Wszechświat: opowieść o pięciu procentach zrozumienia

Historia astronomii to w zasadzie przypominanie, że nie jesteśmy pępkiem świata. Mikołaj Kopernik przekonał nas, że Ziemia nie jest centrum Układu Słonecznego. Edwin Hubble, astronom amerykański, udowodnił, że nasza ­Galaktyka nie jest jedyna we wszechświecie, a my sami nie znajdujemy się w żadnym jego wyróżnionym punkcie. Dziś wiemy, że Słońce to jedna z miliardów gwiazd w Drodze Mlecznej, która jest z kolei jedną z bilionów galaktyk. Te fakty uznajemy za oczywiste. Spróbujmy jednak uzmysłowić sobie, co wiedzieliśmy o kosmosie zaledwie sto lat temu.

W 1920 r. w Waszyngtonie odbyła się debata między Harlowem Shapleyem i Heberem Curtisem. Temat? Natura spiralnych mgławic na niebie. Pierwszy astronom uważał, że to obłoki, w których powstają nowe gwiazdy znajdujące się na obrzeżach naszej Galaktyki. Ona sama ma zaś ok. 300 tys. lat świetlnych średnicy. Drugi badacz sądził natomiast, że to bardzo odległe „wyspowe wszechświaty” pełne gwiazd i podobne do Drogi Mlecznej, która sama jest dziesięciokrotnie mniejsza od tego, co postulował Shapley. Stawką sporu było więc coś dużo bardziej fundamentalnego niż identyfikacja nowej grupy kosmicznych obiektów – chodziło o naturę wszechświata. Czy jest złożony z jednej jedynej, czy też z wielu odległych od siebie galaktyk, niewyobrażalnie przepastny?

Obaj astronomowie przedstawili swoje argumenty, żaden jednak nie mógł zostać ogłoszony jednoznacznie zwycięzcą – w tamtym czasie wciąż brakowało dowodów. To miało się jednak wkrótce zmienić. Na drugim końcu amerykańskiego kontynentu, na Mount Wilson w południowej Kalifornii, zaledwie rok wcześniej zainstalowano największy teleskop, jaki znała ludzkość – stucalowy (2,5 m) teleskop Hookera. Pracę przy nim podjął Edwin Hubble, a jego celem było właśnie zbadanie mgławic spiralnych.

Osobno, czyli wspólnie

Na przełomie lat 1924 i 1925, również w Waszyngtonie, zorganizowano kongres Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego (AAS). Hubble przysłał artykuł, który odczytano 1 stycznia 1925 r. Dowodził w nim, że mgławica Andromedy znajduje się milion lat świetlnych od Ziemi! Choć dziś wiemy, że w rzeczywistości jest ona aż dwa i pół razy odleglejsza, to już pierwsze oszacowanie wystarczyło, żeby rozszerzyć granice naszego świata dziesięciokrotnie.

Jak Hubble był w stanie zmierzyć odległość do Andromedy i dlaczego wydarzyło się to dopiero sto lat temu? Przenieśmy się do Harvard College Observatory w 1912 r., gdzie Henrietta Leavitt pracowała jako human computer („ludzki komputer”, czyli rachmistrzyni). Tak potocznie określano pracownice obserwatoriów. Kobiet nie dopuszczano wówczas do badań przy teleskopach, więc obliczenia były najbliższym nauce zajęciem, jakiego mogły się podjąć miłośniczki astronomii (na początku Leavitt nie otrzymywała zresztą żadnego wynagrodzenia).

Starannie katalogując jasności i położenia gwiazd z klisz fotograficznych, dojrzała intrygującą zależność. Odkryła szczególną kategorię gwiazd regularnie zmieniających jasność, dziś znanych jako cefeidy. Zauważyła, że im jaśniejsza jest cefeida, tym wolniej pulsuje. Swoje odkrycie opublikowała w 1912 r. A właściwie zrobił to dyrektor obserwatorium, na szczęście notując we wstępie, że to Leavitt wykonała pomiary i sporządziła raport. Jej wkład w odkrycia, które umożliwiła ta publikacja, długo nie był jednak doceniany.

