Wiemy, że Wszechświat istnieje od miliardów lat. Wiemy też, że wypełniają go miliardy galaktyk zawierających miliardy świecących gwiazd. Dlaczego więc, gdy tarcza Słońca znajduje się po drugiej stronie planety, na Ziemi panują nieprzeniknione ciemności? To pytanie zadał sobie w latach dwudziestych XIX wieku niemiecki astronom Wilhelm Olbers, a my dzisiaj spróbujemy na nie odpowiedzieć.
Na samym początku uprzedzam, że paradoks został sformułowany już jakiś czas temu i z tego powodu jego założenie może brzmieć nieco dziecinnie. Olbers zakładał bowiem nieskończoność oraz jednorodność Wszechświata, natomiast nasz aktualny stan wiedzy mówi o skończoności i niejednorodności, przynajmniej w przypadku materii. Jednakże paradoks jest tylko pretekstem do wytężenia wyobraźni, nie przedłużajmy więc tego wstępu i zaczynajmy.
Wielki Big Bang
Wszystko zaczęło się od Wielkiego Wybuchu i nie jest to artystyczna metafora – z początkowej osobliwości powstała nie tylko cała przestrzeń, ale również czas, wobec tego w typowym rozumieniu nie możemy mówić o czasie „przed” początkiem. O osobliwości pisałem przy okazji poprzedniego odcinka traktującego o czarnych dziurach. Dla przypomnienia – jest to miejsce, w którym ogromne ilości materii zgromadzone są w nieskończenie małym punkcie, co w efekcie daje nieskończoną gęstość w tym punkcie. Zdaję sobie sprawę, że wyobrażanie sobie „nieskończoności” to zadanie dość karkołomne, ale nie zrażajmy się tym i chodźmy dalej.
Hipotetycznie osobliwość spełnia warunki do tego, by mógł się z niej narodzić cały Wszechświat. Piszę „hipotetycznie”, ponieważ sam Wielki Wybuch również jest hipotetyczny – to najlepiej udowodniona i przestudiowana teoria (nie teoria naukowa!) powstania Wszechświata, natomiast wciąż nie mamy pewności, czy mimo wszystko czegoś nie przeoczyliśmy. Wszystko zdaje się jednak wskazywać, że mamy rację, a wyniki pewnych badań z lat 2012-2013 (o badaniach później) dołożyły do tej racji kolejną cegiełkę. W jednym z poprzednich odcinków przewinął się temat mikrofalowego promieniowania tła, które jednorodnie wypełnia cały Wszechświat – wytłumaczyliśmy sobie, że ta jednorodność wynika z faktu rozszerzania się Wszechświata. To tak, jakby mieć elastyczne opakowanie wypełnione jakimś gazem, a następnie je rozszerzyć – gazu będzie tyle samo, natomiast w każdym punkcie opakowania będzie on znacznie rzadszy.
Mikrofalowe promieniowanie powstało jednak w Wielkim Wybuchu, natomiast od tego wydarzenia minęło naprawdę sporo czasu. Niezliczone ilości gwiazd zdążyły się narodzić i efektownie umrzeć, zaś podczas życia emitowały one w przestrzeń mnóstwo fotonów w całym spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Tymczasem, jak wynika z tytułu, tego światła widzialnego nie ma tak dużo, bo… w nocy jest ciemno, prawda? Tylko czy na pewno ciemność oznacza pustkę?
Pozagalaktyczne światło tła
EBL, czyli extragalactic background light, to światło składające się z wszystkich fotonów wyemitowanych w trakcie całej historii Wszechświata przez wszystkie dotąd istniejące gwiazdy i galaktyki we wszystkich zakresach promieniowania. Brzmi to dość dziwnie, natomiast chodzi po prostu o całe promieniowanie przemierzające Wszechświat. Już w latach 60. ubiegłego wieku, kiedy to kosmologia przestała być filozofią i stała się nauką opartą na faktach obserwacyjnych, badacze zauważyli, że Wszechświat nie jest całkiem pusty. Wypełnia go swoisty rozrzedzony „gaz” fotonów pędzących w dosłownie każdym kierunku. Częścią tego gazu jest zarówno EBL, jak i mikrofalowe promieniowanie tła, przy czym to drugie jest najbardziej widoczne.
