Ostatnio nie wiedziałem o czym pisać. Brakowało mi inspiracji, a w głowie miałem jedną wielką pustkę. W związku z tym pomyślałem, że może warto rozpatrzyć ten właśnie temat. Porażająco przepastnych, pustych obszarów na mapie wszechświata.

To jest ta niena­syco­na próżnia wcią­ga­jąca nas w grę, walkę, wędrówkę…

George Byron

Wielka kosmiczna pajęczyna

Bez­dy­sku­syj­nie głównym skład­ni­kiem fizycz­nej rze­czy­wi­sto­ści jest pustka. Z jednej strony tezę tę świetnie potwier­dza świat sub­a­to­mowy, gdzie cząstki ele­men­tarne nie stanowią nawet promila obję­to­ści całego atomu. Z drugiej strony, próżnia zde­cy­do­wa­nie dominuje w skali kosmo­lo­gicz­nej, co łatwo dostrzec nawet bez wyściu­bia­nia nosa spoza Układu Sło­necz­nego. Ziemski równik mierzy 40 tysięcy kilo­me­trów, tym­cza­sem od Księżyca – naj­bliż­szego ciała nie­bie­skiego – dzieli nas prawie dzie­się­cio­krot­nie większy dystans kosmicz­nej pustki. Odle­gło­ści między poszcze­gól­nymi pla­ne­tami oraz pla­ne­tami i Słońcem, liczone są już w milio­nach kilo­me­trów. To szmat drogi, podczas której przy odro­bi­nie szczę­ścia można nie trafić na żaden większy obiekt.

Wycho­dząc poza nasz Układ spotkamy większe struk­tury, ale również odpo­wied­nio bardziej wyro­śnięte obszary ciem­no­ści i chłodu. Od sąsied­nich gwiazd dzielą nas już całe biliony kilo­me­trów, czyli lata świetlne. Niby dużo, ale jak wiemy od stu lat za sprawą słynnego Edwina Hubble’a oraz mniej słynnego Ernsta Öpika, gwiazdy to zaledwie drobinki skupione w jednej kosmicz­nej pia­skow­nicy – Drodze Mlecznej. Ta z kolei stanowi co najwyżej jedną z tysięcy gwiezd­nych wysepek – galaktyk – odda­lo­nych od siebie całymi milio­nami lat świetl­nych opu­sto­sza­łej prze­strzeni. Jeśli jesteś ciut bardziej zorien­to­wany w astro­no­mii, to zapewne wiesz też o tym, iż galak­tyki nie funk­cjo­nują samopas i lubią orga­ni­zo­wać się w większe zbio­ro­wi­ska. W ten sposób Droga Mleczna pozo­staje w gra­wi­ta­cyj­nym związku z Andro­medą oraz około pięć­dzie­się­cioma mniej­szymi galak­ty­kami, w ramach tak zwanej Grupy Lokalnej. Ta z kolei przy­na­leży do super­gro­mady w Pannie, sto­wa­rzy­sza­ją­cej kil­ka­dzie­siąt galak­tycz­nych grupek.

Jednak naj­cie­kaw­sze dopiero przed nami. Gromady oraz super­gro­mady ściągane przez gra­wi­ta­cję, układają swego rodzaju wzór. Żeby dostrzec jego zarys, musiał­byś jednak spojrzeć na cało­kształt kosmicz­nego kra­jo­brazu z dystansu. Z takiej odle­gło­ści, aby każda galak­tyka zawie­ra­jąca miliardy gwiazd, przy­po­mi­nała zaledwie błysz­czący punkcik zawie­szony w kosmicz­nej próżni. Dopiero wtedy przed Twoimi oczami ujaw­niłby się osza­ła­mia­jący widok struktur wiel­ko­ska­lo­wych. Formacji przy­po­mi­na­ją­cych z zewnątrz gigan­tyczną gąbkę lub, jak kto woli, pajęczą sieć.

Włókna w strukturze wszechświata z widocznymi obszarami kosmicznej próżni

Okazuje się, że zde­cy­do­wana więk­szość materii wszech­świata pozo­staje skupiona w świe­tli­stych niciach – nazy­wa­nych włóknami – cią­gną­cych się na dystan­sach milionów lub miliar­dów lat świetl­nych. A co znajduje się między tymi włóknami? Oczy­wi­ście, prze­raź­li­wie prze­pastne obszary pustki. Tak ogromne, że wspo­mniane wcze­śniej przerwy roz­dzie­la­jące galak­tyki prze­stają robić jakie­kol­wiek wrażenie.

