Popularnonaukowe

Model CCC+TL – alternatywna kosmologia Rajendra Gupty

Śmiała hipoteza przesuwa wiek wszechświata z 13,8 mld na 26,7 mld lat. Tylko czy aby na pewno została oparta o prawdziwe przesłanki?

byAdam Adamczyk

29/03/2024

8 minute read

14 komentarzy

Wszechświat jest pełen planet, gwiazd, galaktyk i pomysłowych kosmologów. Tylko w ostatnich latach miałem okazję przedstawiać wam koncepcję Jamiego Farnesa, który opisał coś na kształt ujemnego oddziaływania grawitacyjnego oraz jeszcze dziwniejszą hipotezę Duncana Farraha, proponującego istnienie “sprzężenia” łączącego ekspansję wszechświata ze wzrostem supermasywnych czarnych dziur. Teraz do tej ekscentrycznej gromadki dołącza Rajendra Gupta z Uniwersytetu w Ottawie.

Teoretyk zaczął majstrować u samych podstaw, przyjmując alternatywne założenia dotyczące stałych fizycznych i zachowania światła. Doprowadziło go to do wywrotowego wniosku, który rzecz jasna ochoczo podchwyciły media na całym świecie. Jeżeli Gupta ma rację, ewolucja wszechświata przebiegała inaczej niż sądzono, a od wielkiego wybuchu nie minęło 13,8 mld – jak możemy przeczytać w dzisiejszych podręcznikach – lecz aż 26,7 mld lat.

Ciemno i zimno

Dla uniknięcia tradycyjnych nieporozumień podkreślę zawczasu, że Rajendra Gupta (podobnie jak Farnes i Farrah), przy całej swojej kontrowersyjności, w żadnym razie nie próbuje wbić noża w samo serce teorii wielkiego wybuchu. Fundamenty pozostają niezachwiane: obserwowany wszechświat był niegdyś znacznie mniejszy, gęstszy i gorętszy, a cała przestrzeń rozszerza się do chwili obecnej. Jednak na pełny obraz kosmologicznej ewolucji składa się ogrom detali, a te jeszcze długo będą pozostawiać teoretykom szerokie pole do popisu.

Rajendra Gupta, adiunkt na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Ottawie i autor modelu CCC+TL.

Najpowszechniej przyjmowanym opisem współczesnej kosmologii pozostaje model znany pod skrótem Lambda-CDM. Nawet jeżeli ta nazwa nic wam nie mówi, istnieje spora szansa, że słyszeliście o jego dwóch głównych filarach.

Grecka litera lambda (Λ) kryje za sobą stałą kosmologiczną – czynnik powodujący pęcznienie przestrzeni w każdym jej zakamarku. Nie znamy fizycznej natury tego fenomenu. Dzięki analizie odległych supernowych typu Ia, wiemy jedynie, że galaktyki nie tylko nadal od siebie uciekają, ale wręcz nieustannie nabierają tempa. Ekspansja wszechświata zdaje się przyśpieszać, napędzana jakąś formą ujemnego ciśnienia, czy jak kto woli, ciemnej energii. Obserwacja tego zjawiska przyniosła swoim odkrywcom w 2011 roku Nagrodę Nobla, a całemu światu nauki nie lada konsternację.

Drugim filarem przyjmowanego modelu jest CDM, czyli zimna ciemna materia (cold dark matter). Nie emituje, nie pochłania, ani nie odbija światła, więc nie możemy jej w żaden sposób zobaczyć – w odróżnieniu od budującej nasze ciała “świecącej” materii barionowej. Posiada natomiast masę i oddziałuje grawitacyjnie. Kiedy więc ciemna energia rozpycha każdy skrawek przestrzeni kosmicznej, ciemna materia po cichutku wzmacnia strukturę galaktyk. Jak wykazały badania zainicjowane pół wieku temu przez Verę Rubin, obserwowana rotacja i kształty galaktyk nabierają sensu dopiero przy założeniu, że zawierają one pięciokrotnie więcej materii od tej, którą znamy. Materii niewidocznej, złożonej z nieznanej rodziny cząstek elementarnych: masywnych, ale kompletnie ignorujących oddziaływanie elektromagnetyczne.

