Dylatacja czasu a przesunięcie ku czerwieni

Popularnonaukowe

Kwazary ujawniają kosmologiczną dylatację czasu

Od stu lat wiemy, że odległe galaktyki uciekają od Ziemi – im dalsze, tym szybciej – czego skutkiem jest charakterystyczne przesunięcie ku czerwieni. Mniej oczywistym objawem tego zjawiska okazuje się kosmologiczna dylatacja czasu.

byAdam Adamczyk

15/07/2023

5 minute read

3 komentarze

Pozwolę sobie zacząć od przytoczenia pytania, zadanego niedawno pod jednym z artykułów dotyczących ekspansji wszechświata. Czytelnika zastanawiała kwestia pomiaru czasu w zegarach pulsarowych. “Opierają się one na zliczaniu sygnałów emitowanych przez pulsary, a one same oddalają się i to dość szybko z racji tego, że właśnie znajdują się daleko, zatem każdy kolejny sygnał będzie wysłany z coraz to większej odległości od nas. Rozumiem, że w tych pomiarach czasu uwzględniane jest tempo ekspansji”?

Komentujący trochę się pomylił. O ile idea zegarów pulsarowych rzeczywiście oparta jest o zliczanie krótkich impulsów radiowych emitowanych przez rotujące w ekstremalnym tempie gwiazdy neutronowe, o tyle wykorzystywane obiekty wcale nie znajdują się daleko. To znaczy, jasne, nadal mówimy o setkach lub tysiącach lat świetlnych – ale wszystko odbywa się w obrębie Drogi Mlecznej. To ważne, ponieważ rozszerzanie wszechświata staje się widoczna dopiero w bardzo, bardzo dużej skali. Rozpychanie przestrzeni skutkuje wzajemną ucieczką galaktyk^[1]I to jeszcze pod warunkiem, że nie leżą zbyt blisko siebie, jak np. nasza Droga Mleczna i Andromeda., ale nie prowadzi do pęcznienia ich zawartości, pospinanej więzami grawitacji. Dlatego akurat pulsarów używanych w roli zegara i innych stosunkowo nieodległych obiektów ten problem nie dotyczy.

Pulsar, czyli taka “kosmiczna latarnia”.

Jednak zostawiając na boku kwestię zegara pulsarowego, czytelnik wykazał się słuszną intuicją. Spróbujmy trochę przekształcić jego wątpliwość. Załóżmy, że posiadamy superczuły radioteleskop, zdolny do wyłowienia sygnałów pojedynczej gwiazdy neutronowej znajdującej się w obcej galaktyce, oddalonej o wiele miliardów lat świetlnych od Ziemi. Czy taki pulsar migałby do nas podobnie do identycznego obiektu, obecnego wewnątrz Drogi Mlecznej? Krótko mówiąc: nie. Częstotliwość odbieranych od niego sygnałów byłaby zauważalnie mniejsza.

Sprawcą zamieszania jest szczególna teoria względności, a dokładniej wynikająca z niej dylatacja czasu. O samej dylatacji mogliście czytać na tym blogu i w innych miejscach tysiąc pięćset razy, więc doskonale wiecie, że według Alberta Einsteina wszechświat nie posiada żadnego uniwersalnego zegara, a pomiar czasu zawsze zależy od przyjętego układu odniesienia. Gdybyśmy skonstruowali fantastyczny statek kosmiczny, zdolny do osiągnięcia 99,995% prędkości światła w próżni, wsadzili do środka człowieka (oczywiście ochotnika) i wysłali go w podróż do układu planetarnego oddalonego o tysiąc lat świetlnych, to dotarłby on na miejsce w nieco ponad tysiąc lat. Tysiąc lat dla nas, osób kibicujących wyprawie z domu. Astronauta odczuje swoją eskapadę zupełnie inaczej: z jego perspektywy minie tylko około 10 lat. Kiedy jemu przybędzie parę zmarszczek i siwych włosów, na Ziemi miną całe pokolenia^[2]Astronauta dojdzie również do niegłupiego wniosku, że jego cel leżał 10 lat świetlnych od Ziemi, a nie tysiąc. Z jego perspektywy będzie to słuszna obserwacja.. Co najlepsze, oba punkty widzenia, choć różne, są dokładnie tak samo uprawnione. To sedno i urok względności czasu.

Pojawia się pytanie, czy odmienne postrzeganie czasu może implikować również puchnięcie samej przestrzeni pomiędzy obserwatorami? Wszystko wskazuje na odpowiedź twierdzącą. Fizycy nazwali ten szczególny przypadek kosmologiczną dylatacją czasu i zauważyli, że zjawisko to wręcz powinno iść w parze z drugą konsekwencją ekspansji wszechświata, czyli przesunięciem ku czerwieni^[3]Wydłużenie fali świetlnej towarzyszy również dylatacji grawitacyjnej. Zjawisko to wykorzystano m.in. w eksperymencie Pounda-Rebki..

W latach 20. ubiegłego stulecia astronom Edwin Hubble zaczął analizować światło różnych galaktyk, czym wywrócił ówczesny porządek nauki. Zauważył, że wszystkie dalekie obiekty wykazują charakterystyczne przesunięcie ku czerwonej części widma, co dało się wytłumaczyć oddalaniem źródła światła od obserwatora. Co więcej, im dalej leżała galaktyka, tym większe wykazywała przesunięcie – tym szybciej uciekała. To treść głównego przykazania współczesnych kosmologów, znanego jako prawo Hubble’a-Lemaître’a.

