doświadczyła w swym życiu wielu kolizji.

Droga Mleczna i Andromeda to dwie największe galaktyki w zbiorowisku około 100 galaktyk, które nazywamy Grupą Lokalną. Rozciąga się ona na przestrzeni około 10 mln lat świetlnych. Istnieją jeszcze większe i liczniejsze grupy, zwane gromadami galaktyk. Najbliższą dużą gromadą jest położona około 50 mln lat świetlnych od nas Gromada Virgo, w której znajduje się ponad 1000 galaktyk. Istnieją również mniejsze gromady, które znajdują się bliżej nas.

Gromady galaktyk nie rozpadają się dzięki grawitacji ich członków, a ich rozmiary sięgają dziesiątek milionów lat świetlnych. Ale to jeszcze nie koniec! Gromady mogą grupować się w kosmosie, tworząc skupiska gromad, zwane supergromadami. Gromada Virgo i Grupa Lokalna są częścią Supergromady Laniakea, która może zawierać ponad 100 tys. galaktyk i rozciąga się na przestrzeni 500 mln lat świetlnych.

Wszechświat ma 13,8 mld lat, można by więc pomyśleć, że najodleglejsze obiekty, które jesteśmy w stanie zobaczyć, znajdują się mniej więcej w takiej odległości wyrażonej w latach świetlnych. Kosmos jednak rozszerza się i w czasie, w którym światło z odległych obiektów biegło do nas, ekspansja je oddaliła. Z tego powodu szacuje się, że obserwowalny Wszechświat ma średnicę około 90 mld lat świetlnych!

Na koniec zdradzę pewien sekret: nawet astronomowie nie są w stanie w pełni ogarnąć tych wielkości. Pracujemy z nimi i wykorzystujemy w obliczeniach matematycznych i fizycznych, ale nasze małpie mózgi wciąż z trudem pojmują nawet odległość do Księżyca – a przecież Wszechświat jest dwa miliony bilionów razy większy!

Rzeczywiście, przestrzeń jest duża. Prawdą jest też to, że wydajemy się przy niej bardzo, bardzo mali. Te skale mogą wyglądać przygniatająco. Ale pomyśl o tym: chociaż ogrom Wszechświata wykracza poza nasze wyobrażenie, to, używając matematyki i fizyki oraz naszego mózgu, potrafimy go zrozumieć.

A to powoduje, że już tacy mali wcale nie jesteśmy.