Ktoś może zapytać – dlaczego to są dwie różne rzeczy, skoro obie polegają na tym, że przez kosmos leci sobie fala elektromagnetyczna? To dość proste – mikrofalowe promieniowanie tła powstało w trakcie Wielkiego Wybuchu i od tego czasu pozostaje takie samo, natomiast EBL jest dynamicznie budowane przez każdy kolejny foton wyemitowany z każdej gwiazdy we Wszechświecie. Wyzwaniem okazało się odróżnienie tych dwóch rzeczy. Ponieważ Ziemia znajduje się w dość jasnej galaktyce, konieczne było wyodrębnienie poszczególnych źródeł promieniowania. W jaki jednak sposób odkryć, że obserwowane promieniowanie pochodzi z galaktyki oddalonej o sto tysięcy lat świetlnych, a jakie z tej oddalonej o dwieście tysięcy lat świetlnych? Jeśli śledzicie kosmiczne nowinki, to z pewnością w oczy rzuciło Wam się sformułowanie „przesunięcie ku czerwieni”.
Aby zrozumieć, czym owo przesunięcie jest, wykonajmy proste ćwiczenie myślowe. Wyobraźcie sobie kawałek spiralnej sprężynki o jakiejś długości – sprężyna będzie odwzorowaniem fali elektromagnetycznej wędrującej z punktu początkowego do punktu końcowego. Teraz rozciągnijcie nieco sprężynę – odległość między dwoma punktami zwiększyła się, chociaż sprężyna cały czas pozostaje ta sama. Gdyby sprężyna rzeczywiście była falą elektromagnetyczną, nastąpiłoby przesunięcie ku czerwieni – innymi słowy zwiększyłaby się długość fali (odległość między dwoma punktami w takiej samej fazie, na przykład dwoma wierzchołkami), a zmniejszyła jej częstotliwość. W praktyce oznacza to, że jeśli gwiazda wyemituje światło widzialne, to wraz ze wzrostem odległości światło będzie pierw coraz bardziej czerwone, aż w końcu przejdzie w podczerwień, której nie zobaczymy ludzkimi oczami. Oczywiście jest do tego potrzebny ruch, ale ponieważ Wszechświat cały czas się rozszerza, to ten warunek jest spełniony. Każdy z nas uczył się o tym w szkole, ponieważ przesunięcie ku czerwieni to nic innego, jak inna postać efektu Dopplera, o którym na lekcjach uczy się na przykładzie zmiany natężenia dźwięku. Dla dopełnienia dodam tylko, że w przypadku fal elektromagnetycznych nazywa się to relatywistycznym efektem Dopplera, ale cały czas mamy do czynienia z tym samym zjawiskiem.
Jak wykryć EBL?
Astronomowie pogodzili się już z faktem, że bezpośrednie wykrycie EBL jest niemożliwe z powierzchni Ziemi. W dzień naturalnie przeszkadza blask Słońca, w nocy zaś okazuje się, że nawet blask Drogi Mlecznej uniemożliwia wykrycie fotonów EBL. Dlatego też dopiero wyniesienie na orbitę Kosmicznego Teleskopu Hubble’a w 1990 roku pozwoliło rozpocząć obserwacje. Na podstawie wspomnianego przesunięcia ku czerwieni udało się z pewnym przybliżeniem ustalić dolną oraz górną granicę dla jasności pozagalaktycznego światła tła. Granice okazały się jednak mało precyzyjne, ale skoro zostały ustalone dzięki danym z najlepszych teleskopów, to skąd wiemy, że są mało precyzyjne? Szach, mat? Niezupełnie.
Jeszcze w latach 60. ubiegłego wieku część astronomów zaczęła zastanawiać się nad możliwością wykrycia EBL nie za pomocą bezpośrednich obserwacji, ale poprzez obserwacje reakcji fotonów EBL z fotonami promieniowania, które znacznie łatwiej zauważyć. W 1992 roku Kosmiczny Teleskop Comptona zaobserwował po raz pierwszy obiekt, który został nazwany blazarem (artystyczna wizja na zdjęciu pod tytułem artykułu). Obecnie wiemy, że blazary to takie galaktyki aktywne, których źródło promieniowania pochodzi głównie ze strumienia materii wyrzucanego z biegunów jądra. Innymi słowy, taką galaktykę widzimy głównie dzięki energii zgromadzonej w jądrze galaktyki, a nie poprzez energię wszystkich jej składników. Ów strumień materii nazywa się dżetem, zaś warunkiem wykrycia jest skierowanie dżetu w stronę obserwatora z dopuszczalnym odchyleniem zaledwie kilku stopni. Oznacza to, że nie jesteśmy w stanie wykryć wszystkich blazarów, niemniej te, które znamy, w zupełności wystarczyły do poszerzenia naszej wiedzy na temat EBL.
