Nieboskłon potrafi oczarować widokiem bezkresnego oceanu świecących punkcików. Aż trudno uwierzyć, że wszystkie istniejące gwiazdy stanowią zaledwie 0,15% składu wszechświata.

To wstyd, że domi­nu­jące formy materii we wszech­świe­cie pozo­stają hipo­te­tyczne.

Jim Peebles

Kosmiczny spis inwentarza

Kiedy weź­mie­cie w ręce pierwszą lepszą książkę popu­lar­no­nau­kową doty­czącą sfery kosmo­lo­gii lub astro­no­mii, niemal na pewno dosta­nie­cie w twarz wykresem przy­po­mi­na­ją­cym, jak niewiele wciąż wiemy o struk­tu­rze wszech­świata. Z tych prac dowiecie się, że cała kla­syczna, świecąca materia stanowi co najwyżej marne 5% kosmicz­nego bilansu masy/energii, podczas gdy za pozo­stałe 95% odpo­wia­dają nie­wi­dzialne twory pod postacią ciemnej materii oraz ciemnej energii. To ciekawa i jak naj­bar­dziej istotna wia­do­mość, ale wszyst­kie te książki zawsze pozo­sta­wiały mnie z poczu­ciem nie­do­sytu. Bo czym wła­ści­wie jest owo 5%? Okej, możemy na szybko wymienić parę ele­men­tów: gwiazdy, mgławice, pulsary, planety, czarne dziury i tak dalej. Ale co ze szcze­gó­łami? Z jakimi pro­por­cjami w obrębie tych nie­szczę­snych 5% mamy do czy­nie­nia?

Przez długi czas byłem prze­ko­nany, że po prostu współ­cze­sna nauka nie operuje dosta­tecz­nymi infor­ma­cjami na ten temat, i w naj­lep­szym przy­padku pozwala na strze­le­nie jakimiś bardzo roz­my­tymi liczbami. Potem jednak trafiłem na perełkę: publi­ka­cję zespołu Jamesa Peeblesa (dla nie­obe­zna­nych: świa­to­wej sławy ekspert w bada­niach nad ciemną materią i eks­pan­sją wszech­świata). Zawiera ona tabelę oraz sta­ty­styki wraz ze skru­pu­lat­nymi sza­cun­kami dla wszyst­kich znanych (oraz tych dopiero badanych) skład­ni­ków fizycz­nej rze­czy­wi­sto­ści – w ramach powszech­nie przyj­mo­wa­nego modelu λCDM. Poniżej zamiesz­czam jej uprosz­czoną wersję.

“Ciemny” sektor
95,4%
Ciemna energia72,4%
Ciemna materia23%
Materia bario­nowa
4,5%
WHIM (Warm–hot Inter­ga­lac­tic Medium) 4%
ICM (Intrac­lu­ster Medium)0,18%
Gwiazdy ciągu głównego0,15%
Neu­tralny gaz w galak­ty­kach0,062%
Białe karły0,036%
Obłoki mole­ku­larne 0,016%
Brązowe karły0,014%
Czarne dziury 0,007%
Gwiazdy neu­tro­nowe 0,005%
Planety0,000001%
Pro­mie­nio­wa­nie tła0,1%
Energia gra­wi­ta­cyjna
0,000015%
Energia pocho­dząca z reakcji ter­mo­ją­dro­wych0,000006%
Kosmiczne neutrina0,000003%
Pro­mie­nio­wa­nie pocho­dzące z gwiazd
0,000002%
Energia kine­tyczna ośrodka mię­dzy­ga­lak­tycz­nego0,00000001%