Co innego samo odkrycie. Nie trzeba było długo czekać, żeby astronomowie zdali sobie sprawę z jego doniosłości. Wiedząc, że jaśniejsze cefeidy pulsują wolniej, a ciemniejsze szybciej, i to w sposób systematyczny, wystarczy zmierzyć okres pulsacji i jej obserwowalną jasność, żeby obliczyć, jak daleko się od nas znajdują. Zdał sobie z tego sprawę Hubble. 6 października 1923 r. na negatywie mgławicy Andromedy nabazgrał czerwonym tuszem, nie powstrzymując swojej ekscytacji: „VAR!” (od variable – zmienna). Ta gwiazda była kluczem do zagadki odległości Ziemi od spiralnej mgławicy M31, dziś znanej jako galaktyka Andromedy.

Nieprzypadkowo odkrycia tego Hubble dokonał na największym wówczas teleskopie. To postęp techniki pcha astronomię do przodu. To dzięki stucalowemu reflektorowi na szczycie Mount Wilson Hubble mógł obserwować pojedyncze gwiazdy w odległej o 2,5 mln lat świetlnych galaktyce Andromedy. Był jak Galileusz, który spojrzał w niebo na początku XVII w. i dzięki nowatorskiemu wynalazkowi lunety jako pierwszy spostrzegł, że mgliste smugi na nocnym niebie to gęste skupisko gwiazd ­będące naszą Galaktyką. Hubble korzystał z ponad 300 lat rozwoju technik optycznych.

Pierwotnie, czyli wtórnie

Techniki obserwacyjne są ważne, jednak dopiero wnioski wysnute z obserwacji zmieniają naszą percepcję rzeczywistości. Pierwszy był prosty – mgławica M31 znajduje się zdecydowanie poza Drogą Mleczną i składa się z wielu gwiazd. Najprawdopodobniej też jest zatem galaktyką, podobną do naszej. To wystarczyło, żeby zakończyć debatę z 1920 r. Hubble jednak dopiero się rozkręcał.

Kilka lat później, po wykonaniu wielu innych pomiarów, amerykański astronom dostrzegł relację: im dalej od nas znajduje się galaktyka, tym szybciej się oddala. To frapujące odkrycie stało się dowodem na rozszerzanie wszechświata. Hubble oszacował to tempo na 500 km na sekundę na megaparsek. Galaktyki oddalone o megaparsek (3,26 mln lat świetlnych) uciekają więc od nas z prędkością 500 km/s. Wartość ta nosi dziś nazwę stałej Hubble’a. Prawidłowość mówiąca o tempie rozszerzania się wszechświata znana jest jako prawo Hubble’a-Lemaître’a.

Ten drugi człon Międzynarodowa Unia Astronomiczna dodała dopiero w 2018 r., podkreślając zasługi belgijskiego duchownego Georges’a Lemaître’a, który tezę o rozszerzającym się wszechświecie sformułował niezależnie od Hubble’a. Bo tak jak historię piszą zwycięzcy, historię nauki piszą pierwsi, albo najgłośniejsi, albo trafiający do największej rzeszy odbiorców. A Lemaître, który wykazał nieco wcześniej niż Hubble, że wszechświat się rozszerza, swój pierwszy artykuł opublikował po francusku…

Lemaitre’owi zawdzięczamy też szokującą jak na tamte czasy konstatację: skoro wszechświat teraz się powiększa, to odwracając bieg czasu, dotrzemy do momentu, w którym cały był skupiony w jednym punkcie. Tak narodziła się teoria Wielkiego Wybuchu. Na jej akceptację przez środowisko naukowe i niepodważalne dowody trzeba było poczekać dużo dłużej niż w przypadku pierwszych odkryć Hubble’a.

Inaczej, czyli identycznie

Wielu fizykom teoria Wielkiego Wybuchu zalatywała krea­cjonizmem. Była dla nich niepokojąco zgodna z creatio ex nihilo, stworzeniem świata z niczego. Jeden z głównych przeciwników tej teorii, a jednocześnie twórca terminu Big Bang, astronom brytyjski Fred Hoyle, był zwolennikiem teorii stanu stacjonarnego, w której wszechświat istniał od zawsze i istnieć będzie, bez początku i końca. I choć kosmolog i teolog Michał Heller podkreśla, że jakakolwiek teoria fizyczna musi starać się wyjaśnić świat wyłącznie za pomocą jego samego, bo inaczej nie jest teorią naukową, to w przypadku naukowej dyskusji o początkach trudno uciec od filozofii. Czy to wiara skłoniła ­Lemaître’a
do sformułowania czegoś, co nazywał „fajerwerkową teorią”? Czy ateizm Hoyle’a nie pozwalał mu do samego końca odrzucić teorii stanu stacjonarnego? Nie wiemy. Wróćmy więc do dowodów naukowych.

