W ostatnich latach dokonaliśmy prawdziwych przełomowych odkryć astronomicznych. Namierzyliśmy pierwsze komety pozasłoneczne, zaobserwowaliśmy niezliczoną liczbę egzoplanet, zrobiliśmy zdjęcie czarnej dziurze, a także lataliśmy helikopterem na innej planecie (mowa o Ingenuity i ostatnich sukcesach misji Mars 2020). To naprawdę dużo, choć wciąż za mało, by uważać się za coś więcej, niż tylko pyłek w kosmosie.
Astronomia wciąż skrywa wiele tajemnic, które staramy się rozwikłać. Oto pięć największych tajemnic.
Dlaczego jest coś zamiast niczego?
Zgodnie z prawami kosmologii, na początku była inflacyjna próżnia. Miała ona bardzo dużą gęstość i odpychającą grawitację, co powodowało jej rozszerzanie się. Im więcej jej było, tym większe było odpychanie i tym szybciej się rozszerzała.
Podobnie jak wszelkie kwestie kwantowe, próżnia ta była nieprzewidywalna. W przypadkowych miejscach rozpadała się na zwykłą, codzienną próżnię. Ogromna energia inflacyjnej próżni musiała się gdzieś podziać.
Doprowadziła do stworzenia materii i podgrzewanie jej do niewiarygodnie wysokiej temperatury – na tworzenie “wielkich wybuchów”. Nasz Wszechświat jest tylko jedną z takich baniek Wielkiego Wybuchu w stale rozszerzającej się inflacyjnej próżni.
Co niezwykłe, cały ten proces mógł się rozpocząć od kawałka inflacyjnej próżni o masie równej torebki cukru. Prawa fizyki kwantowej pozwalają takiej materii powstać z niczego. Nasuwa się jednak kolejne oczywiste pytanie: skąd wzięły się prawa fizyki?
W 1918 r. niemiecka matematyczka Emmy Noether rzuciła na to światło. Odkryła ona, że wielkie prawa zachowania są jedynie konsekwencją głębokich symetrii przestrzeni i czasu – rzeczy, które pozostają niezmienne, gdy zmienia się nasz punkt widzenia.
Uderzającą własnością takich symetrii jest to, że są one również symetriami pustki – całkowicie pustego Wszechświata. Może więc przejście od “niczego” do “czegoś” nie było aż tak wielkim wydarzeniem. Może była to po prostu zmiana z niczego na “ustrukturyzowane” nic naszego wypełnionego galaktykami Wszechświata.
Ale dlaczego ta zmiana nastąpiła? Amerykański fizyk Victor Stenger zwrócił uwagę na fakt, że wraz ze spadkiem temperatury woda zamienia się w wodę strukturalną, czyli lód, ponieważ lód jest bardziej stabilny. Czy to możliwe, że Wszechświat przeszedł od niczego do “uporządkowanego niczego”, ponieważ uporządkowane nic jest bardziej stabilne?
Dlaczego w sercu każdej galaktyki jest czarna dziura?
W naszym Wszechświecie istnieje około dwóch bilionów galaktyk i, o ile nam wiadomo, prawie każda z nich zawiera centralną supermasywną czarną dziurę. Ich rozmiary wahają się od potworów, których masa jest prawie 50 miliardów razy większa od masy Słońca, do 4,3 miliona mas Słońca (np. Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej). Ale jak czarne dziury się tam znalazły, jest jedną z największych nierozwiązanych tajemnic kosmologii.
Wiemy, że czarna dziura powstaje w wyniku eksplozji supernowej, w której jądro gwiazdy imploduje. Nikt jednak nie wie, jak powstaje supermasywna czarna dziura.
Przez większość historii kosmosu centra galaktyk były miejscami, w których duża ilość materii była zamknięta w niewielkiej objętości. Może być tak, że supermasywne czarne dziury powstają w gęstych gromadach gwiazd z czarnych dziur, które wielokrotnie łączą się ze sobą.
Wstępne dowody na to pochodzą z fuzji dwóch czarnych dziur ujawnionej przez detekcję fal grawitacyjnych. Jedna z dziur była zbyt duża, by być reliktem supernowej, a więc mogła powstać w wyniku wcześniejszej fuzji.
Alternatywnym sposobem na powstanie supermasywnej czarnej dziury jest bezpośrednie skurczenie się gęstego obłoku gazu. Możliwe, że powstają one w wyniku połączenia zapadania się chmur i fuzji czarnych dziur.