Próżnia na fotografii CMB

Niestety maje­sta­tyczny pejzaż kosmicz­nych mega­struk­tur, możemy sobie jedynie wyobra­zić. W rze­czy­wi­sto­ści bardzo trudno jest odkrywać praw­dziwe kształty for­mo­wane przez galak­tyki, samemu siedząc wewnątrz jednej z nich.

Poza stan­dar­do­wymi obser­wa­cjami nieba i kom­pu­te­ro­wymi symu­la­cjami, w lepszym poznaniu wszech­świata w skali makro, pomogła uczonym analiza mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła (CMB). Gdybyś nie pamiętał: pro­mie­nio­wa­nie reszt­kowe to deli­katne fotony prze­mie­rza­jące prze­strzeń, będące echem pra­sta­rego światła wyemi­to­wa­nego, gdy wszech­świat był roz­grzany do białości i liczył sobie zaledwie 380 tys. lat. Ten wspa­niały relikt wiel­kiego wybuchu nie tylko zaświad­cza o burz­li­wej prze­szło­ści kosmosu, ale również przy­niósł nam coś w rodzaju mapy rozkładu gęstości materii w prze­strzeni. 

Dzisiaj smętne pro­mie­nio­wa­nie pre­zen­tuje się bardzo licho (2,7K) i jed­no­li­cie (różnice rzędu tysięcz­nych części Kelvina). Z naszego punktu widzenia wydaje się to nie­istotne, ale u zarania czasu, te mini­malne wahania w roz­ło­że­niu energii wpłynęły na całą przyszłą ewolucję kosmosu. Drobne fluk­tu­acje roz­cią­gnięte do roz­mia­rów makro­sko­po­wych, prze­isto­czyły się w skupiska materii z jednej strony i wielkie puste plamy z drugiej. Dlatego też, popu­larna foto­gra­fia wykonana przez sondę WMAP sugeruje astro­no­mom czego powinni się spo­dzie­wać nakie­ro­wu­jąc tele­skopy na poszcze­gólne obszary nieba. 

Wspo­mi­nam o tym nie tylko w ramach cie­ka­wostki. Tak się składa, że właśnie pro­mie­nio­wa­nie relik­towe pozwo­liło uczonym trafić na przy­pusz­czal­nie naj­ob­szer­niej­szy pusty obszar w obrębie całego widzial­nego wszech­świata.

Pustki duże, większe i największe

Zlo­ka­li­zo­wa­li­śmy już sporo kosmicz­nych pustek. Pierwszą ponadwy­mia­rową dziurą w rusz­to­wa­niu wszech­świata była Pustka w Wolarzu, odkryta w 1981 roku. Ma nieco owalny kształt i średnicę liczącą ponad 300 milionów lat świetl­nych. Dla lepszego poczucia tej liczby, przy­po­mi­nam: Drogę Mleczną od galak­tyki Andro­medy dzieli 2,5 miliona lat świetl­nych, Grupa Lokalna mierzy skromne 10 milionów lat świetl­nych, zaś Super­gro­mada w Pannie prze­kra­cza nieco ponad 100 milionów lat świetl­nych. Innymi słowy, w Pustce w Wolarzu zmie­ści­łyby się zapewne trzy super­gro­mady zawie­ra­jące całe setki galaktyk.

Największe kosmiczne pustki

Obecnie wiemy, że gwiezdne pust­ko­wia o sze­ro­ko­ści dzie­sią­tek i setek milionów lat świetl­nych, roz­gra­ni­cza­jące galak­tyczne włókna nie są jakimś ewe­ne­men­tem i dopeł­niają obraz “pian­ko­wej” struk­tury wszech­świata. Jednak w 2007 roku znów znalazło się coś, co mogło wprawić w osłu­pie­nie entu­zja­stów astro­no­mii. Pusta prze­strzeń o średnicy prze­kra­cza­ją­cej… miliard lat świetl­nych!

Wielka Pustka w CMB

Dyskusję na temat Wielkiej Pustki (wiem, niezbyt kre­atywna nazwa), roz­po­czął na łamach Astro­phi­si­cal Journal, profesor z Min­ne­soty Lawrence Rudnick. Zain­try­go­wały go właśnie analizy mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła, a kon­kret­niej tajem­ni­cza nie­bie­ska plama, wid­nie­jąca przy dolnej prawej krawędzi zdjęcia wyko­na­nego przez sondę WMAP. Mając do dys­po­zy­cji radio­te­le­skop Very Large Array w Nowym Meksyku, Rudnick posta­no­wił jako pierwszy przyj­rzeć się bliżej “zimnemu punktowi”. Badania tego rejonu nieba wykazały brak wyraź­nych źródeł sygnałów radio­wych na obszarze 280 mega­par­se­ków, czyli niemal miliarda lat świetl­nych. W ten sposób potwier­dzono ist­nie­nie rekor­do­wego bąbla pozba­wio­nego kwazarów, gromad i jakich­kol­wiek więk­szych skupisk galaktyk, a przy­pusz­czal­nie również ciemnej materii.