Publi­ka­cja oferuje znacznie więcej cennych wia­do­mo­ści niż mógłbym sobie życzyć. Autorzy badań podeszli do sprawy z nad­zwy­czajną szcze­gó­ło­wo­ścią, roz­bi­ja­jąc niemal każdy element kosmicz­nej ukła­danki na czynniki pierwsze (co dla zwięk­sze­nia czy­tel­no­ści upro­ści­łem, kon­so­li­du­jąc niektóre pozycje). Zwróćmy uwagę, iż szacunki uwzględ­niają nie tylko wartości obiektów mate­rial­nych, ale także odnoszą się do prze­róż­nych typów pro­mie­nio­wa­nia oraz innych prze­ja­wów energii. Ich wkład może nie wydaje się pro­por­cjo­nal­nie zbyt znaczący, ale nadal mówimy o nie­ba­ga­tel­nych war­to­ściach. Żeby to lepiej zilu­stro­wać, spójrzmy na przykład fal gra­wi­ta­cyj­nych. Jak zapewne pamię­ta­cie, we wrześniu 2015 roku inter­fe­ro­me­try LIGO zare­je­stro­wały zabu­rze­nie cza­so­prze­strzeni, powstałe w wyniku zde­rze­nia dwóch czarnych dziur. W momencie kolizji powstał jeden obiekt o masie 62 razy większej od Słońca, choć suma obu dziur wynosiła aż 65 Słońc. Oczy­wi­ście w przy­ro­dzie nic nie ginie, a jedynie zmienia formę. Bra­ku­jące 3 masy Słońca uległy kon­wer­sji w potężne fale gra­wi­ta­cyjne, które prze­to­czyły się przez prze­strzeń, docie­ra­jąc również do naszej planety. Może to niezbyt impo­nu­jące z per­spek­tywy kosmosu, ale z ludz­kiego punktu widzenia mowa o mon­stru­al­nych porcjach energii, których nie wypada ot tak lek­ce­wa­żyć.

5% wszechświata

Dla nas jednak, naj­bar­dziej inte­re­su­jące są sta­ty­styki doty­czące materii bario­no­wej – tj. wszyst­kiego, co składa się ze starych dobrych protonów i neu­tro­nów. U nie­któ­rych z was (zwłasz­cza u tych, którzy nie czytali dawnych tekstów) powyższe liczby mogą wywołać lekki zawrót głowy. Nie dość, że kla­syczne atomy i molekuły stanowią mniej niż 5% składu kosmicz­nej zupy, to jeszcze zde­cy­do­wana więk­szość tego ułamka ulo­ko­wana jest w innych miej­scach niż gwiazdy i pozo­stałe ciała nie­bie­skie. To nie­sa­mo­wity fakt, który pomija wiele popu­lar­nych opra­co­wań.

Materia barionowa we wszechświecie

Około 90% masy całej ist­nie­ją­cej materii bario­no­wej zawiera się w struk­tu­rach, które zbiorczo mogli­by­śmy nazwać medium czy ośrod­kiem mię­dzy­ga­lak­tycz­nym. WHIM, ICM czy bańki Lyman-alfa nie są żadnymi zwartymi obiek­tami, lecz chmurami zjo­ni­zo­wa­nych gazów o gigan­tycz­nych roz­mia­rach, spo­wi­ja­ją­cymi całe galak­tyki lub wypeł­nia­ją­cymi prze­pastne prze­strze­nie pomiędzy nimi. Z uwagi na ogromne roz­rze­dze­nie pozo­stają one nie­uchwytne dla więk­szo­ści tele­sko­pów i przez bardzo długi czas nie mieliśmy zie­lo­nego pojęcia o ich ist­nie­niu, nie wspo­mi­na­jąc o bliższym poznaniu ich wła­ści­wo­ści. A przecież mowa o tworach obej­mu­ją­cych setki tysięcy czy nawet miliony lat świetl­nych, które siłą rzeczy mają olbrzymi wpływ na kształt i ewolucję kosmosu.

Resztki

Wśród ciał nie­bie­skich suma­rycz­nie naj­więk­szą masą dys­po­nują – co nie powinno nikogo dziwić – gwiazdy ciągu głównego. Chodzi przede wszyst­kim o czerwone i żółte karły – gwiazdy sto­sun­kowo nie­wiel­kie, ale zde­cy­do­wa­nie naj­licz­niej­sze, naj­sta­bil­niej­sze i cieszące się naj­dłuż­szym życiem. W dalszej kolej­no­ści należy roz­pa­try­wać zde­ge­ne­ro­wane pozo­sta­ło­ści po śmierci gwiazd. Dominują białe karły, czyli maleńkie i blade truchła prze­cięt­nych gwiazd, podob­nych do naszego Słońca. Całkiem dużo materii gromadzą też wszel­kiego rodzaju mgławice i obłoki mole­ku­larne, będące naj­czę­ściej także kosmicz­nymi żłobkami dla nowo­na­ro­dzo­nych gwiazd. Bardziej zaska­ku­jąca wydaje się pozycja brą­zo­wych karłów, czy mówiąc szerzej sub­stel­lar objects – ciał dorod­niej­szych niż planety, ale jed­no­cze­śnie zbyt małych dla pod­trzy­ma­nia reakcji ter­mo­ją­dro­wych. Astro­no­mo­wie bardzo powoli odkry­wają tego rodzaju nie­wy­da­rzone gwiazdy (w końcu są małe i ciemne), ale wiele wskazuje na to, że ich liczba w prze­cięt­nej galak­tyce powinna iść w grube miliardy. Jeśli tak rze­czy­wi­ście jest, to łączna masa brą­zo­wych karłów może okazać się większa nie tylko od masy planet, ale również gwiazd neu­tro­no­wych, a nawet czarnych dziur.

