Czy mikrofalowe promieniowanie tła zaniknie?

Każdy centymetr sześcienny przestrzeni kosmicznej wypełniają prastare fotony, niosące informacje o pierwszych etapach ewolucji wszechświata. Ale czy promieniowanie reliktowe będzie nam towarzyszyć już zawsze?

Krótko. Mikrofalowe promieniowanie tła nie jest wolne od zasad termodynamiki, więc rzecz jasna, jego zagęszczenie i temperatura powoli, ale nieustannie spadają. Trochę to potrwa, ale za 150-200 miliardów lat fotony resztkowe staną się technicznie niewykrywalne.

Jesienią 1948 roku na łamach czasopisma Nature pojawił się artykuł, który – jak pokazał dalszy bieg wypadków – zawierał jedno z najtrafniejszych przewidywań w dziejach kosmologii. Podopieczni sławnego George’a Gamowa, Ralph Alpher i Robert Herman, przedstawili w nim wyliczenia i konkluzje, które zadziwiły sporą część środowiska naukowego. Była to bowiem pierwsza publikacja zawierająca szacunki “obecnej temperatury wszechświata, mającej wynosić około 5 K”. Zdaniem teoretyków miał być to ledwie wyczuwalny, ale wszechobecny relikt termiczny po “kuli ognistej”, jaka wypełniała wszechświat w wieku niemowlęcym, tuż po wielkim wybuchu. Siedemnaście lat później mikrofale o postulowanej charakterystyce rzeczywiście zostały zarejestrowane, za sprawą dwóch inżynierów pracujących nad zupełnie innym problemem. Młodzi badacze, choć początkowo nie zdawali sobie z tego sprawy, potknęli się o Świętego Graala kosmologii i zapewnili sobie jedną z najbardziej zaskakujących Nagród Nobla w dziedzinie fizyki.

Obecnie, dzięki pomiarom satelitów COBE, WMAP, Planck i innych nowoczesnych zabawek, wiemy, że mikrofalowe promieniowanie tła (CMB, ang. Cosmic Microwave Background) odpowiada temperaturze 2,72 K lub, używając bliższej nam skali, -270,4°C[1].

Mikrofalowe promieniowanie tła CMB
Coraz dokładniejsze pomiary mikrofalowego promieniowania tła w wykonaniu satelitów COBE (Cosmic Background Explorer), WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) oraz Planck. Wyłapane różnice w temperaturze nie przekraczają tysięcznych części kelwina, co oznacza, że CMB jest mocno jednorodne.

Nie jest to wartość stała i ewoluuje wraz z całym wszechświatem. Według najpowszechniej przyjmowanego modelu, pierwotne fotony zostały wyemitowane 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu i na starcie nosiły temperaturę 3000 K. Dlaczego akurat taką? Wszechświat w wieku niemowlęcym był na tyle mały i zagęszczony, że rozdygotane cząstki nie były jeszcze w stanie uformować stabilnych atomów, tworząc rozpaloną, nieprzenikalną kulę plazmy[2]. Ówczesny kosmos przypominał kiepsko przygotowaną imprezę masową, podczas której goście utknęli na zbyt małej sali, wszyscy są poobijani i nikt nie może przedrzeć się do wyjścia. Dopiero po jakimś czasie zrobiło się na tyle luźno, że elektrony były w stanie wskoczyć na parkiet z protonami, dając początek obojętnym elektrycznie atomom wodoru, a oswobodzone fotony pomknęły wreszcie we wszystkich kierunkach z prędkością światła.

Fizycy nazywają ten moment rekombinacją, wskazując że mógł on nastąpić dopiero, gdy wszechświat ostygł do około 3 tysięcy kelwinów (to połowa temperatury powierzchni Słońca). Był to równocześnie punkt wyjścia dla promieniowania tła, zaczęło ulegać ekspresowemu rozrzedzaniu. Wystarczył miliard lat, aby temperatura spadła z piekielnych tysięcy do zaledwie 9 K – natomiast dziś, 13,8 miliarda lat później – wynosi ona niecałe 3 K.

Era rekombinacji
Około 380 tys. lat po wielkim wybuchu nastała era rekombinacji. Wszechświat ochłodził się na tyle, że cząstki były w stanie uformować obojętne elektrycznie atomy, a materia stała się przezroczysta dla światła.

