Co znajdziemy na krańcu wszechświata?

Od Księżyca dzieli nas 380 tysięcy kilometrów. Od wystrzelonego czterdzieści lat temu Voyagera 1, jakieś 20 miliardów kilometrów. Najdalej położone, widoczne gołym okiem gwiazdy, migają do nas z dystansu ponad 3 tysięcy lat świetlnych (28 biliardów kilometrów!). A co powiecie na wycieczkę do miejsc oddalonych o trudną do wyobrażenia odległość, kilkudziesięciu miliardów lat świetlnych?

W dysputach nad wiekiem i rozmiarami wszechświata już dawno zamieniliśmy wszystkie setki i tysiące, na miliardy i biliony. Szczegóły i konkretne, zapierające dech w piersiach liczby, odsłoniliśmy jednak dopiero w ostatnich dekadach. Na dobrą sprawę, jeszcze w latach 90. szacunki na temat wieku wszechświata oscylowały w przedziale, od 10 do nawet 18 miliardów lat. Uczeni byli już pewni, że historia kosmosu jest wielokrotnie starsza niż dzieje ludzkości, życia na Ziemi, czy nawet Układu Słonecznego, ale rozbieżność rzędu ośmiu miliardów lat budziła słuszne kontrowersje. Sprawa zrobiła się jeszcze bardziej wstydliwa, gdy analiza zdjęć z teleskopów kosmicznych wykazała paradoks: niektóre z obserwowanych gwiazd wyglądały na starsze niż proponowane 10 miliardów lat. Musiałyby więc powstać przed wielkim początkiem!

Wtem, na naukowców spłynęło objawienie. Co prawda nie w postaci archanioła wieszczącego dobrą nowinę, ale też z nieba. Wystrzelona w 2001 roku sonda kosmiczna Wilkinsona wykonała bardzo dokładną fotografię mikrofalowego promieniowania tła, co pozwoliło na precyzyjne zapoznanie się z dzieciństwem wszechświata. Niezwykle czuła aparatura WMAP rejestrowała nawet najdrobniejsze różnice temperatur. Wszelkie odbarwienia na zielonej mapie, oznaczały nierówności rzędu setnych części stopnia, które wraz z inflacją wszechświata rozrosły się wielkoskalowych struktur – ścian, włókien lub gromad galaktyk. 

Po uzbrojeniu się w taki arsenał danych – wykorzystując wiedzę o geometrii wszechświata i stałą Hubble’a –astronomowie mogli wydać werdykt: 13,74 mld lat. (W roku ubiegłym, w oparciu o informacje pochodzące z misji Planck, dokonano poprawki: 13,82 mld lat). Idąc dalej, wiedza o czasie jaki upłynął od wielkiego wybuchu, pozwoliła na wyznaczenie rozmiarów wszechświata obserwowalnego. Obserwowalnego, czyli takiego wycinka przestrzeni kosmicznej, na którego oglądanie pozwalają prawa fizyki. Najprościej go sobie wyobrazić jako kulę z obserwatorami, czyli nami, po środku. W związku z ograniczoną prędkością światła, wszystko co leży poza horyzontem naszej kuli, pozostaje dla nas absolutnie niedostrzegalne, niezależnie od tego z jak zaawansowanego teleskopu skorzystamy.

Osoba niemająca nic wspólnego z kosmologią, mogłaby na podstawie powyższego wysunąć złudny wniosek, że promień widzialnego wszechświata wynosi niecałe 14 miliardów lat świetlnych, a więc otacza nas kula o średnicy około 28 miliardów lat świetlnych. Osoby regularnie czytające bloga, wiedzą dlaczego prosty rachunek, biorący w rachubę wiek wszechświata i prędkość światła, nie jest poprawny (patrz tekst: Dlaczego wszechświat ma 92 miliardy lat świetlnych średnicy?). John Richard Gott zdawał sobie sprawę, że po uwzględnieniu jeszcze jednego współczynnika, tj. ciągle wzrastającego tempa ekspansji wszechświata, jego średnica okaże się znacznie większa. Fizyk z Princeton wyliczył, że promień obserwowalnego wszechświata wynosi 46 miliardów, a długość średnicy niecałe 93 miliardy lat świetlnych. 

Granicę wyznacza mikrofalowe promieniowanie tła. Zdjęcie WMAP prezentuje wszechświat w zaledwie 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu (dlaczego?), a niosące ten wzór fotony musiały przebyć drogę właśnie 46 miliardów lat świetlnych nim wpadły na detektory sondy. Panuje prosta zasada: im dalej jest położony obiekt, tym bardziej nieaktualny obraz oglądamy. Dlatego też, gdy kosmologowie chwalą się odnalezieniem kolejnej rekordowo starej gwiazdy, mają również na myśli rekord pod względem odległości.

Zatem, co znajdziemy w pobliżu granicy obserwowalnego wszechświata?

CFHQSJ2329-0301

Pierwsze z rozpikselizowanych zdjęć zostało wykonane w 2009 roku. Astronomowie z hawajskiego obserwatorium na Mauna Kea uchwycili obraz aktywnej galaktyki, liczącej sobie 12,8 miliarda lat. Obiekt CFHQSJ2329-0301 potwierdził hipotezę, wedle której wiele spośród młodych galaktyk funkcjonowało jako wysokoenergetyczne kwazary. Dopiero po wyczerpaniu paliwa dla supermasywnych czarnych dziur (ta napędzająca CFHQSJ2329-0301 posiada masę około miliarda Słońc) leżących w ich wnętrzach, galaktyki uspokajały się przybierając formę podobną do dzisiejszych.

z8 GND 5296

Najświeższe odkrycie, pochodzące z października 2013 roku. Ekipy z Harvardu i Uniwersytetu w Austin oceniły wiek z8 GND 5296 na co najmniej 13,1 miliarda lat. To obraz młodej galaktyki z wciąż aktywnymi procesami gwiazdotwórczymi, ujawniający jak wyglądał wszechświat gdy posiadał zaledwie 5% obecnego wieku.

UDFj-39546284

Rekordzistka roku 2011, powstała w mniej niż pół miliarda lat po wielkim wybuchu, tj. 13,2 miliarda lat temu. Obserwacji w podczerwieni dokonał Kosmiczny Teleskop Hubble’a, przy okazji pstrykania kolejnej wersji ultragłębokiego pola. Jak powiedział  John Morse z NASA:  “Po 20 latach od otwarcia oczu na otaczający nas wszechświat, Hubble nadal zaskakuje astronomów”.

MACS0647-JD

Dwa lata temu, połączone siły teleskopów kosmicznych Hubble’a i Spitzera, pozwoliły na złowienie kolejnego rekordu. Astronomowie orzekli, że MACS0647-JD to prawdopodobnie nie w pełni ukształtowana galaktyka, która wyemitowała swoje światło 420 milionów lat po wielkim wybuchu, a więc aż 13,3 miliarda lat temu.

Promieniowanie reliktowe

I wreszcie horyzont obserwowalnego wszechświata. Przeróbka zdjęcia promieniowania reliktowego, wykonanego przez WMAP w 2003 roku.

Literatura uzupełniająca:
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2012;
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014;
NASA’s Hubble Finds Most Distant Galaxy Candidate Ever Seen in Universe, [online: http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/farthest-galaxy.html/].
Ostatnie lądowanie promu Atlantis. Zmierzch epoki wahadłowców 7 najlepszych kawałków z procesu Kitzmiller v. Dover [suplement] 7 cudów naukowego świata