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.

Ciut dłużej.
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 galaktyczneWynikiem 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.

  • m

    Na serio poja­wiają się takie pytania o Andro­medę? Dla mnie to zawsze było porów­ny­walne z pytaniem “skoro prze­strzeń się roz­sze­rza to czemu idąc do sklepu się do niego przy­bli­żam zamiast oddalać” albo w bardziej kosmicz­nej skali “skoro (…) to czemu Ziemia krąży wokół Słońca zamiast od niego uciekać”

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Serio i to w różnych kon­fi­gu­ra­cjach. Pomy­śla­łem, że może to być dobry pretekst, żeby podejść do tematu ciut bliżej i spraw­dzić dokład­niej co i kiedy się przy­ciąga, a co i kiedy się oddala.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • arthy

        Postu­luje o popeł­nie­nie obszer­nego tekstu na ten temat.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • http://www.kf2.pl/ Marcin K.

    Co jest na obrazku ze strzał­kami?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Wszech­świat w naj­więk­szej skali, tj. struk­tury wiel­ko­ska­lowe oraz obszary kosmicz­nych pustek.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • http://www.kf2.pl/ Marcin K.

        Ale co ozna­czają strzałki? Odchy­le­nie światła do czer­wieni i nie­bie­skiego?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

        Nieee, to po prostu uprosz­czona do minimum grafika, gdzie czerwone strzałki sym­bo­li­zują ścią­ga­nie materii przez gra­wi­ta­cję, a nie­bie­skie globalne roz­sze­rza­nie wszech­świata. Ale jak tak napi­sa­łeś, to rze­czy­wi­ście kolory można by na wszelki wypadek odwrócić.

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • arthy

    Odnosząc się do ostat­niego akapitu to ludzkość ma ogromne szczę­ście, że wyewo­lu­owała akurat teraz i może te wszyst­kie zmiany badać. Gdybyśmy się pojawili za rzeczone setki miliar­dów lat to można by pomyśleć, że istnieje tylko jedna galak­tyka stwo­rzona spe­cjal­nie dla nas.
    Choć z drugiej strony może na pod­sta­wie mikro­fa­lo­wego pro­mie­nio­wa­nia tła ogar­nę­li­by­śmy jak wyglądał wszech­świat wcze­śniej.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Jednak zwró­ci­łeś uwagę na ciekawą per­spek­tywę. Rze­czy­wi­ście taka cywi­li­za­cja mogłaby dojść do wniosku, że jej galak­tyka to cały wszech­świat, nawet gdyby była zaawan­so­wana tech­nicz­nie. Pro­mie­nio­wa­nie tła dałoby im pewne poszlaki, ale jednak ist­nie­nie innych galaktyk pozo­sta­łoby zapewne jedynie słabą hipotezą.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • Michał

      Dokład­nie o tym samym temacie, niedawno roz­my­śla­łem. Tutaj także to zauwa­żono — https://www.youtube.com/watch?v=QMkcGMRQ6Xo

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Jasio­Zbuk

    Czy prędkość ucieczki ok. 600 km/s to nie jest prędkość ucieczki liczona z powierzchni słońca? To chyba nie do końca jest np. prędkość ucieczki z układu sło­necz­nego jeśli się jest na powierzchni ziemi?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • https://www.kwantowo.pl/ Adam Adamczyk

      Masz słusz­ność. Na “wyso­ko­ści” orbity ziem­skiej, prędkość ucieczki wyniesie około 40 km/s.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Jasio­Zbuk

        Tak się zacząłem zasta­na­wiać już czy przy­pad­kiem Voyager nie osiągnął jakichś zawrot­nych pręd­ko­ści ale wszystko jest w porządku 🙂

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

      • Gesiu Galaz

        a nie 16,7km/s?

        Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • ot-to Hhh

    Ludzkość ma trochę więcej szczę­ścia. Mogła wyewo­lu­ować na planecie o tak gęstej i nie­przej­rzy­stej atmos­fe­rze ze nie byłoby widać gwiazd. Mogła wyewo­lu­ować w wodzie gdzie pewnie nie powsta­łaby cywi­li­za­cja tech­niczna bo do wytopu metali potrzeba tlenu. Zresztą to samo tyczy się atmos­fery pozba­wio­nej tlenu — nie paliłyby się ogniska i nigdy by nie nastała epoka brązu za sprawą pewnie jakiegoś przy­pad­ko­wego wytopu tego metalu przy okazji palenia tych ognisk. Mogła wyewo­lu­ować na planecie o np 4 krotnie większej sile gra­wi­ta­cji i wysłanie rakiety w kosmos z jej powierzchni byłoby dożo bardziej pro­ble­ma­tyczne niz na ziemi.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Łoren

    Skąd wiemy, że Wszech­świat się roz­sze­rza skoro my i wszystko wokół nas rosnie razem z nim, a więc wszyst­kie przy­miary i jed­nostki odle­glo­sci którymi go mierzymy. Tu z pomocą przy­cho­dzi prze­su­nię­cie ku czerwni ale czy gdyby nie to zjawisko mogli­by­smy dojsć do wniosku, że wszech­świat się roz­sze­rza?

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • kuba_wu

      No więc właśnie nie; siły które ustalają rozmiary atomów, wiązań, struk­turę krysz­ta­łów, a więc w efekcie rozmiary przed­mio­tów, nie zmie­niają się (obser­wa­cje wskazują że stałe fizyczne są fak­tycz­nie stałe od miliar­dów lat, np. stała struk­tury sub­tel­nej). To samo odnosi się do struktur gra­wi­ta­cyj­nych w skali galak­tyki. To roz­sze­rza­nie dzieje się głównie tam, gdzie inne oddzia­ły­wa­nia słabną — puchnie pusta prze­strzeń — masz o tym w notce.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0