Czy my żyjemy w pustce?

Żeby nie było wąt­pli­wo­ści – nie sądź, że kosmiczne pustki to sektory zupełnie wyzute z materii. Tak jak na pustyni podróż­nik może natrafić na oazę, tak ciemne prze­strze­nie pomiędzy włóknami zawsze skrywają nieco roz­rzu­co­nych obiektów. Dla przy­kładu, wewnątrz przy­wo­ła­nej Pustki w Wolarzu udało się zare­je­stro­wać już ponad 60 galaktyk. Nie ma również powodów aby sądzić, że Wielka Pustka nie posiada żadnej zawar­to­ści, choć bez wąt­pie­nia natę­że­nie poten­cjal­nych galaktyk jest tam znacznie niższe od prze­cięt­nej.

Nasuwa się tu jednak pytanie. Skoro w pustych obsza­rach również wystę­pują galak­tyki i gwiazdy, skąd pewność, że sami nie znaj­du­jemy się w tego typu bańce?

Otóż nie ma takiej pewności. Masz prawo czuć się zasko­czony takim pomysłem, zwłasz­cza w świetle tego, co pisałem na początku. Wszakże Droga Mleczna nie wydaje się szcze­gól­nie osa­mot­niona, trzy­ma­jąc się blisko Grupy Lokalnej i swej super­gro­mady. Nikt jednak nie powie­dział, że formacje te łączą się z innymi struk­tu­rami i stanowią część jakiegoś włókna. Nie da się wyklu­czyć sce­na­riu­sza, w którym nasza galak­tyczna rodzina to jedynie szereg wypry­sków, lśnią­cych na tle ogromnej kosmicz­nej czeluści. My sami mamy problem z oceną własnej okolicy i na dobrą sprawę nie wiemy, czy to, co wydaje nam się metro­po­lią w rze­czy­wi­sto­ści nie stanowi zapusz­czo­nego wygwiz­dowa, odda­lo­nego o wiele parseków od rze­czy­wi­stego centrum.

Taką hipotezę w 2013 przed­sta­wił tercet astro­no­mów Ryan Keenan, Amy J. Barger oraz Lennox L. Cowie, w artykule Evidence for a ~300 Mpc Scale Under-density in the Local Galaxy Distri­bu­tion. Zasu­ge­ro­wali w nim, iż w odle­głych struk­tu­rach może wystę­po­wać znacznie wyższa gęstość materii, niż w naj­bliż­szym poło­że­niu naszej galak­tyki. Takie poło­że­nie Drogi Mlecznej mogłoby tłu­ma­czyć pewne anomalie uwi­dacz­nia­jące się przy pomia­rach roz­sze­rza­nia wszech­świata i ogólnie ogra­ni­czać naszą per­cep­cję. Loka­li­za­cja miliony lat świetl­nych od poważ­nych skupisk galaktyk ozna­cza­łaby wręcz uwię­zie­nie Ziemi w kosmicz­nej izolatce, co poniekąd tłu­ma­czy­łoby takie kwestie jak choćby popu­larny paradoks Fermiego (a wła­ści­wie jego wersję posze­rzoną o obce galak­tyki).

Pustka KBC, o ile istnieje, może liczyć nawet 2 miliardy lat świetl­nych średnicy. Nawet przyj­mu­jąc, że na jej obszarze wystę­puje większa obfitość galaktyk niż wewnątrz Wielkiej Pustki, i tak ma ona spore szanse na zgar­nię­cie miana rekor­do­wej kosmicz­nej pustki.

Literatura uzupełniająca:
C. Galfard, Wszechświat w twojej dłoni, przeł. S. Paruszewski, Warszawa 2017;
F. Hsia-San Shu, Galaktyki, gwiazdy, życie. Fizyka Wszechświata, przeł. S. Bajtlik, Kraków 2003;
M. Jaroszyński, Galaktyki i budowa wszechświata, Warszawa 1993;
E. Siegel, We’re Way Below Average! Astronomers Say Milky Way Resides In A Great Cosmic Void, [online: forbes.com/sites/startswithabang/2017/06/07/were-way-below-average-astronomers-say-milky-way-resides-in-a-great-cosmic-void/#7f4221ee6d05];
L. Rudnick, S. Brown, L. Williams, Extragalactic Radio Sources and the WMAP Cold spot, [online: arxiv.org/pdf/0704.0908.pdf].