Ile czego jest we wszechświecie?

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.
Kwanty w praniu – 7 zastosowań mechaniki kwantowej Złowieszczy pik-pik. O promieniowaniu i jego detekcji 10 naukowych wydarzeń na pożegnanie lat dziesiątych XXI wieku