Mrok i energia

Neurony potrzebują tysięcznej części sekundy (milisekundy), by przekazać impuls nerwowy. Miliardową część sekundy (nanosekundę) zajmuje promieniowi światła przeniknięcie przez ludzki włos, a trylionowa część sekundy (pikosekunda) to najkrótszy odcinek czasu zmierzony przez człowieka. Czy jest sens myśleć o jeszcze mniejszych odstępach czasu? Czy w jeszcze krótszym okresie może się w ogóle coś wydarzyć? Owszem – może się narodzić Wszechświat. Gdy dziś kosmolodzy próbują rekonstruować jego historię, potrafią sięgnąć wstecz do nanosekund po jego narodzinach, określanych mianem „punktu zero”. Niemal dotykają samego początku, ale wciąż dzieli ich od niego niewyobrażalnie mały odcinek czasu.

– Ostatnie dziesięciolecie było dla kosmologii wyjątkowe – mówi Jan Tauber, kierownik naukowy projektu Planck, którego celem jest umieszczenie na orbicie pierwszego satelity Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) mającego dostarczyć nowych informacji o genezie kosmosu. – Wizja naszego świata uległa w tym okresie radykalnej zmianie. Wiemy znacznie więcej niż 10–15 lat temu, choć jednocześnie przybyło nowych pytań.

Teoria Wielkiego Wybuchu (Big Bang) trafiła już do podręczników i nadal jest aktualna. Co więcej, z każdym nowym odkryciem staje się bardziej spójna. Dziś uznaje się już za potwierdzoną hipotezę mówiącą o tym, że gdy jakieś 13,7 mld lat temu powstawał Wszechświat, wszystko było niezwykle gęstą i gorącą zupą energii oraz materii ściśniętych na maleńkiej przestrzeni. W miarę upływu czasu Wszechświat rozszerzał się i ochładzał. 100–200 mln lat po Wielkim Wybuchu pojawiły się pierwsze gwiazdy, a 500–700 mln lat po nim pierwsze protogalaktyki. Nasz Układ Słoneczny liczy sobie 4,5 mld lat, a obecna temperatura kosmosu wynosi jakieś 270 stopni poniżej zera. Wszechświat rzeczywiście mocno się wystudził.

Tak więc model Wielkiego Wybuchu zasadniczo się nie zmienił, czego nie można powiedzieć o poszczególnych elementach tej teorii. Dziś dysponujemy już wiarygodnymi dowodami na to, że w pierwszych chwilach istnienia Wszechświat rozszerzał się z szybkością przekraczającą prędkość światła. W ułamku sekundy z obiektu o średnicy kilku centymetrów, porównywalnego pod względem rozmiaru do szklanej kulki, przeistoczył się w znany nam świat. Proces ten nazywany jest inflacją.

Innym nowym elementem było pojawienie się pojęcia ciemnej energii. Od 1998 roku wiadomo, że we Wszechświecie istnieje nieznana forma energii. Mało tego, kilka lat temu odkryto, że wypełnia ona aż 75 proc. kosmosu. Innymi słowy, podstawowym składnikiem Wszechświata jest coś, czego zupełnie nie znamy. Czym zatem jest owa ciemna energia, która pozostaje numerem jeden na liście najpilniejszych spraw do wyjaśnienia? – Ilość energii zwiększa się błyskawicznie w miarę, jak zbliżamy się do „punktu zero”, co oznacza, że procesy, jakie zachodziły niemal równocześnie, mogły w rzeczywistości diametralnie się od siebie różnić. Na tym etapie liczył się każdy, najmniejszy nawet ułamek sekundy – wyjaśnia Rafael Rebolo z Instytutu Astrofizycznego na Wyspach Kanaryjskich (IAC).

Kosmolodzy mają mniej szczęścia niż fizycy, bo nie mogą spróbować przeprowadzić próby Wielkiego Wybuchu w laboratorium (w grę wchodzi co najwyżej komputerowa symulacja). Dobrze sobie z tego zdaje sprawę zarówno Rebolo, który kieruje jednym z trzech hiszpańskich zespołów budujących satelitę Plancka, jak i Juan García-Bellido Capdevila, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Autonomicznego w Madrycie, współpracujący z twórcami teorii inflacji. Rebolo pracuje przede wszystkim z urządzeniami dostarczającymi danych na temat początków Wszechświata, Capdevilla skupia się na tworzeniu modeli pozwalających lepiej zrozumieć i właściwie zinterpretować otrzymywane wyniki.