Te ostatnie, jak na zło­wiesz­cze monstra, mogą roz­cza­ro­wy­wać. Musimy być jednak świadomi, że sta­ty­stycz­nie tylko kilka procent gwiazd posiada odpo­wied­nie warunki (czyt. dosta­teczną masę), aby eks­plo­do­wać jako super­nowa, a następ­nie ufor­mo­wać czy to gwiazdę neu­tro­nową, czy czarną dziurę. A nawet jeśli do tego dojdzie, to prze­ciętna czarna dziura może pochwa­lić się masą rzędu kil­ku­na­stu Słońc (a pulsar jeszcze mniejszą). Medialne potwory – jak zare­je­stro­wana niedawno przez Teleskop Hory­zontu Zdarzeń dziura w M87, o masach idących w miliardy Słońc – to okazy wyjąt­kowe w skali wszech­świata.

Literatura uzupełniająca:
M. Fukugita, P. J. Peebles, The Cosmic Energy Inventory, [online: https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March04/Fukugita/frames.html];
S. Ehlerova, Structures in the Interstellar Medium, [w:] From Socmological Structures to the Milky Web, pod red. S. Röser, Weinheim 2005;
P. Halpern, Nasz inny Wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014.
  • Mpmp Pmpm

    W rze­czy­wi­sto­ści we wszech­świe­cie nic nie ma, to tylko pomięte 4-wymia­rowe prze­ście­ra­dło. Materia to tylko spe­cy­ficzny rodzaj “pomięcia”.

  • Don Wasyl

    “Medialne potwory – jak zare­je­stro­wana niedawno przez Teleskop Hory­zontu Zdarzeń dziura w M87, o masach idących w miliardy Słońc – to okazy wyjąt­kowe w skali wszech­świata.”
    Czy na pewno takie wyjąt­kowe? Według kosmo­lo­gów przecież super­ma­sywne czarne dziury mają znaj­do­wać się w centrum każdej galak­tyki.
    Jeśli chodzi o rozkład masy Wszech­świata, to pytanie jak to przed­sta­wia się poza gra­ni­cami widzial­nego kosmosu, wszakże według nie­któ­rych wieczna inflacja ciągle postę­puje, tworząc nową materię i energię…

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

      Ależ oczy­wi­ście, ale właśnie dlatego piszę o wyjąt­ko­wo­ści. Na jedną galak­tykę przypada jedna super­ma­sywna czarna dziura (i to często nie o masie miliar­dów Słońc lecz najwyżej kilku milionów), ale jed­no­cze­śnie w każdej galak­tyce może istnieć kilka milionów małych czarnych dziur. To oznacza, że te super­ma­sywne potwory nie stanowią nawet promila ogółu.

      “jak to przed­sta­wia się poza gra­ni­cami widzial­nego kosmosu”

      Ciekawy wątek, który poru­szy­łem tu: https://www.kwantowo.pl/2017/12/16/tldr-co-lezy-poza-wszechswiatem-obserwowalnym/

  • Kamil

    …Jamesa Peeblesa (dla nie­obe­zna­nych: noblista, ekspert w bada­niach nad ciemną materią i eks­pan­sją wszech­świata).

    Czy na pewno noblista? W inter­ne­cie nie mogłem nic znaleźć na ten temat.

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

      Dzięki za czujność. Pomyłka stąd, że kiedyś (w 2011 czy 2012 roku) pisałem jakiś tekst, w którym wymie­nia­łem ówcze­snych fawo­ry­tów do Nagrody Nobla. Ale rze­czy­wi­ście, ku mojemu roz­cza­ro­wa­niu Jim Peebles w końcu wyróż­nie­nia nie otrzymał.

      Mam nadzieję, że jeszcze się to zmieni, bo niewielu spośród żyjących jest tak zasłu­żo­nych dla kosmo­lo­gii jak Kana­dyj­czyk.

      • kwantol

        Też mam taką nadzieję, że Jams Peebles otrzyma nagrodę Nobla i tradycji stanie się zadość,gdyż od pewnego czasu przy­znaje się tę nagrodę za zaj­mo­wa­nie się nie­ist­nie­ją­cymi rzeczami. Ciemna materia i eks­pan­sja wszech­świata to tematy w sam raz.

