Część druga
7
Promieniowanie tła B
Można przypuszczać, że podobnie rozumował George Gamow w latach czterdziestych. Uczniowie jego: Alpher i Herman uznali, że powinno to być promieniowanie mikrofalowe. Pracujący w różnych ośrodkach Peebls i Zeldowicz oszacowali (w początkach lat sześćdziesiątych) temperaturę hipotetycznego promieniowania reliktowego na 5 – 10 K. Jest to temperatura odpowiadająca rzeczywiście promieniowaniu mikrofalowemu. Nie wiedzieli, że dokładnie w tym samym czasie dokonuje się największe odkrycie dwudziestego wieku (tak sądzi wielu).
Promieniowanie reliktowe odkryte zostało w najbardziej odpowiednim momencie (choć nie w najbardziej odpowiednim miejscu), już wiosną 1964 roku. Uczeni zaangażowani tak w jego przewidywanie nawet o tym nie wiedzieli. Odkrycia dokonali dwaj radioastronomowie Arno Penzias i Robert Wilson. W swej codziennej pracy zawodowej wcale nie poszukiwali promieniowania reliktowego. Przypadkiem antena ich odebrała dziwny szum mikrofalowy o długości 7,35 cm, wyraźnie silniejszy od szumu aparaturowego. Nie pomogła zmiana orientacji anteny (i jej oczyszczenie). Promieniowanie było izotropowe. To było to. Odkrycie promieniowania reliktowego przesądziło o słuszności koncepcji Wielkiego Wybuchu. Za swe odkrycie, wymienieni astronomowie otrzymali nagrodę Nobla (1978). Odkrycie to zapoczątkowało bardzo intensywne badania. Kosmologia stała się nawet modną dziedziną fizyki, szczególnie w ostatnim dziesięcioleciu.
Okazało się, że promieniowanie tła (to reliktowe) wykazuje cechy promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,73K. Jak widać, w naszym grubym oszacowaniu nie pomyliliśmy się wiele (notka 9). To by mogło potwierdzać słuszność samego podejścia.
Co zaskakujące, promieniowanie to jest izotropowe pomimo, że z wyglądu Wszechświat wcale nie jest jednorodny. Niedawno odkryto bowiem rozległe obszary, w których koncentracja galaktyk przekracza znacznie średnią. Jeden z nich nazwano Wielką Scianą. Odkryto także obszary ciemne, być może nie mniej masywne, a w nich tylko słabo świecące galaktyki – Wielki Atraktor*. Wielkoskalowe obiekty tego typu wywierają wpływ nie do pominięcia na zachowanie się galaktyk. Stwierdzono na przykład, że Galaktyka (nasza) porusza się z nadspodziewanie dużą prękością 600 km/s w kierunku Wielkiego Atraktora. Okazało się więc, że obszary wyjątkowo zagęszczone rozdzielone są przez nie mniej rozległe, rzędu setek milionów lat świetlnych, przestrzenie zdawałoby się puste. Wszechświat wygląda więc jak piana mydlana. Porównanie to dość często powraca w książkach poświęconych kosmologii. Jak to wszystko pogodzić z jednorodnością i izotropowością promieniowania reliktowego? Oto jest pytanie.
