Wielkie, przepastne nic – o kosmicznych pustkach

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 materii i kosmiczne pustki
Włókna w strukturze wszechświata z widocznymi obszarami kosmicznych pustek.

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
Wielka Pustka i jej położenie na “mapie” obserwowalnego wszechświata.

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].
Człowiek, który wiedział wszystko – Thomas Young 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji New Horizons Niezbyt ciekawy tekst o naprawdę ciekawych liczbach