W gruncie rzeczy sprawa jest dość prosta. Gdy odległy blazar emituje skierowane w naszym kierunku promieniowanie gamma, część fotonów tego promieniowania zderza się z pędzącymi w każdym kierunku fotonami EBL. W wyniku zderzenia dwóch takich fotonów dochodzi do ich anihilacji oraz do powstania elektronu i pozytonu. W efekcie tego promieniowanie, jako całość, dociera do Ziemi delikatnie osłabione. Dochodzimy w ten sposób do wspomnianych wcześniej „pewnych badań”. W 2013 roku grupa kosmologów (między innymi Alberto Dominguez i Joel R. Primack) przeprowadziła jednoczesne obserwacje kilkunastu blazarów; do przeprowadzenia operacji konieczne było wykorzystanie sześciu kosmicznych teleskopów oraz kilku kolejnych teleskopów naziemnych. Bardzo istotny jest fakt, iż blazary znajdywały się w różnych odległościach od Ziemi. Porównane zostały energie emisji promieniowania gamma oraz promieniowania rentgenowskiego. Dlaczego akurat tych dwóch? Z prostej przyczyny – promieniowanie rentgenowskie jest znacznie słabiej absorbowane przez EBL, a co za tym idzie, obserwacje są w stanie wykazać jasność niemal taką, jaką rzeczywiście emituje blazar.
Dalsze postępowanie było już dość proste. Na podstawie emisji promieniowania rentgenowskiego naukowcy byli w stanie obliczyć, jak mocne powinno być natężenie fotonów gamma danego blazara. Następnie wyniki obliczeń zestawiono z rzeczywistymi obserwacjami i voilà, mamy to. Różnica jasności wyliczonej i jasności obserwowanej bezpośrednio dała wynik jasności EBL. Różne odległości obserwowanych blazarów oznaczały różną „grubość” warstwy pozagalaktycznego światła tła, przez którą musiały przebijać się fotony gamma. Zestawienie tych wszystkich czynników pozwoliło wyznaczyć jasność EBL na tyle dokładnie, że bezpośrednio przyczyniło się do kilku odkryć.
Obserwując przeszłość
Zawsze, kiedy patrzymy w nocne niebo, widzimy przeszłość, nie teraźniejszość. Niektóre gwiazdy obserwujemy w stanie zaledwie sprzed paru lat; w przypadku innych widzimy zaś stan, w jakim znajdywały się, gdy na Ziemi nie istniało jeszcze życie. Im dalej znajduje się obiekt, tym młodszego go widzimy, ale również tym bardziej zniekształcony jest jego obraz. Wyznaczenie wartości EBL pozwoliło na doprecyzowanie odbieranych sygnałów. Obserwacje najdalszych galaktyk pozwoliły odkryć, że początkowo nie miały one kształtu sferoid lub spiral, lecz były zwarte i powyginane. Wszystko przez to, że wczesny Wszechświat był znacznie gęściejszy, a co za tym idzie, galaktyki zderzały się znacznie częściej niż obecnie. Brzmi jak coś oczywistego, ale nie zapominajcie, że w świecie nauki nic nie jest oczywiste, dopóki nie zostanie potwierdzone wieloma bezpośrednimi obserwacjami.
Jak więc jest z tym całym paradoksem Olbersa? Choć obalenie poczynionych w XIX wieku założeń wymaga obecnie tylko aktualnej wiedzy licealnej, to sama istota paradoksu z pewnego punktu widzenia obowiązuje nadal. Bo przecież niebo w nocy jest ciemne, prawda? Jednakże dzięki potwierdzeniu istnienia EBL wiemy, że tak naprawdę nocne niebo wypełnia błysk wszystkich galaktyk, jakie kiedykolwiek istniały we Wszechświecie; błysk trudny do uchwycenia, ale jednak obecny. Do następnego!
P.S. Artykuł opisujący pracę wspomnianych wcześniej kosmologów Domingueza i Primacka dostępny jest w całości pod tym linkiem.
źródło: Scientific American 7/2015
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.