Należało więc zbadać jeszcze dokładniej to promieniowanie. Zadanie to powierzono satelicie COBE (Cosmic Background Explorer), wysłanemu na orbitę okołoziemską w listopadzie 1989 roku. Badania te przeprowadzono powtórnie (jeszcze bardziej precyzyjne) dzięki sondzie WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), wyniesionej na orbitę okołosłoneczną przez rakietę delta 2 w czerwcu 2001 roku. Okazało się, że jednorodność promieniowania reliktowego nie jest absolutna. Oznacza to, że już wtedy, gdy uwolniło się ono od materii substancjalnej (jakieś pół miliona lat po wybuchu), miało temperaturę nie w stu procentach jednakową we wszystkich miejscach. Chyba nie jest to aż tak dziwne zważywszy na to, że proces separacji promieniowania od materii substancjalnej był rozciągnięty w czasie (300 tys. do 700 tys. lat). „Dlaczego był rozciągnięty?” Można zapytać. Można przypuszczać, że ta (wykryta przez satelitę) drobna, zdawałoby się nieistotna, anizotropowość promieniowania, tłumaczy zadziwiający fakt niejednorodności występowania obiektów galaktycznych. (Czy rzeczywiście? Może chodzi tu tylko o zbieżność faktów posiadających wspólne źródło...) Do kwestii tej ustosunkowałem się też w innym miejscu. Należy do tego dodać, że w skali globalnej, mimo wszystko uważa się, że Wszechświat jest jednorodny w pełni i potwierdza zasadę kosmologiczną. [Jeszcze bardziej (niż przypuszczalna jednorodność) potwierdza tę zasadę istnienie takich samych niejednorodności ("pianki") w oczach każdego obserwatora, niezależnie od jego położenia] Wyniki uzyskane za pomocą wymienionych wyżej sond ostatecznie przesądziły o słuszności twierdzenia, że ekspansję poprzedził stan, w którym cała materia Wszechświata, w tym samym momencie, skupiona była w bardzo małym obszarze i tworzyła układ samouzgodniony (tego ostatniego stwierdzenia nie uzgadniałem z nikim). Co prawda, wielu uczonych przekonanych jest, że była to osobliwość, ale nie jest to wcale wiążące. Istotne jest to, że ekspansja była równoczesna dla wszystkich elementów przestrzennie wchodzących w skład ekspandującego obiektu. W tej chwili w zasadzie nikt w to już nie wątpi. Swoją drogą, ta równoczesność, jak wyżej wspomniałem, mogłaby oznaczać absolutne samouzgodnienie własności i procesów przebiegających w najwcześniejszej fazie Wybuchu. Tematowi temu poświęcę sporo miejsca dalej.
W jednej z poprzednich notek przyjąłem za obowiązującą, tezę, że obserwowalny Wszechświat jest Wszystkim, co istnieje, jest wszystkością. Nie ma nic poza tym. Nie ma niczego poza horyzontem, nie ma wszechświatów równoległych nie ma Wsz. skośnych i przecinających się. Jego konkretną, skończoną wielkość wyznacza współczynnik H i stała c.Swiadczy o tym bezpośrednio promieniowanie reliktowe. "Czyżby?" Oszacowanie temperatury tego promieniowania już przez Gamowa i potwierdzenie tego przewidywania, świadczy o tym wymownie. Przecież bazował na właściwościach promieniowania ciała doskonale czarnego zamkniętego w obszarze o ograniczonej objętości. Zmiana temperatury jest wówczas w przybliżeniu proporcjonalna do rozmiarów liniowych tej "wnęki" (odwrotna proporcjonalność). Znając temperaturę w epoce rozprzężenia (rzędu 3000K), oraz rozmiary Wsz. wówczas, powiedzmy pół miliona lat świetlnych i znając przybliżone dzisiejsze rozmiary Wsz. (na bazie prawa H i prędkości c) mogliśmy, również my, przewidzieć (z nienajgorszym wynikiem) dzisiejszą temperaturę promieniowania reliktowego. A teraz Uwaga! Gdyby istniało coś ekstra (nieobserwowalne), a przy tym należące do naszego Wsz., to wyliczona z góry temperatura nie byłaby zgodna z temperaturą promieniowania reliktowego. Byłaby dużo niższa. O ile?Dobre pytanie.
Wniosek: Wszechświat obserwowalny jest Wszystkością. Granica horyzontu hubblowskiego zamyka wszystko. A co jest dalej? Nie ma sensu o tym mówić. Wszechświat widocznie jest obiektem o określonych, nie zgłębionych dotąd cechach topologicznych, których poglądowym (liniowym, a nie przestrzennym) modelem może być wstęga Möbiusa. Ta szczególna topologia narzuca też określoną, cykliczną zmienność Wszechswiata.
Jeśli Wszechświat obserwowalny jest wszystkością, a w dodatku jego wielkość jest ograniczona, jak najbardziej naturalną kwestią jest jego masa, a rozpatrywanie jedynie parametru gęstości stwarza niedosyt poznawczy, którego zaspokojenie jest rzeczą jak najbardziej uzasadnioną. Zaowocuje to zresztą ciekawymi ustaleniami. Najpierw jednak zajmiemy się grawitacją, jakby inną, niż jest to dziś przyjęte.
*) Zaintetresowanych namawiam do lektury interesującego artykułu przeglądowego: ,,A Map of the Universe” by J.Richard Gott, Mario Jurić, David Shlegel, Fiona Hoyle, Michael Vogeley, Max Tegmark, Neta Bahcal, Jon Brinkmann. Praca ukazała się w Astrophysical Journal (Gott et al., 2005, ApJ, 624, 463)