Wielka ucieczka

Ćwierć wieku temu rosyjski fizyk i matematyk Dmitrij Sokołow szukał w dalekim kosmosie obrazu naszej galaktyki - Drogi Mlecznej. Nie chodziło mu jednak o tę rzeczywistą, tu i teraz istniejącą, lecz o galaktykę fantom, lustrzane odbicie prawdziwej. Taka zjawa powinna się gdzieś znajdować w przestrzeni kosmicznej, setki milionów lat świetlnych od nas. Aby ją znaleźć, Sokołow latami wertował katalogi odległych galaktyk, szukając ich podobieństwa do Drogi Mlecznej. Powinna być młodsza od obecnej, jak fotografia z przeszłości zachowana w albumie. Taką stronicą z albumu miał być jakiś odległy zakątek kosmosu, gdzie prawa grawitacji utworzyłyby coś w rodzaju gigantycznej hali luster z odbiciami z przeszłości.
Sokołow takiego obrazu nie znalazł. Od początku tego stulecia astronomowie zastanawiali się jednak, czy światło we wszechświecie może się poruszać w zagadkowy sposób, tworząc wielokrotne odbicia każdego świecącego obiektu, także naszej galaktyki. "Gdyby takie wielokrotne odbicia udało się rzeczywiście znaleźć, wiedzielibyśmy na pewno, że przestrzeń wszechświata jest skończona" - powiedział tygodnikowi "New Scientist" astrofizyk Neil Cornish z Uniwersytetu Cambridge. W kosmosie o rozmiarach skończonych i przestrzeni zamkniętej promień światła wybiegający z jakiegoś obiektu może wrócić do tego samego punktu z przeciwnego kierunku.
Znalezienie gdzieś we wszechświecie obrazu Drogi Mlecznej z przeszłości dałoby nam zupełnie niezwykłą szansę obserwowania naszej własnej historii w trakcie jej minionego rozwoju. "Taka możliwość jest naprawdę fascynująca" - komentuje prof. Cornish. Dwie największe agencje kosmiczne, czyli amerykańska NASA i europejska ESA, zamierzają szukać wielokrotnych, lustrzanych odbić galaktyk. NASA planuje wystrzelić satelitę Microwave Anisotropy Probe (MAP) już w roku 2000, ESA przygotowuje satelitę Planck, którego wyśle w tej samej misji w 2002 r. Neil Cornish będzie członkiem zespołu analizującego dane z MAP.
Od czasów Einsteina wiadomo, że grawitacja zmienia kształt przestrzeni. Przestrzeń, w której znajdują się ciężkie obiekty materialne, przestaje być płaska. Masa gwiazdy czy galaktyki zakrzywia przestrzeń wokół siebie - jakby ktoś rzucił ciężką kulę na rozpostarte prześcieradło, jego linie wyginają się. Podobnie w pobliżu wielkich mas wyginają się promienie światła. Dotychczas nie określono, czy wszechświat jest skończony czy nieskończony, otwarty czy zamknięty. Jest wiele opcji geometrii przestrzeni - tak ujmują to astrofizycy. Zależy to od całkowitej ilości materii we wszechświecie, a ta również nie jest znana. W dodatku gęstość materii w kosmosie stale maleje. Wiadomo, że wszechświat się rozszerza. Jego przestrzeń puchnie, rozdyma się jak balon. Do niedawna sądzono, że jest to efekt wielkiej eksplozji, z której nasz świat wziął początek, a także pierwotnej inflacji, czyli fazy niezmiernie gwałtownego rozszerzania się przestrzeni, gdy rozmiary wszechświata w ułamku sekundy zwiększyły się tryliony trylionów razy. Pierwszy zauważył "puchnięcie kosmosu" 70 lat temu Edwin Hubble. Mierzył ruchy galaktyk i zaskoczyło go, że każda z nich w szybkim tempie oddala się od naszej planety. Czyżby Ziemia była jakimś wyróżnionym punktem? Potem dostrzegł, że każda galaktyka oddala się od pozostałych. Przestrzeni przybywa jak powierzchni rozdymanego balonu. Tempo tej ekspansji nazwano "stałą Hubble?a". Obecnie, dziesięć czy dwanaście miliardów lat po Big Bangu, jest ono tak duże, że na przykład odległość między Ziemią a galaktyką znajdującą się w odległości 150 mln lat świetlnych od nas rośnie o 5 tys. km w ciągu sekundy. Przestrzeń między Ziemią a galaktyką oddaloną o 1,5 mln km powiększa się o mniej więcej 200 mln km w ciągu godziny.
