V vesolju je manj snovi, kot smo mislili

Če ste pred stoletjem vprašali kozmologa, kako staro je vesolje, ste morda dobili odgovor, da neskončno. To je bil prijeten način izogibanja vprašanju, kako se je vesolje oblikovalo. Natančnejši odgovor pa je bil prvič zapisan leta 1917, ko je Albert Einstein s splošno teorijo relativnosti predstavil svoj model statičnega vesolja.

Splošna relativnost opisuje gravitacijo, silo, ki oblikuje vesolje, kot rezultat množičnega upogibanja njegove strukture, prostora-časa. Sredi dvajsetih let 20. stoletja je astrofizik George Lemaître pokazal, da po teoriji vesolje ni statično, ampak se širi - in je bilo tako v preteklosti manjše kot sedaj.

Lemaîtrejeva zamisel, da je vse, kar obstaja, nekoč vsebovalo en "prvinski atom", se je spremenila v šestdesetih letih 20. stoletja, ko so astronomi odkrili najstarejšo svetlobo v vesolju, kozmično mikrovalovno ozadje. To je pomenilo, da se je vse začelo v vročem, gostem stanju – z velikim pokom.

Kako staro je vesolje?

Danes je večina kozmologov prepričana, da se je to zgodilo pred približno 13,85 milijarde let. Številka temelji na ocenah širjenja vesolja. Ostaja pa nekaj negotovosti, saj metode za oceno te stopnje upoštevajo različne vrednosti. Mogoč razpon starosti vesolja je tako od dvanajst milijard let do 14,5 milijarde let, kar lahko preverimo glede na najstarejšo poznano zvezdo. Znano je, da je to HD 140283 oziroma Metuzalemska zvezda, ki jo skoraj v celoti sestavljata vodik in helij - prevladujoča elementa po velikem poku. Astronomi so na podlagi tega izračunali, da je stara 14,46 milijarde let – z odstopanjem približno 0,8 milijarde let, kar pomeni, da je nekoliko starejša kot vesolje.

Toda dejstvo, da je starost najstarejše poznane zvezde tako blizu našim ocenam o starosti vesolja, kaže na to, da je standardni model kozmologije - splošni relativistični model, kako se je razvilo vesolje – zanesljiv. O drugih dejstvih o vesolju pa ne moremo biti tako prepričani, navaja revija New Scientist.

Kako veliko je vesolje?

Zazrite se v nočno nebo in razmišljali boste, kako daleč se razteza. Večino človeške zgodovine so ljudje mislili, da je vesolje ločeno od Zemlje in zvezd, ki jo obkrožajo - nekakšna nikogaršnja dežela med nami in nebesi. Toda od znanstvene revolucije v 17. stoletju so astronomi pripravili različne načine za merjenje razdalje do nebesnih teles. Te metode so znane kot kozmična lestev na daljavo. "V bistvu gre za metodo bootstrap," pravi James Schombert z univerze v Oregonu. Vsak del lestve temelji na spodnjem delu, dokler na koncu ne dosežete oddaljenih nebesnih teles, ki so dovolj svetla, da jih je mogoče videti na največjih kozmičnih lestvicah: galaksijah in eksplozirajočih zvezdah, imenovanih supernove.