Dirac+Zwicky

Chociaż ciemna energia oraz ciemna materia zawzięcie strzegą swojej tożsamości, przekonanie o ich istnieniu wynika wprost z obserwacji. Odrzucenie modelu Lambda-CDM oznacza więc porzucenie danych obserwacyjnych albo ich reinterpretację. Tego właśnie usiłuje dokonać Gupta – próbuje wytłumaczyć poznane zjawiska we własny, oryginalny sposób. W tym celu, ku zaskoczeniu wielu kolegów po fachu, wytargał z dna szuflady zakurzone koncepcje dwóch dawno nieżyjących geniuszy: Paula Diraca oraz Fritza Zwicky’ego.

Paul Dirac i Fritz Zwicky — Paul Dirac (z lewej) otrzymał Nagrodę Nobla za włączenie szczególnej teorii względności do równań mechaniki kwantowej. Fritz Zwicky przewidział istnienie gwiazd neutronowych, stworzył termin *supernowa*, a także (jak na ironię) zainicjował poszukiwania ciemnej materii.

Paul Dirac w 1937 roku podzielił się pewnym spostrzeżeniem, dotyczącym możliwych korelacji pomiędzy wielkimi liczbami występującymi w fizyce i astronomii. Brytyjski noblista zasugerował, że poszczególne wielkości fizyczne pozostają ze sobą związane, w tym stałe, które byłyby proporcjonalne do wielkości (wieku) wszechświata. Idea ta niesie za sobą dalekosiężne wnioski. Skoro liczby pozostają skorelowane, a wszechświat rośnie, to również poszczególne wartości stałych – w tym stała grawitacji, stała struktury subtelnej, stała Plancka, może nawet prędkość światła w próżni – powinny z czasem podlegać odpowiednim zmianom. To oczywiście nie pozostałoby bez wpływu na każdy rozważany model kosmologiczny.

Z kolei Fritz Zwicky zaproponował w 1929 roku hipotezę, stanowiącą alternatywne wyjaśnienie dla wyników obserwacji przeprowadzonych w tym samym czasie przez Edwina Hubble’a. Słynny amerykański astronom odkrył, że obraz odległych galaktyk pozostaje przesunięty ku czerwonej części widma, co zinterpretował jako fizyczną oznakę oddalania obiektów od obserwatora. Zauważył też, że im odleglejsze galaktyki, tym większe wykazują przesunięcie ku czerwieni (tj. tym szybciej uciekają). Dało to podstawę pod sformułowanie znanego dziś każdemu fizykowi prawa Hubble’a-Lemaître’a oraz stanowiło pierwszy istotny dowód, przemawiający za teorią wielkiego wybuchu.

Pochodzący ze Szwajcarii Zwicky spekulował, że rozciągnięcie fali świetlnej, skutkujące przesunięciem widma ku czerwieni, może nie wynikać z oddalania źródła tego światła od obserwatora, lecz z powolnego wytracania energii fotonów, choćby na skutek interakcji z napotykanymi po drodze innymi cząstkami. Fotony pochodzące z bardzo dalekiej galaktyki mają do przebycia większy dystans, więc gubią w tracie odpowiednio więcej energii. Światło ulegałoby zatem większemu rozciągnięciu i – jak to określił astronom – zmęczeniu, stając się dla obserwatora bardziej czerwone. Zależnie od przyjętych założeń, takie zjawisko mogło całkowicie zastąpić mechanizm opisany przez Hubble’a, albo przynajmniej zostać uwzględnione w równaniach, mocno wpływając na szacunki dotyczące wieku i rozmiarów wszechświata.

Trochę tego i trochę tamtego

Powodem, dla którego Gupta odkopał porzucone hipotezy, były obserwacje dokonane w pierwszych miesiącach działania Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Na zdjęciach przedstawiających dalekie rubieże wszechświata, znaleziono wtedy galaktyki o podejrzanych właściwościach.

Zdjęcie gromady galaktyk SMACS 0723, znane szerzej jako Pierwsze Głębokie Pole Webba.

Wiele z nich wydawało się zbyt dużych i kształtnych, jak na przypisywany im wiek. Galaktyki wykazywały przy tym niespotykanie wysokie przesunięcie ku czerwieni (w paru przypadkach sięgające nawet z=20), co sugerowało, że musiałyby one istnieć w obserwowanej formie już w trakcie pierwszych 200 milionów lat po wielkim wybuchu.

W kosmicznej skali to naprawdę ekspresowe tempo. Pamiętajcie, że mówimy o czasie potrzebnym na przebycie drogi od mętnej kwarkowo-gluonowej zupy, do barwnej rzeczywistości pierwszych gwiazd, układów planetarnych i supermasywnych czarnych dziur.