W 1965 r. Amerykanie Arno Penzias i Robert Wilson donieśli o odkryciu mikrofalowego promieniowania tła. Fale te, o długości ok. 2 mm, docierały do ich radioteleskopu równomiernie z każdego punktu na niebie. Jednocześnie ukazał się artykuł czworga astrofizyków z Robertem H. Dicke’em na czele, gdzie opisano, jak to jednorodne promieniowanie może być interpretowane – jako echo początków wszechświata. Ten kluczowy dowód na narodziny znanego nam kosmosu w Wielkim Wybuchu był fascynującym triumfem nauki, ale też genezą nowych zagadek. Otóż używając mapy bardzo młodego wszechświata – promieniowanie tła pochodzi z czasu, gdy miał zaledwie 380 tys. lat – można stworzyć precyzyjny model tempa jego rozszerzania, także dzisiaj.

Pomiary stałej Hubble’a bazujące na obserwacji uciekających galaktyk kilkadziesiąt lat temu były dość niedokładne. Zresztą i wynik otrzymany przy wykorzystaniu mikrofalowego promieniowania tła był początkowo obarczony sporym błędem. Aż do początku XXI w. obie liczby zdawały się ze sobą zgadzać, oscylując w okolicach 72 km/s/Mpc. Gdy jednak na scenę astro­fizyki wkroczyły teleskopy kosmiczne, COBE i Planck, które z niespotykaną wcześniej dokładnością zobrazowały echo Wielkiego Wybuchu, a Kosmiczny Teleskop Hubble’a powtórzył eksperyment swojego patrona, ale z nieporównanie większą precyzją, stało się jasne, że wyniki zaczynają się rozjeżdżać.

Kosmologowie podzielili się na dwa obozy. Jeden skupił się na echu Wielkiego Wybuchu (68 km/s/Mpc), drugi na pomiarach „lokalnego” wszechświata (73 km/s/Mpc). Ten pierwszy zakładał, że promieniowanie tła dostarcza najdokładniejszych informacji o ewolucji wszechświata, a rozbieżność wyników przypisywał systematycznym błędom w pomiarach cefeid w galaktykach innych niż nasza. Obserwacje nie są łatwe – te młode gwiazdy często znajdują się w gęstych, przesłoniętych pyłem obszarach. Astronomowie muszą „wysupłać” ich światło z gąszczu gwiazd i oszacować, jak bardzo jest osłabione. Drugi obóz uznawał, że mierzone obecnie tempo ekspansji jest poprawne (bo powstały niezależne od cefeid metody mierzenia odległości do galaktyk). Z jego perspektywy to model Wielkiego Wybuchu wymaga korekty; powinien uwzględniać efekty, o których nie mamy jeszcze pojęcia.

Problem ten, nazywany dziś „napięciem Hubble’a” (Hubble Tension), jest jedną z największych zagadek współczesnej fizyki. Wielkie nadzieje wiązano z Teleskopem Jamesa Webba. Wydawało się, że powinien rozwiać wątpliwości związane z cefeidami, ich zagęszczeniami i obecnością pyłu – dzięki trzykrotnie większej średnicy zwierciadła niż w przypadku poprzednika oraz czułości na światło podczerwone. Nic z tego, nowe badania przy użyciu JWST są doskonale zgodne z wynikami Hubble’a i pogłębiają „napięcie”.

Jaśniej, czyli ciemniej

Sto lat po konferencji, która zakończyła debatę o naturze wszechświata, na 245. już edycji spotkania AAS, też w Waszyngtonie, astronom Daniel Scolnic ogłosił, że „napięcie Hubble’a”
można już śmiało nazwać „kryzysem Hubble’a”. Nowe przeglądy nieba potwierdzają jego słowa – model ewolucji wszechświata nie zgadza się z obserwacjami. Może trzeba się będzie pogodzić z tym, że potrzebny jest ulepszony model uwzględniający nową fizykę, której jeszcze nie znamy. Tym bardziej że w zrozumieniu przeszłości wszechświata kryje się też odpowiedź na pytanie o jego ostateczny los.