To pomeni, da lahko vesolje izmerimo v celoti - ali pa to vsaj poskusimo storiti. Najbolj oddaljena galaksija je GN-z11. Da nas doseže njena svetloba, traja 13,4 milijarde let – torej večino starosti vesolja. V tem času se je prostor-čas razširil. Glede na hitrost širjenja po standardnem modelu je ta galaksija od nas verjetno oddaljena približno 32 milijard svetlobnih let. Glede na celotno opazovano vesolje astronomi ocenjujejo, da ima premer 93 milijard svetlobnih let. A to je le razdalja med najbolj oddaljenimi stvarmi, ki jih lahko vidimo. "Ne hodite 1026 metrov in se nato zaletite v zid," pravi Tony Padilla z univerze v Nottinghamu v Veliki Britaniji. "Vesolje to presega." Ne moremo videti preko kozmološkega obzorja. Namesto tega sklepamo na podlagi standardnega modela kozmologije. Večina kozmologov verjame, da se je vesolje takoj po velikem poku eksponentno razširilo, kar je znano kot kozmična inflacija. To je najboljši način, da naša opazovanja gladkega, enotnega vesolja na največjih lestvicah povežemo z velikim pokom, ker nam kvantna teorija pravi, da bi majhna nihanja energije na naključnih mestih ustvarila neenakomerno porazdelitev snovi. Brez inflacije se ta naključnost v času od velikega poka ne bi mogla izenačiti. Zdi se tudi, da inflacija kaže na vesolje, veliko večje od tistega, ki ga lahko vidimo. Medtem ko se je polje "inflacije", za katerega se je domnevalo, da ga poganja, na neki točki v vesolju ustavilo, bi na drugih mestih v vesolju še naprej delovalo. "V scenarijih večne inflacije dobite res velika vesolja – in mislim, da so ogromna," dodaja Padilla. Ali so del našega vesolja ali ločena, je stvar perspektive. Jasno pa je, da za razumevanje velikosti vesolja onkraj kozmološkega obzorja potrebujemo boljšo sliko prvih trenutkov nastanka vesolja, piše New Scientist.

Kako hitro se vesolje širi?

Prostor-čas se nenehno povečuje – kot na primer testo, ki se dviga v pečici. Kot dokaz je leta 1929 astronom Edwin Hubble pokazal, da se oddaljene galaksije pospešeno oddaljujejo od naše. Hubble je s takrat največjim teleskopom na svetu najprej pokazal, da je vesolje bistveno večje, kot so do tedaj domnevali. Vesolje ni le naša galaksija, ki jo obkroža praznina, ampak obstaja še množica drugih galaksij. Nekaj let kasneje je izmeril tudi, da se druge galaksije oddaljujejo od naše, kar pomeni, da vesolje ni statično, ampak se v resnici napihuje. Njegova ugotovitev je temeljila na primerjavi hitrosti oddaljevanja galaksij (izpeljanih iz rdečega premika), ki jih je izmeril astronom Veso Slipher, in oddaljenosti teh galaksij, ki jo je izmeril sam. Hitrost kozmičnega razširjanja je danes znana kot Hubblova konstanta.

Hubblovo odkritje iz leta 1929 je imelo pomembne posledice tako za znanost kot tudi za naše vsakdanje dojemanje vesolja, saj je bilo iz hitrosti napihovanja vesolja mogoče izračunati, kdaj se je napihovanje začelo. Vesolju so tako lahko izračunali starost. Okrog leta 2000 je vesoljski teleskop Hubble pokazal, da je trenutna hitrost širjenja blizu 75 kilometrov na sekundo na megaparsek. Kozmologi so mislili, da so to dokazali. Morali so le še izmeriti, kako močno se ta hitrost upočasnjuje ob gravitacijskem vleku celotne vesoljske materije in energije. Ko so se dokopali do odgovora, so bili vsi obupani.

Konec devetdesetih let smo odkrili, da se širitev sploh ni upočasnila. Nasprotno, pospeševala se je - in tega ni bilo mogoče v fiziki pojasniti z ničemer. Ustrezal bi lahko le faktor, ki ga je Einstein vključil v enačbe splošne relativnosti, ko je mislil, da je vesolje statično. Izbrana "kozmološka konstanta" bi lahko upočasnila gravitacijo in pospešila širitev. To je bilo rojstvo temne energije, skrivnostni dodatek standardnemu modelu kozmologije, ki se še vedno izogiba karakterizaciji.

Uganka je postala še bolj nerešljiva leta 2013, ko je satelit Planck iz Evropske vesoljske agencije (ESA) priskrbel natančen zemljevid vesoljskega mikrovalovnega ozadja. Raziskovalci so te podatke posredovali v standardni model in zagnali uro naprej. Izračunali so, da bi se vesolje moralo širiti s hitrostjo 68 kilometrov na sekundo na megaparsek - počasneje od hitrosti, ki jo dobimo pri supernovi. Da bi obe vrednosti uskladili, so fiziki izpopolnili svoje izračune in bolje kvantificirali vire mogočih napak, da bi ugotovili naraščanje odstopanja. Napetost pomeni, da standardni model ni sposoben opisati vesolja, kot ga danes opazujemo. Zdaj se nekateri kozmologi sprašujejo, ali je treba spremeniti splošno relativnost, temelj tega modela.