Przesunięcie ku czerwieni (oznaczane literą z) wzrasta wraz z odległością galaktyk od Ziemi. Te najdalsze wyemitowały światło w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat po wielkim wybuchu. Oczywiście wykres będzie wyglądał inaczej zależnie od przyjętego modelu kosmologicznego.

Mogliście o tym zgrzycie usłyszeć, ponieważ media nigdy nie przepuszczą okazji, żeby pokrzyczeć o domniemanej sensacji i “pisaniu podręczników od nowa”. Problem w tym, że te same media nie są już takie wyrywne, kiedy dane zostają zweryfikowane, a przełom okazuje się prostym błędem. Tak też było tym razem – do czego zaraz dojdziemy.

Gupta starał się rozwiązać zagadkę, rozciągając oś historii wszechświata na tyle, aby ta bezproblemowo pomieściła problematyczne galaktyki. Mając do dyspozycji klasyczny model Lambda-CDM, hipotezę ewoluujących w czasie stałych Diraca (CCC, covarying coupling constants) oraz ideę zmęczonego światła Zwicky’ego (TL, tired light) zaczął więc przestawiać puzzle, szukając najbardziej optymalnej konfiguracji.

Wykorzystamy dwa modele rozszerzającego się wszechświata do opracowania modeli hybrydowych, porównania ich i sprawdzenia, jak pasują do danych o wielkości supernowych Ia i galaktyk z obserwacji HST i JWST. Pierwszy model hybrydowy łączy w sobie model CDM z hipotezą zmęczonego światła i nosi nazwę Model CDM+TL. Drugi model hybrydowy obejmuje nowy model wywodzący się z podejścia opartego na współzmiennej stałej sprzężenia (CCC). Zaczynamy od zdefiniowania odpowiedniej metryki dla podejścia CCC i rozwijamy równania Einsteina i Friedmanna dla nowego modelu kosmologicznego CCC. Ten model hybrydowy nazywany jest modelem CCC+TL.
Z publikacji JWST early Universe observations and ΛCDM cosmology.

Już połączenie Lambda-CDM+TL dawało obiecujący wynik, postarzając wszechświat z 13,8 mld na około 19 mld lat. Jednak teoretyk nie miał zamiaru bawić się w półśrodki i założył, że w równaniach warto uwzględnić zarówno efekt zmęczonego światła, jak i potencjalne zmiany wartości stałych fizycznych. W ten sposób doprowadził do jeszcze mniej spodziewanego mariażu CCC+TL, co według jego wyliczeń przesuwało wiek wszechświata aż do 26,7 miliarda lat. W tej hybrydzie obraz najstarszych podejrzanie rozwiniętych galaktyk pochodziłby z okresu, kiedy od wielkiego wybuchu upłynęły już 2-3 miliardy lat. Miałyby one więc aż nadto czasu na ukształtowanie swojej struktury.

Domek na piasku

Propozycja Gupty lekko mówiąc, nie spotkała się z entuzjazmem innych fizyków. Wertując branżowe artykuły i blogi trafiałem głównie na oceny oscylujące gdzieś między “nonsens” a “kto dopuścił ten paździerz do publikacji?!”. Brzmi to trochę, jak wyraz zawiści ze strony zazdrosnych kolegów, ale ich brutalna argumentacja rzeczywiście wskazuje, że model CCC+TL może być równie dziurawy, co ser pochodzący z ojczyzny Zwicky’ego.

Nie chodzi nawet o to, że autor dokonał niebywałej ekwilibrystyki, łącząc dwa obce koncepty, formując niebywale egzotyczną hybrydę. Takie zabiegi dają od czasu do czasu nadspodziewanie pozytywne efekty. Gorzej, że mówimy o syntezie hipotez nieudowodnionych i nie bez przyczyny porzuconych. Dotyczy to zwłaszcza zmęczonego światła, w który ostatecznie zwątpił nawet sam Zwicky wiedząc, że taki efekt powinien prowadzić do specyficznego rozmycia obrazu dalekich obiektów – czego nie odnotowano.

W późniejszym okresie potwierdzono jeszcze zjawisko kosmologicznej dylatacji czasu, czyli spowolnienia procesów zachodzących w uciekających galaktykach, w związku z rozciąganiem docierającej do nas fali świetlnej. Analizy supernowych wykazują, że eksplozje w odległych galaktykach przebiegają wolniej od tych pobliskich, co świetnie współgra z prawem Hubble’a-Lemaître’a, czyniąc propozycję TL po prostu zbędną.