Innym sposobem na sztuczne zbliżenie się do momentu, w którym nastąpił Big Bang, są doświadczenia w akceleratorach cząsteczek. W te długie podziemne tunele wpuszcza się cząsteczki, które są rozpędzane do prędkości bliskich prędkości światła, a następnie zderzane z sobą. Podczas każdego zderzenia wyzwala się energia i zachodzą procesy, które dają pewne pojęcie o tym, jak mógł wyglądać początek Wszechświata. – W akceleratorach udaje się wyzwolić ogromne energie, ale i tak wciąż daleko nam do poziomów uzyskiwanych podczas Bing Bangu – mówi García-Bellido. – Obliczyliśmy, że do uzyskania tak wysokich energii potrzebowalibyśmy akceleratora wielkości całej galaktyki. García-Bellido uważa, że nowy akcelerator LHC, budowany w genewskim ośrodku Europejskiej Rady Badań Jądrowych (CERN), dostarczy lepszych danych, które pomogą zweryfikować teorię inflacji.

Z braku możliwości przeprowadzenia doświadczalnych Big Bangów naukowcy są zmuszeni poszukiwać we Wszechświecie śladów jego początków. A jest ich całkiem sporo. Jednym z nich jest promieniowanie tła kosmicznego, nazywane również szczątkowym, uznawane za skamielinę, jaką pozostawił po sobie Wielki Wybuch. Mówiąc w ogromnym skrócie, promieniowanie tła to pierwsze światło, które mogło swobodnie przemieszczać się we Wszechświecie. Jego uwolnienie nastąpiło jakieś 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu, gdy kosmos był jeszcze tysiąc razy mniejszy niż obecnie. Fizycy uważają, że do tego momentu energia i materia były z sobą ściśle sprzężone. Dopiero gdy Wszechświat ostygł do temperatury trzech tysięcy stopni, zaczęły się formować atomy, a światło – swobodnie wędrować. Z czasem wypełniło cały Wszechświat, tak jak wypełnia go dzisiaj.

Interesujące jest to, że podobnie jak wszystkie wartościowe skamieliny, promieniowanie tła zawiera wiele cennych informacji na temat swojego pochodzenia, a zatem początków kosmosu. Badania nad odczytaniem tych kluczowych informacji już trwają, czego najlepszym dowodem jest Nagroda Nobla z fizyki dla naukowców odpowiedzialnych za wysłanie w kosmos sondy COBE z misją zgłębienia tajemnic promieniowania szczątkowego. W przeciwieństwie do światła emitowanego przez gwiazdy promieniowanie tła prawie równomiernie wypełnia cały kosmos bez względu na to, w który jego zakątek zajrzymy. Dowodzi to, że jego początkiem jest Wielki Wybuch, a źródłem – cały Wszechświat. Gdyby bowiem promieniowanie tła pochodziło od obiektu młodszego, byłoby bardziej intensywne. Kardynalne znaczenie ma przy tym stwierdzenie, że promieniowanie szczątkowe „prawie” wszędzie jest takie samo. Wiadomo bowiem, że w momencie oddzielenia się od energii materia była niejednorodna: posiadała „grudki” czy „ziarenka”. Skoro w promieniowaniu tła ma być
odciśnięty obraz materii w chwili rozdzielenia z energią, również promieniowanie powinno być niejednorodne. Potwierdziły to obserwacje sondy COBE (Cosmic Background Explorer – Eksplorator Kosmicznego Tła), a także eksperyment przeprowadzony w obserwatorium Teide na Teneryfie. Różnice w natężeniu promieniowania wykryto pod postacią prawie niezauważalnych fluktuacji temperatury wynoszących milionowe części stopnia Kelvina. Czarna niewiadoma Z tego względu promieniowanie tła stało się przedmiotem coraz bardziej zaawansowanych badań. Mierzą je superczułe instrumenty umieszczone na balonach stratosferycznych (MAXIMA, BOOMERANG) czy na satelitach takich jak WMAP, wystrzelony przez NASA w 2001 roku. Urządzenia te są tak czułe, że mówi się już nawet o nowej gałęzi nauki – kosmologii precyzyjnej.

Dzięki analizom promieniowania tła udało się ustalić wiek Wszechświata, jego geometrię i skład. O wieku mówiliśmy, że wynosi 13,7 mld lat. To, co kosmolodzy nazywają geometrią, ma związek z przyszłością Wszechświata. Wiele wskazuje na to, że zawsze będzie się rozszerzać. Co do składu, potwierdzono już obecność w kosmosie tajemniczej ciemnej energii. – Wszechświat składa się w 75 procentach z ciemnej energii, w pięciu – ze „zwykłej” materii, z której jesteśmy zbudowani, oraz w 20 procentach z ciemnej materii – tłumaczy Enrique Martínez z Kantabryjskiego Instytutu Fizyki (IFCA) w Santander. – Do myślenia daje fakt, że materia, z której jesteśmy ulepieni, stanowi tak niewielką część kosmosu. Co więcej, nie wiemy, czym są ciemna energia i ciemna materia – mówi García-Bellido. – Poruszamy się na oślep, czekając na jakieś światło w tunelu – podkreśla Martínez.

Mónica Salomone