Światło uciekających obiektów cechuje przesunięcie ku czerwieni.

Przesunięcie ku czerwieni to w praktyce wydłużenie fali elektromagnetycznej.

Spróbujmy połączyć wątki. Światło w próżni zawsze przemieszcza się z identyczną prędkością, jednak jako fala elektromagnetyczna ma pewną długość. Przesunięcie ku czerwieni, to nic innego, jak zwiększenie odległości pomiędzy szczytami tejże fali. Światło docierające do Ziemi z uciekającej galaktyki okazuje się więc rozciągnięte; ma obniżoną częstotliwość, a tym samym mniejszą liczbę drgań w jednostce czasu. W praktyce oznacza to zmianę koloru, ale również spowolnienie pierwotnego sygnału. Miganie hipotetycznego, bardzo odległego pulsara będzie zatem postrzegane przez nas jako wolniejsze, niż przez obserwatora znajdującego się w pobliżu tego ciała.

Co najlepsze, wszystko, o czym napisałem nie jest tylko wesołym teoretyzowaniem. Nie mamy co prawda technicznych możliwości, aby dokonywać ultradokładnych pomiarów pojedynczej gwiazdy neutronowej z krańca wszechświata, ale możemy wziąć pod lupę (czy raczej pod teleskop) inne zjawiska.

Pierwszą próbę podjęto już w latach 90., kiedy astrofizycy zaczęli gromadzić dane na temat supernowych typu Ia. Musicie wiedzieć, że Ia to rodzaj gwiezdnych eksplozji, szczególnie uwielbiany przez naukowców. Mają one zawsze bardzo podobny przebieg, wyrzucając zbliżoną ilość energii w podobnym czasie – co daje badaczom wiele możliwości. Dlatego, gdy okazało się, że zarejestrowane krzywe blasku dalekich supernowych nie są identyczne, lecz ulegają poszerzeniu wraz z odległościami (i przesunięciem ku czerwieni), astrofizycy natychmiast powiązali ten fakt z kosmologiczną dylatacją czasu. Wybuchy w dalekich galaktykach trwały statystycznie nieco dłużej, niż te pobliskie, ponieważ te pierwsze oglądaliśmy w “zwolnionym tempie”.

Supernowa Ia w galaktyce PTF 11kx — Tak wyglądała supernowa typu Ia zauważona w galaktyce PTF 11kx.

Wyniki były ważne, ale niezbyt spektakularne. Sprzęt oraz jasność supernowych pozwalały sięgnąć nie dalej niż 7 miliardów lat świetlnych od Drogi Mlecznej. Do postawienia kolejnego kroku w tej dziedzinie musieliśmy czekać aż do 2023 roku i publikacji Gerainta Lewisa oraz Brendona Brewera. Po raz pierwszy udało się sprawdzić korelację dylatacji i przesunięcia widma dla źródeł oddalonych nawet o 12 miliardów lat świetlnych.

Tym razem celem astrofizyków nie były eksplozje gwiazd, lecz procesy zachodzące w sercach kwazarów. Są to zdziczałe galaktyki napędzane przez monstrualne czarne dziury, przy których nasz Sagittarius A* wygląda jak śmieszny orzeszek. Oczywiście same czarne dziury nie świecą, jednak opadająca na nie materia bywa rozgrzewana do tak niedorzecznych temperatur, że jej błyski można dostrzec po drugiej stronie widzialnego wszechświata. To jedne z najbardziej energetycznych zjawisk zaobserwowanych w naturze.

Kwazar PG 0052+251 — Obiekt PG 0052+251, czyli wspaniały okaz kwazara leżącego dość blisko, bo “tylko” 1,4 mld lat świetlnych od Ziemi.

Niestety kwazary nie są tak przewidywalne, jak pulsary czy supernowe, w związku z czym obróbka danych wymagała znacznie więcej wysiłku^[4]Podobna publikacja z roku 2012 przeszła bez większego echa z uwagi na niewielką liczbę próbek.. Jednak w końcu się udało. Lewis i Brewer przeanalizowali zmiany jasności 190 losowo wybranych obiektów, zestawiając ich czas trwania z przesunięciem ku czerwieni. Uzyskany rezultat okazał się w pełni odpowiadać przewidywaniom teorii: statystycznie im dalej położony był kwazar, im większe przesunięcie, tym wolniej przebiegały wahania aktywności. Najdalsze uchwycone zdarzenia, pochodzące z okresu, gdy wszechświat liczył sobie tylko nieco ponad miliard lat, zdawały się trwać aż pięciokrotnie dłużej niż oczekiwalibyśmy, bez uwzględnienia efektu dylatacji.

Wykres z publikacji Lewisa i Brewera, gdzie n=1 oznacza doskonałą zgodność z teorią. Jak widać, statystycznie pomiary kwazarów dały wyniki bliskie jedynce, co przy dopuszczonym marginesie błędu potwierdza tezę o istnieniu oczekiwanej zależności przesunięcia ku czerwieni i dylatacji.

Nowa publikacja nie stanowi raczej przełomu w rozumieniu wszechświata, ale na swój sposób ugruntowuje podstawy współczesnej kosmologii. Może trochę szkoda. Ileż byłoby ciekawiej, gdyby obserwacje wbrew oczekiwaniom wykazały kompletny brak związku dylatacji czasu i przesunięcia ku czerwieni?