Postulat zmiennych stałych fizycznych (jakkolwiek to brzmi) ma większą szansę na wskrzeszenie, ale i tutaj Gupta wykonał slalom, unikając podstawowych problemów. Mianowicie, nawet jeżeli hipoteza Diraca nie została wprost obalona, dokonaliśmy już dosyć eksperymentów i obserwacji, które mogłyby wskazać na jej słuszność, ale tego nie zrobiły. Przykładowo, żadne badanie ruchów odległych gwiazd i galaktyk nie sugeruje, że na przestrzeni miliardów lat doszło do jakichkolwiek zmian stałej grawitacyjnej. Z kolei analiza paliwa zużytego przez “naturalny reaktor jądrowy” w gabońskim Oklo nie wykazała, aby doszło do wahań w wartości struktury subtelnej, przynajmniej nie w ciągu ostatnich 2 miliardów lat.

Model CCC+TL jest zatem potworkiem zszytym z trupów dwóch mocno dyskusyjnych hipotez. A to nie koniec jego problemów. Gupta napisał swój artykuł, pragnąc wyjaśnić anomalie zarejestrowane przez Teleskop Webba. Jednak siadając do pracy, opierał się wyłącznie na preprintach i wstępnych pomiarach z ciągle kalibrowanego sprzętu. Pracował na danych, które dopiero czekały na weryfikację. Jak to zgrabnie określiła astronomka Martha Boyer: “Wiedzieliśmy, że Webb nie będzie działał idealnie zaraz po wyciągnięciu z pudełka”.

Pewnie już wiecie, do czego zmierzam.

Już w pierwszych komentarzach astronomowie uprzedzali, że kandydatki na ekstremalnie odległe obiekty mogą okazać się znacznie bliższymi, mniejszymi galaktykami o niskiej jasności lub przykrytymi przez obłoki pochłaniające większość światła. I rzeczywiście już kolejna seria obserwacji natychmiast znormalizowała sytuację. Przy dostępności i pełnym dostrojeniu wszystkich instrumentów żadna z domniemanych rekordzistek nie wykazywała już przesunięcia ku czerwieni powyżej z=15, a zdecydowana większość spadła do poziomu pomiędzy z=7 a z=12. Nadal jest kilka galaktyk, które zmuszają naukowców do rewizji niektórych przypuszczeń, ale na tę chwilę to kwestia korekty, a nie jej wywracania teorii do góry nogami.

Galaktyka Calluma (CEERS-93316) według pierwszych obserwacji Webba mogła wykazywać z=16,4, co oznaczałoby, że wyemitowała światło już 286 milionów lat po wielkim wybuchu. Z miejsca stawiało ją to na podium najodleglejszych poznanych obiektów. Dokładniejsza analiza spektralna wykazała, że rzeczywiste przesunięcie ku czerwieni wynosi zaledwie z=4,9, a galaktyka jest aż o miliard lat młodsza.

Wszechświat ma 26,7 mld lat!!1!1!1

Oczywiście świętym prawem teoretyka jest spekulowanie i rozpatrywanie nawet mało prawdopodobnych scenariuszy. Ostatecznie 99% hipotez produkowanych przez kosmologów prędzej czy później ląduje w koszu. Jednak model CCC+TL wydaje się wyjątkowo kulawy, nawet jak na standardy swojej dziedziny. To nie jest jedna z tych sytuacji, kiedy naukowiec usiłuje wznieść trwałą konstrukcję, ale pechowo doszło do pęknięcia jednej ze ścian. Gupta od samego początku zdaje się układać domek z kart na fundamencie z piasku. Przy silnym wietrze.

Czas pokaże, czy profesor z Toronto jest odważnym wizjonerem, czy tylko spryciarzem szukającym sposobu na rozpromowanie swojego nazwiska. Na tym polu Rajendra Gupta już wygrał. Nośne nagłówki obwieszczające, że wszechświat liczy sobie 26,7 mld lat, pojawiły się na niemal każdym tematycznym portalu. Co najmniej jakbyśmy mieli do czynienia z przełomem w kosmologii, a nie jedną z tysiąca chwiejnych hipotez. Klasyczna sensacyjna półprawda, powielana ze szkodą dla nauki.