Tessa Baker, kozmologinja z londonske univerze Queen Mary, pravi, da čeprav so preizkusi gravitacije v sončnem sistemu in v drugih specifičnih situacijah izjemno natančni, ima gravitacija še vedno veliko možnosti, da deluje drugače, kot je napovedal Einstein. "Eksperimentalne meje gravitacije, ki deluje na razdalji megaparsekov, so resnično šibke," pravi. "Moč gravitacije bi bila verjetno na teh lestvicah 10 do 20 odstotkov močnejša," dodaja.

Seveda teoretiki tekmujejo med seboj. Toda Chris Van Den Broeck, nizozemski fizik z Nacionalnega inštituta za subatomsko fiziko v Amsterdamu, še ni pripravljen na konec standardnega modela. "Napetost je prisotna, vendar nisem prepričan, da bi morali že zagnati paniko," pravi.

Kako težko je vesolje?

Izračun, koliko stvari je v vesolju, že dolgo zaposluje kozmologe, predvsem zato, ker se zdi, da je toliko nevidnega. Vzemimo na primer temno snov, imenovano tako, ker ne vpliva na svetlobo. Ta skrivnostni vir mase naj bi razložil, kako se galaksije in jate galaksij držijo skupaj, ko smo ugotovili, da samo gravitacijski vlek navadne vidne snovi ni dovolj. Od takrat je postal pomemben sestavni del standardnega modela, njegova skrita gravitacija pa oblikuje strukturo kozmosa.

Temne snovi še vedno nismo zaznali. Tudi če pogledamo vzorec temperaturnih nihanj v kozmičnem mikrovalovnem ozadju, kar kaže na medsebojno delovanje snovi in ​​energije v zgodnjem vesolju, lahko fiziki ocenijo njeno številčnost v primerjavi z navadno snovjo. Rezultat tega je, da temna snov prevlada nad normalno snovjo. Kozmos predstavlja približno pet odstotkov navadne snovi, 27 odstotkov temne snovi in ​​68 odstotkov temne energije - druge skrivnostne oblike mase/energije. Takšna je resnica - vsaj za zdaj.

V zadnjem času pa se je iz meritev, koliko se galaksije strnejo na lestvici 8 kiloparsekov, pojavila uganka. Vrednost te količine, znane kot sigma-8, je odvisna od tega, koliko mase je v vesolju, ker gravitacija, ki izhaja iz nje, združuje skupine. Izmerimo ga lahko na podlagi opazovanj ali pa ga predvidimo na podlagi standardnega modela. Natančne meritve spet povzročajo skrb zbujajoče razlike.

Standardni model na podlagi ugotovljenih razmerij različnih vrst snovi in ​​obnašanja gravitacije, kot je opisano s splošno relativnostjo, predvideva, da mora imeti sigma-8 vrednost 0,81. Toda ko so Hendrik Hildebrandt z nemške Ruhr-University v Bochumu in njegovi kolegi leta 2017 izmerili to vrednost, so dobili drugačen odgovor. Uporabili so tehniko, imenovano šibka gravitacijska leča, ki meri, koliko svetlobo iz oddaljenih galaksij izkrivljajo masivni predmeti med nami in njimi. Njihova vrednost za sigmo-8 je bila 0,74, kar kaže na to, da je v vesolju manj snovi, kot predvidevamo pri uporabi standardnega modela.

Observatoriji, kot sta zemeljski observatorij Vera Rubin in vesoljska misija Euclid, ki ga vodi vesoljska agencija, naj bi v prihodnje izboljšali te meritve. Če neskladje ostane, ga bo treba pojasniti. Če ga ni mogoče, potem obstaja še en razlog, da mislimo, da je treba našo standardno kozmologijo prenoviti, piše New Scientist.