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

      Edit: kilka miesięcy minęło i Peebles jednak dołączył do grona nobli­stów. 😉

  • Adramel

    A tu chodzi o masę obser­wo­wal­nego wszech­świata, czy o masę całego nie­skoń­czo­nego wszech­świata?
    Czy może być tak że w tym nie­skoń­cze­nie wielkim wszech­świe­cie rozkład barionów jest inny, przy zacho­wa­niu jed­no­rod­no­ści wszech­świata? Że ta nasz malutka obser­wo­walna część jest “wyrów­ny­wana” przez nie­skoń­czo­ność?

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

      Znów odsyłam do tego tekstu: https://www.kwantowo.pl/2017/12/16/tldr-co-lezy-poza-wszechswiatem-obserwowalnym/ To są pro­por­cje wyli­czone na pod­sta­wie badań ale też teorii i współ­cze­snych modeli kosmo­lo­gicz­nych. Powinny odnosić się zarówno do wszech­świata obser­wo­wal­nego jak również wszech­świata jako całości, bo nie ma powodu, aby poza naszą “bańką” kosmos prze­ja­wiał inne wła­ści­wo­ści. Wszystko co wiemy wspiera tezę o jed­no­li­to­ści i izo­tro­pii.

  • Teresa

    No właśnie, w kon­tek­ście tego 4-wymia­ro­wego pomię­tego prze­ście­ra­dła, którym jest cza­so­prze­strzeń — arena zjawisk fizycz­nych — to składa się na nią chyba cały ten wyżej wymie­niony inwen­tarz kosmiczny. Mimo to trudno sobie jakoś wyobra­zić w czym tak naprawdę masywny obiekt tworzy zagłę­bie­nie, no bo nie wisi sobie przecież w próżni.

  • Michał Skichał

    Bardzo fajna cie­ka­wostka. Dziękuję!

  • Mar­ko­nius

    Ciekawa sta­ty­styka ale przyznam, że zupełnie nie podoba mi się sposób jej podania.
    Jedyny nie­wąt­pliwy konkret, tj. odpo­wiedź na pytanie „czym wła­ści­wie jest owo 5%”, bez­piecz­niej potrak­to­wać jako całość i podać udziały skład­ni­ków sumo­walne do 100% (nota bene – tu się nie sumują, do 4,5%, brakuje 0,03%), np.

    — medium mię­dzy­gwiaz­do­we/-galak­tycz­ner ~ 94,6%;
    — gwiazdy i ich pozo­sta­ło­ści ~ 4,7%;
    — pomi­nięty składnik ? ~ 0,7%;
    — planety ~ zanie­dby­walne 0,00002%;

    Primo, takie dane można pojąć i zapa­mię­tać, a poda­wa­nie mikro­sko­pij­nych udziałów w hipo­te­tycz­nej całości jest mało poglą­dowe.

    Secundo, być może ową hipo­te­tyczną całość przyj­dzie jeszcze kiedyś „odszcze­kać”.
    Obecnie domi­nu­jące wyja­śnie­nie szyb­kiego wiro­wa­nia galaktyk i ich gromad to “powszech­nie przyj­mo­wany model λCDM” ale nie jest jedyne wyja­śnie­nie i jak dotąd — nie potwier­dzone eks­pe­ry­men­tal­nie! Lektura Świata Nauki uzmy­sło­wiła mi, że jeszcze żaden z licznych eks­pe­ry­men­tów podej­mo­wa­nych od lat 80-tych nie potwier­dził ist­nie­nia ciemnej materii. W szcze­gól­no­ści ostatnia seria „eks­pe­ry­men­tów kse­no­no­wych” (USA, Chiny, Włochy, Japonia) nie dostar­czyła żadnych oznak ist­nie­nia ciemnych cząstek, podobnie jak badania z LHC w CERN. Znane są inne obie­cu­jące wyja­śnie­nia jak np. zmo­dy­fi­ko­wana gra­wi­ta­cji (poprawki równań OTW), które jednak nie są tak inten­syw­nie wery­fi­ko­wane jak „ciemna hipoteza” ale wg mnie są bardzo obie­cu­jące.

    • Mar­ko­nius

      Mój zarzut dotyczy oczy­wi­ście podej­ścia przy­ję­tego w publi­ka­cji zespołu Jamesa Peeblesa, nie powyż­szego artykułu, który nam udo­stęp­nia te rewe­la­cje w przy­stęp­nej formie — za co wielkie dzięki!