A jaka będzie przyszłość CMB? Wiemy, że wszechświat pęcznieje. Mało tego, obserwacje odległych supernowych dokonane przez ekipy Saula Perlmuttera i Adama Reissa sugerują, że tempo ekspansji stale rośnie. Jedyną możliwą opcją jest więc postępujący spadek zagęszczenia fotonów reliktowych[3], wydłużanie fali i wytracanie energii. Sztuczka polega jednak na tym, że temperatura kosmicznego tła nie może nigdy sięgnąć zera absolutnego, a cząstki światła nie mają prawa ot po prostu samoistnie wyparować. O dalekiej przyszłości puchnącego wszechświata należy raczej myśleć, jak o niekończącej się agonii[4], gdzie energia będzie ulegać rozrzedzaniu przez wieczność goniąc zero, ale nigdy go nie osiągając.

Ewolucja mikrofalowego promieniowania tła
W ciągu miliardów lat promieniowanie tła uległo ochłodzeniu i rozciągnięciu przechodząc w zakres mikrofal.

Możemy też spojrzeć na ten problem od strony praktycznej. Nasze anteny, jak każdy instrument naukowy, posiadają skończone zdolności obserwacyjne. Należy założyć, że nawet jeżeli po bilionach lat po przestrzeni wciąż będą błąkać się samotne, mocno wyczerpane fotony reliktowe, ich wykrywanie oraz analiza staną się całkowicie niepraktyczne. Wiele tu zależy od przyszłego tempa ekspansji wszechświata, ale obecne pomiary pozwalają ostrożnie szacować, że promieniowanie tła (które nie będzie już mikrofalowe, lecz radiowe, z uwagi na dalsze rozciąganie) stanie się technicznie niezauważalne za około 150-200 miliardów lat, kiedy jego temperatura spadnie poniżej 0,3 K. Poruszamy się tu więc w skali kilkunastokrotności obecnego wieku wszechświata.

Mogłoby się wydawać, że to błaha ciekawostka, ale jeśli dłużej pogłówkujemy, dostrzeżemy również głębszy wymiar tego zagadnienia. Wyobraźmy sobie obcą cywilizację, podobną do nas i ten sam region wszechświata, ale powstałą dopiero za kilkaset miliardów lat. Istoty te, tak jak my, będą zadawać sobie pytania o początek tego wszystkiego, wynajdą metodę naukową i w końcu skierują zwierciadła swoich instrumentów w niebo. Nie znajdą tam jednak, tych samych wskazówek, co Hubble, Gamow, Penzias, Wilson, Perlmutter, Reiss i inni ziemscy uczeni. Pomyślmy o tym:

  • Droga Mleczna wraz Andromedą będą już dawno po zderzeniu, tworząc wspólną Milkomedę.
  • W skład Milkomedy wejdą również pobliskie mniejsze galaktyki, aż cała Grupa Lokalna zleje się w jedną gwiezdną wyspę.
  • Odleglejsze galaktyki, wykazujące dziś przesunięcie ku czerwieni, prawdopodobnie uciekną poza horyzont obserwacji. Przyszły obserwator nie będzie więc świadomy istnienia niczego poza własną galaktyką.
  • Promieniowanie reliktowe w formie długich fal radiowych stanie się niezdatne do zarejestrowania, co zdecydowanie utrudni rekonstrukcję historii wszechświata.

Uczonych tej hipotetycznej obcej cywilizacji pragnących poznać rzeczywistą skalę wszechświata (zarówno w przestrzeni jak i czasie) czeka wyjątkowo karkołomne zadanie. Jeśli natomiast przyjdzie im do głowy idea wielkiego wybuchu, to być może nigdy nie zgromadzą argumentów pozwalających na jej udokumentowanie, nie mówiąc o dopracowaniu szczegółów – ponieważ to właśnie analiza promieniowania tła, stanowi główną bazę dla wielu szacunków i postulatów z zakresu kosmologii.

Stąd blisko do kolejnej wątpliwości wartej rozważenia. Jeżeli wiedza o wszechświecie tak silnie zależy od tego, w którym miejscu na osi czasu przyszło żyć obserwatorowi, to jak wiele może umykać nam samym?

[+]
Dlaczego Mars a nie Wenus? Dlaczego kwark i antykwark nie anihilują? Kura domowa, która odkryła wszechświat