Jest również możliwe, że supermasywne czarne dziury powstały w wyniku Wielkiego Wybuchu. To dałoby nową odpowiedź na kosmiczne pytanie typu “kura czy jajko”: co było pierwsze – galaktyki czy supermasywne czarne dziury? Zamiast najpierw formować galaktyki, a potem rodzić takie potwory, supermasywne czarne dziury powstawałyby najpierw i dostarczałyby “nasion”, z których formowałyby się galaktyki.
Pomimo swoich rozmiarów, nawet największe supermasywne czarne dziury są niewiele większe od Układu Słonecznego, jednak rozrzucają one swoje cząstki na miliony lat świetlnych za pomocą przeciwnie skierowanych superszybkich dżetów materii. Tam, gdzie takie dżety są szybkie – w wewnętrznych regionach galaktyki – wypierają gaz i tłumią powstawanie gwiazd; tam, gdzie są spowolnione – w regionach zewnętrznych – kompresują gaz i wyzwalają powstawanie gwiazd.
W rzeczywistości, potężne dżety z największych czarnych dziur wydają się kontrolować masę tworzących się gwiazd, z tendencją do tworzenia mniejszych, chłodniejszych gwiazd, takich jak Słońce. Być może powinniśmy podziękować Sagittariusowi A* za Słońce, bez którego prawdopodobnie nie czytalibyście tego tekstu.
Czym jest ciemna materia?
Ciemna materia nie emituje światła lub emituje go zbyt mało, abyśmy mogli ją wykryć. Wiemy, że istnieje, ponieważ widzimy wpływ jej grawitacji na widoczne gwiazdy i galaktyki. Na przykład, Droga Mleczna nie mogłaby wciągnąć wystarczająco dużo materii, aby utworzyć gwiazdy w ciągu 13,82 miliardów lat od Wielkiego Wybuchu, gdyby nie istniało wiele niewidzialnej materii, której dodatkowa grawitacja przyspieszyła bieg wydarzeń.
Należący do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) satelita Planck odkrył, że ciemna materia stanowi 26,8% bilansu masy-energii Wszechświata w porównaniu z 4,5% zwykłej materii “atomowej”. Przewyższa ona zatem sześciokrotnie widzialne gwiazdy i galaktyki.
Przez długi czas faworyzowanymi kandydatami na cząstki ciemnej materii były słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP). Jednak mimo że cząstki te pasują do układanki, nie udało się ich wykryć w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) niedaleko Genewy w Szwajcarii. Kandydatem zyskującym zwolenników jest superlekki “aksjon”, hipotetyczna cząstka subatomowa. Rangę outsidera zachowują pierwotne czarne dziury, pozostałe po Wielkim Wybuchu.
Co zastanawiające, żaden ziemski eksperyment nie znalazł dowodów na istnienie ciemnej materii, pomimo dziesięcioleci poszukiwań. Można sobie wyobrazić, że to nie nasza teoria materii wymaga modyfikacji, lecz teoria grawitacji. Albo że ciemna materia nie jest płynem złożonym z pojedynczych cząstek, ale jest złożona jak materia atomowa, którą widzimy wokół siebie. Może Wszechświat jest wypełniony ciemnymi gwiazdami, ciemnymi planetami i ciemnym życiem?
Czy czas istnieje?
“Czas jest tym, co powstrzymuje wszystko od wydarzenia się jednocześnie” – powiedział amerykański fizyk John Wheeler. Ale pojęcie czasu jest niezwykle skomplikowane. Większość z tego, co wydaje nam się, że wiemy o czasie, jest fałszywa.
Na przykład wyobrażamy sobie, że czas płynie. Jednak aby coś mogło płynąć, musi płynąć w odniesieniu do czegoś innego, tak jak rzeka płynie w odniesieniu do brzegu. Czy czas płynie w odniesieniu do czegoś innego – drugiego rodzaju czasu? Pomysł ten wydaje się bezsensowny. Najprawdopodobniej przepływ czasu jest iluzją stworzoną przez nasze mózgi w celu uporządkowania informacji nieustannie napływających przez nasze zmysły.
