Skoro wszechświat rośnie, to dlaczego Andromeda się zbliża?

Kontynuując wątek ekspansji wszechświata, zajmijmy się kolejnym często spotykanym pytaniem. Skoro przestrzeń rośnie puchnąc w każdym miejscu, to dlaczego niektóre galaktyki lgną ku sobie, zamiast od siebie uciekać?

Krótko. Bo grawitacja.

Proponuję abyśmy wystartowali od pytania pokrewnego, które już kilkukrotnie obiło mi się o uszy. Edwin Hubble dostrzegł, że światło odległych galaktyk jest przesunięte ku czerwieni, więc te najwyraźniej się oddalają. Ale czy wszechświat rośnie dosłownie wszędzie? Czy na przykład teraz, w Twoim pokoju przestrzeń również puchnie? A jeśli tak, to czy rozszerzanie każdego skrawka kosmosu nie powinno powodować, że oddala się wszystko od wszystkiego? Krzesło od biurka, atom od atomu? Implikacje takiego założenia byłyby straszliwe: nie mogłaby zaistnieć Droga Mleczna, Układ Słoneczny, ani nawet materia budująca nasze ciała.

Prawdopodobnie większość z czytających słusznie przeczuwa, że nie ma mowy o żadnym paradoksie. Przestrzeń może się powiększać, jednocześnie nie naruszając struktur połączonych odpowiednio wytrzymałym spoiwem, przez które rozumiem oddziaływania podstawowe. Atomy pozostają zlepione za sprawą solidnego elektromagnetyzmu i jeszcze mocniejszego jądrowego oddziaływania silnego. Sprawa nieco komplikuje się przy grawitacji, ponieważ jak wspominałem w innym tekście, przyciąganie grawitacyjne jest naprawdę beznadziejnie słabe. W związku z tym, najbliższa nam siła potrafi stawić czoła ciśnieniu rozpychającemu wszechświat – ale tylko do pewnego momentu – ustępując mu pola na większych dystansach.

Być może rozciąganie przestrzeni to wynik działania ciemnej energii, być może innej “siły” bądź nieznanej właściwości próżni. Jednak bez względu na przyczynę, istotna dla nas jest skala tego zjawiska. Jako jej najbardziej oczywistą manifestację możemy traktować starą dobrą stałą Hubble’a, opisującą tempo ekspansji. Wedle aktualnych pomiarów, wszechświat powiększa swe rozmiary w tempie około 70 km/s na każdy megaparsek (czyli na każde 3,26 mln lat świetlnych). Wartość ta wydaje się spora, ale to iluzja. Wystarczy spojrzeć na stałą Hubble’a z nieco bardziej prowincjonalnej perspektywy i odnieść ją do mniej abstrakcyjnych dystansów. Dwa obiekty oddalone tylko o 1 rok świetlny, w myśl tej samej zasady, uciekałyby od siebie w tempie zaledwie… około 75 m/h (tak, świadomie zmieniłem jednostki). W przypadku odległości ziemskich mowa już o centymetrach w skali roku, co oznacza, że lokalnie przestrzeń pęcznieje w tempie porównywalnym do dryfu kontynentalnego.

Z drugiej strony mamy prędkość ucieczki, konieczną do wyrwania się z grawitacyjnej pułapki. W przypadku Ziemi wynosi ona 11,2 km/s, zaś do uwolnienia się od obiektu o masie Słońca, należy uzyskać aż 617 km/s. Wspominam o tych wartościach po to, aby zobrazować anemiczność lokalnej ekspansji wszechświata. Charakterystyka energii rozciągającej przestrzeń (czymkolwiek jest) sprawia, że zyskuje ona na znaczeniu dopiero w skali kosmologicznej, nie wpływając na nasze najbliższe sąsiedztwo. Trudno nakreślić konkretną granicę, w której grawitacja oddaje głos procesowi ekspansji (nawet stała Hubble’a jest co chwila doprecyzowywana). Jako takiego pojęcia dostarczają nam obserwacje astronomiczne. Widzimy jak na dłoni, iż grawitacja z powodzeniem trzyma w ryzach układy planetarne, spaja całe galaktyki i jak się okazuje, również struktury ponadgalaktyczne. Już badania Hubble’a wykazały interesującą zależność. Choć światło zdecydowanej większości podglądanych galaktyk wykazuje przesunięcie ku czerwieni, to widmo stosunkowo bliskiej galaktyki Andromedy, przekornie, pozostaje przesunięte ku niebieskiemu. Innymi słowy, podczas gdy statystycznie galaktyki od nas (i siebie nawzajem) uciekają, sąsiadka Drogi Mlecznej ewidentnie śpieszy w naszym kierunku z wizytą.

Ekspansja przestrzeni kontra grawitacja

Poza Andromedą, ściśle powiązanych grawitacyjnie pozostaje z nami przynajmniej 50 galaktyk. Razem tworzymy spójny, mierzący około 10 mln lat świetlnych średnicy układ, zwany Grupą Lokalną. Wyżej mamy do czynienia z gromadami, supergromadami oraz strukturami wielkoskalowymi, i na tym szczeblu więzy grawitacyjne zaczynają wyraźnie słabnąć. Galaktyki z oddalonej o 50 mln lat świetlnych gromady w Pannie wykazują już lekkie przesunięcie ku czerwieni, toteż odległości między nami rosną. Oczywiście wchodząc w niuanse, rzecz staje się nieco bardziej skomplikowana i trafiamy na pewne wyjątki. Zdarzają się obiekty bardzo odległe, ale jak na złość charakteryzujące się przesunięciem ku niebieskiej części widma. Pamiętaj, że siła grawitacji pozostaje wypadkową odległości oraz masy przyciągających się ciał. Chociaż więc grawitacja dwóch galaktycznych grup lub gromad, co do zasady, na pewnym dystansie przegrywa z ekspansją wszechświata; to jednak nadal mogą być one wabione przez ekstremalnie masywne wielkoskalowe struktury. Przykładem takiego zjawiska pozostaje ściąganie Drogi Mlecznej i jej otoczenia przez gigantyczne skupisko materii zwane Wielkim Atraktorem.

Włókna galaktyczne

Wynikiem nieustannej rywalizacji pomiędzy grawitacją i rozszerzaniem przestrzeni, jest charakterystyczna gąbczasta kompozycja wszechświata. Oddziaływanie grawitacyjne w miarę swoich możliwości ściąga całą materię w potężne galaktyczne włókna i węzły, zaś te od siebie uciekają, rozdzielone stale rosnącymi sektorami kosmicznych pustek. Mamy więc do czynienia z kosmiczną siecią, globalnie rozciąganą i rozpraszaną pod dyktando ekspansji wszechświata. Na koniec warto przypomnieć, że zgodnie z aktualnym stanem wiedzy, dynamika wszechświata nieustannie wzrasta. Możemy więc założyć, że w odległej przyszłości przewaga ekspansji nad grawitacją będzie już tylko rosła. W związku z powyższym nie możemy wykluczyć, że za setki miliardów lat, zamiast galaktycznej sieci ostaną się tylko samotne, zwarte skupiska materii, odizolowane od siebie nieprawdopodobnie przepastnymi obszarami próżni.

Ziemia jest brzydulą? Odczepcie się od niej! Wszyscy jesteście puści Czy wszechświat jest płaski?