Potrzeba było kolejnych technologicznych skoków, takich jak wybudowanie 10-metrowego teleskopu Keck na Hawajach, czy rozwoju detektorów zbierających światło, aby zacząć regularnie odkrywać supernowe w odległych galaktykach i lepiej pojąć naturę rozszerzającego się wszechświata. Lata 90. XX w. były areną kosmicznego wyścigu. Astrofizycy poszukiwali coraz to odleglejszych galaktyk, starając się oszacować tempo, w jakim zwalnia rozszerzanie się wszechświata – przypuszczano bowiem, że początkowo napędzone Wielkim Wybuchem, stopniowo będzie ulegało redukcji. Rodziło to pytanie rodem z teorii wiecznego powrotu Nietzschego: Czy rozszerzanie się zatrzyma, a następnie przestrzeń zacznie się kurczyć, prowadząc nas z powrotem w jeden nieskończenie gęsty punkt – a potem, być może, w kolejny Wielki Wybuch?

Rezultaty badań przyniosły jednak ogromną niespodziankę. Wszechświat wcale nie zwalnia! Wyniki były nadzwyczaj wiarygodne, bo zweryfikowane przez dwie rywalizujące grupy badaczy. Adam Riess i Brian Schmidt ogłosili swoje zaskakujące wyniki w styczniu 1998 r., a niecały miesiąc później Saul Perlmutter, kierujący konkurencyjnym projektem, przedstawił własne, w pełni zgodne, mówiące o przyspieszaniu ekspansji wszechświata. Nie sposób wyjaśnić tego zjawiska samą grawitacją. Ta nieuchronnie sprawiłaby, że masywne galaktyki zaczęłyby się z powrotem do siebie zbliżać. Potrzebne było uwzględnienie nowego czynnika, do dziś niezbadanego – ciemnej energii.

Więcej, czyli mniej

To odkrycie wydaje się wskazywać, że wszechświat będzie się rozszerzał coraz szybciej, aż w końcu pojedyncze galaktyki, gwiazdy, w końcu nawet atomy znajdą się zbyt daleko od siebie, by cokolwiek mogło istnieć – i wszystko pogrąży się w chłodnym mroku. Wyrok nie jest jednak prawomocny. Po pierwsze, zbyt mało wiemy o ciemnej energii, żeby orzec o wiecznie przyspieszającej ekspansji przestrzeni. Po drugie, los wszechświata jest nierozłącznie związany z kształtem tej ostatniej. Bo co, jeśli przestrzeń jest w istocie kulista, tak jak Ziemia, i wyruszając w podróż przed siebie, jesteśmy skazani na powrót do punktu wyjścia? Obserwujemy świat jako trójwymiarowy (a po uwzględnieniu czasu, jak chciał Einstein, czterowymiarowy), nie oznacza to jednak, że musi taki być.

Fizycy poszukują w poświacie Wielkiego Wybuchu, mikrofalowym promieniowaniu tła, wskazówek na temat kształtu owej przestrzeni. Bardzo dokładne pomiary sondy Planck wykazały, że echo prapoczątku nie jest jednorodne, ale pokryte drobnymi fluktuacjami. To one stały się początkiem skupisk materii, z których mogły powstać gromady galaktyk, a w nich gwiazdy i planety. Uważnie przebadane, mogą nam coś podpowiedzieć.

Przed odkryciem Hubble’a sprzed stu lat sądziliśmy, że wszechświat zamyka się w jednej Galaktyce, całkiem sporej, ale wyobrażalnej i zrozumiałej. Dziś zdajemy sobie sprawę, że materia, którą widzimy w kosmosie, stanowi zaledwie kilka procent jego składu. Większość to ciemna materia i ciemna energia. Można więc powiedzieć, że nie rozumiemy 95 proc. wszechświata i że wiemy mniej niż na początku tej historii. Ale taka jest natura naukowych dociekań – głębsze poznanie prowadzi zawsze do nowych pytań.