Mamy również silne poczucie wspólnej przeszłości, teraźniejszości i przyszłości. Jednak idea wspólnej teraźniejszości nie pojawia się nigdzie w naszym podstawowym opisie rzeczywistości: względności. To, jak dokładnie podzielony jest czyjś czas, zależy od tego, jak szybko porusza się on w stosunku do ciebie lub od siły grawitacji, której doświadcza.
Efekty te są zauważalne tylko przy prędkościach względnych bliskich prędkości światła lub przy ultrasilnej grawitacji, dlatego nie są oczywiste w codziennym świecie. Niemniej jednak, prowadzą one do idei, że przedział czasu jednej osoby nie jest taki sam, jak przedział czasu innej osoby, i że przedział przestrzeni jednej osoby nie jest taki sam, jak przedział przestrzeni innej osoby.
W rzeczywistości jest jeszcze dziwniej. Przestrzeń i czas są ze sobą nierozerwalnie splecione. W naszym Wszechświecie wszystkie wydarzenia – od Wielkiego Wybuchu do śmierci Wszechświata – są ułożone na istniejącej wcześniej czterowymiarowej mapie czasoprzestrzeni. Nic tak naprawdę nie “porusza się” w czasie.
Jeśli ekspansję Wszechświata wyobrazimy sobie biegnącą wstecz, jak film odtwarzany od tyłu, to w jej najwcześniejszych momentach zarówno przestrzeń, jak i czas zostają rozerwane. Fizycy podejrzewają więc, że w Wielkim Wybuchu czas wyłonił się z czegoś bardziej fundamentalnego. Jak dotąd nikt nie wie, co to może być.
Dlaczego nie odkryliśmy śladów życia pozaziemskiego?
W 1950 roku Enrico Fermi, człowiek, który zbudował pierwszy reaktor jądrowy, jadł lunch w stołówce laboratorium bombowego Los Alamos w Nowym Meksyku, gdy nagle powiedział: “Gdzie są wszyscy?”. Wszyscy wokół stołu dokładnie wiedzieli, co miał na myśli.
Dziesiątki lat później pytanie Fermiego zostało zbadane niezależnie przez amerykańskich fizyków Michaela Harta i Franka Tiplera. Hart rozważał kosmitów rozprzestrzeniających się po Drodze Mlecznej, a Tipler samoreplikujące się maszyny, które po dotarciu do systemu planetarnego wykorzystują zasoby do zbudowania dwóch kopii samych siebie i kontynuują podróż.
Obaj doszli do wniosku, że nawet przy niewielkich prędkościach podróżowania, każda gwiazda w galaktyce zostałaby odwiedzona w ułamku wieku Drogi Mlecznej. Jak uświadomił sobie Fermi, kosmici powinni być tutaj – na Ziemi. Nie wydaje się jednak, żeby byli. Stało się to tzw. paradoksem Fermiego.
Zaproponowano setki wyjaśnień. Są wśród nich pomysły, że jesteśmy pierwszą inteligencją, która pojawiła się w galaktyce, a więc jesteśmy zupełnie sami, a także, że jesteśmy światem żłobka, niedostępnym dla zaawansowanych cywilizacji, które mogłyby negatywnie wpłynąć na nasz rozwój.
Bardziej prozaiczna możliwość jest taka, że paradoks nie istnieje, ponieważ wszelkie ślady odwiedzin w odległej przeszłości zostałyby wymazane przez wiatr, deszcz i procesy geologiczne. Zespół kierowany przez dr Jonathana Carrolla-Nellenbacka z Uniwersytetu w Rochester w Nowym Jorku zaproponował, że nasze Słońce mogło zostać po prostu ominięte przez falę pozaziemskiej ekspansji.
Pozostaje pytanie, dlaczego nie widzieliśmy żadnych oznak obecności istot pozaziemskich w naszej galaktyce, pomimo poszukiwań za pomocą teleskopów przez ponad pół wieku. Jednak zespół z Pennsylvania State University kierowany przez dr Jasona Wrighta twierdzi, że nie ma w tym żadnej tajemnicy: przeszukaliśmy zaledwie ułamek galaktyki, co odpowiada ilości wody w wannie w porównaniu do tej zgromadzonej w ziemskich morzach i oceanach.
Dobrze podsumowuje to Douglas Adams w “Przewodniku Autostopowicza po Galaktyce”: “Kosmos jest wielki. Po prostu nie uwierzysz, jak bardzo, ogromnie, oszałamiająco wielki jest”.