Do niedawna nikt nie umiał powiedzieć, czy ekspansja kosmiczna trwać będzie w nieskończoność, czy po fazie rozdymania przestrzeni nastąpi jej kurczenie - Big Crunch (wielkie zgniatanie) - gdy przyciąganie się obiektów materialnych zwycięży impet pierwotnego wybuchu. Wydawało się jednak logiczne, że tempo rozszerzania się wszechświata powinno słabnąć i że nie dojdzie do rozwiania się całej materii w ciągle rosnącej pustce. Ostatnio jednak jest na to coraz mniej nadziei. Wendy Freedman z Carnegie Institutions Observatories w Pasadenie (Kalifornia), kierującą projektem zmierzenia tempa ekspansji kosmosu za pomocą teleskopu Hubble?a, mówiła podczas ostatniego kongresu uczonych amerykańskich: "Wiele pomiarów świadczy o tym, że tempo rozszerzania się wszechświata jest wciąż duże, z czego można wnioskować, iż jest on nadal młody - ma ok. 10 mld lat. Wydaje się również, że ekspansja kosmosu może trwać w nieskończoność".


Dotychczas nie określono, czy wszechświat jest skończony czy nieskończony, otwarty czy zamknięty

Zaskakujące odkrycie z ubiegłego roku zwróciło uwagę na fenomen, który niezależnie od wieku wszechświata może zdecydować o jego rozwianiu się w pustce. Ma to być tajemnicza siła odpychająca, obecna wszędzie, w każdym miejscu przestrzeni i stanowiąca jej najbardziej immanentną cechę. Mianowicie kilka miesięcy temu dwa zespoły - amerykański i australijski - stwierdziły, że wszechświat nie tylko nie zwalnia tempa inflacji, czyli rozdymania swej przestrzeni, ale wydaje się, że obecnie pęcznieje szybciej niż na przykład 4 mld lat temu. Tygodnik "Science" uznał to za najważniejsze odkrycie ubiegłego roku. Początkowo Saul Perlmutter z Lawrence Berkeley Laboratory, kierujący jednym z tych zespołów, chciał tylko uściślić pomiary dotyczące stałej Hubble?a. Najlepiej do takich pomiarów nadają się "latarnie kosmosu", czyli gwiazdy supernowe kończące życie w eksplozji tak potężnej, że ich blask zaćmiewający światło całych galaktyk można dostrzec nawet wówczas, gdy znajdują się w odległości miliardów lat świetlnych od nas. W październiku ubiegłego roku Perlmutter zaobserwował taką wybuchającą supernową, najdalszą z kiedykolwiek zauważonych. SN1998, bo tak ją oznaczono, należała do grupy supernowych, których jasność w momencie wybuchu jest zawsze taka sama. Tym razem światło eksplodującej gwiazdy było jednak o wiele słabsze, niż powinno. Uczeni z Berkeley, próbując to wyjaśnić, stwierdzili, że gwiazda znajduje się ok. 15 proc. odległości dalej od nas, niż pierwotnie sądzono. To zaś oznacza, że wszechświat musiał się rozszerzyć bardziej, niż przypuszczano. Z innych pomiarów również wynikało, że obecnie rozszerza się szybciej aniżeli przed 2 mld lat. Zespół Perlmuttera nie chciał wierzyć własnym obserwacjom, tak wydawały się bowiem absurdalne. Wkrótce astronomowie z Australii potwierdzili jednak ich pomiary.
Dlaczego przestrzeń kosmiczna miałaby dziś "puchnąć" szybciej niż w przeszłości, gdy od Wielkiego Wybuchu dzielił ją krótszy odstęp czasu? Hipoteza astrofizyków jest następująca: we wszechświecie poza siłami grawitacji przyciągającymi jabłko do Ziemi, Ziemię do Słońca i odwrotnie, galaktykę do galaktyki, czyli każdy obiekt materialny do wszystkich innych w kosmosie, musi też działać siła odpychająca. Negatywna energia wypełnia cały kosmos, istnieje w każdym punkcie próżni, rozpycha przestrzeń. Dopóki gęstość materii i siły przyciągania równoważyły działanie tej tajemniczej, odpychającej energii pustki, dopóty nie można jej było dostrzec. Jednak po kilku miliardach lat od Wielkiego Wybuchu gęstość materii w stale pęczniejącym wszechświecie zmalała do tego stopnia, że zwyciężyła odpychająca energia próżni. Wszechświat rozszerza się coraz szybciej.
Nasz los zależy więc od kwintesencji - tak nazwano tę tajemniczą odpychającą energię próżni. Astrofizykom od dawna nie zgadzał się ogólny bilans energii i materii we wszechświecie z przewidywaniami teorii inflacji i Wielkiego Wybuchu. Energii i materii, jakie udawało się wyśledzić, było za mało; nie wyjaśniały obserwowanych ruchów galaktyk i struktury wszechświata w wielkiej skali. Do obserwowanej materii świecących gwiazd dodano więc istnienie postulowanej ciemnej, niewidocznej materii, na którą miały się składać niewidoczne, wypalone gwiazdy i nieznane jeszcze cząstki elementarne. 90 proc. materii wszechświata ma należeć do tych dwóch kategorii, choć nikt ich jeszcze nie odkrył. Z obserwowanej dziś ekspansji wszechświata można wyciągnąć wniosek, że mniej więcej dwie trzecie całej masy i energii obecnej w kosmosie przypada na energię odpychania. Amerykanin Lawrence Krauss z Case Western Reserve University nazwał ją kwintesencją. Z pewnością coś, co stanowi tak wielką część realnego świata, zasługuje na taką nazwę.
Czy odkrycie Perlmuttera i jego zespołu zmienia zasadniczo nasz obraz wszechświata? Wiele innych pomiarów pozostaje z nim w sprzeczności. Astrofizycy z Harvardu uważają na przykład, że we wszechświecie rozszerzającym się coraz szybciej, a zatem dysponującym olbrzymią przestrzenią, powinno się często napotykać wielokrotne obrazy tych samych galaktyk i kwazarów. Obrazy te powstają w tzw. soczewkach grawitacyjnych - gdy promienie światła z tych obiektów przechodzą w pobliżu galaktyki o wielkiej masie, odgrywającej rolę soczewki powielającej, zamiast jednego widać cztery obrazy tego samego kwazara równocześnie znajdujące się w niewielkiej odległości od siebie. Takie wielokrotne obrazy spotyka się jednak bardzo rzadko.
Być może rzeczywistość jest jeszcze bardziej złożona - mianowicie wszechświat rozszerza się różnie, szybciej i wolniej, zależnie od miejsca i czasu. Do takiego scenariusza idealnie pasowałaby koncepcja kwintesencji - energii próżni o zmiennej wartości. Jeśli astrofizycy z Berkeley rzeczywiście mają rację i kosmos rozszerza się coraz szybciej, cały wszechświat skończy swoje istnienie rozwiany w pustce. "Z tym że nasz świat będzie się kurczył"- zauważył jeden z kosmologów Amerykanin Glenn Starleman. Olbrzymie odległości między galaktykami będą wciąż rosnąć i nawet statek kosmiczny pędzący z największą dopuszczalną w przyrodzie szybkością nie będzie mógł do nich dotrzeć. "Jeśli chcecie się wybrać do gwiazd, zróbcie to dziś - namawia Starleman - jutro może już być za późno".