Wszechświat czeka Wielkie Rozdarcie

Szacujemy, że we wszechświecie jest ok. 100 mld galaktyk, z których każda w zależności od wielkości składa się z kilkuset miliardów gwiazd, planet, komet i obłoków pyłu gwiezdnego. Stanowią one jednak zaledwie 5 proc. materii i energii kosmosu. Obserwacja ruchu obrotowego galaktyk wykazała, że grawitacja jest w nich znacznie większa niż wynikałoby to z ilości widocznej materii, którą zawierają.

To naprowadziło naukowców do wniosku, że spoiwem grawitacyjnym jest materia nieemitująca i nieodbijająca promieniowania elektromagnetycznego. Z tego powodu nazwano ją ciemną materią. Jeszcze bardzie tajemnicza od ciemnej materii wydaje się ciemna energia, która ponosi odpowiedzialność za przyśpieszające tempo rozrostu wszechświata.

Na jej trop naprowadziły naukowców supernowe powstałe z układów podwójnych o pewnej określonej masie. Takie układy składają się z olbrzymiej gwiazdy krążącej wokół wspólnego środka z białym karłem, który zasysa z niej zewnętrzne warstwy gazu. Kiedy żarłoczny biały karzeł przekroczy masę 1,44 masy Słońca, nazywaną „granicą Chandrasekhara”, wybucha jak bomba termojądrowa. Przez kilka tygodni jasność tego wybuchu dorównuje łącznej jasności wszystkich pozostałych gwiazd w galaktyce.

Ten specyficzny rodzaj supernowej posiada charakterystyczną jasność absolutną. Dzięki temu używając odpowiednich teleskopów astronomowie mogę wykryć je w każdym zakątku wszechświata i w miarę precyzyjnie określić ich położenie względem galaktyk i innych supernowych tego typu. Nadają się więc idealnie do pomiaru odległości najdalszych galaktyk w kosmosie.

Galaktyki uciekają

W 1929 r. Edwin Hubble odkrył, że galaktyki uciekają we wszystkich kierunkach. Na tej podstawie uznał, że wszechświat się rozszerza.

Ta stała ekspansja rozpoczęła się już po Wielkim Wybuchu. Wielu uczonych uważało do niedawna, że tempo ekspansji będzie z czasem maleć za sprawą hamującego wpływu przyciągania grawitacyjnego.

Logika nakazywała wierzyć, że pod wpływem ciemnej materii grawitacja zatrzyma w pewnym momencie ucieczkę galaktyk i rozpocznie kontrakcje, czyli proces zapadania się wszechświata. W takim przypadku zarówno czas, przestrzeń i materia musiałyby skończyć swoje istnienie w Wielkim Kolapsie, czyli zapadnięciu się w nieskończenie mały i gorący obszar. Wszechświat wróciłby tym samym do swojego stanu początkowego sprzed Wielkiego Wybuchu.

Ekspansja przyśpiesza

Jednak w 1988 roku zespół badawczy The Supernowa Cosmology Project, kierowany przez Paula Perlmuttera, podjął się obserwacji wspomnianych supernowych, aby zobaczyć czy tempo ekspansji wszechświata uległo zmianie. Sześć lat później podobne badania rozpoczęli naukowcy z The High Supernova Search Team pod kierownictwem Briana P. Schmidta i Adama G. Riessa. Staranna analiza danych wykluczała jakiekolwiek pomyłki.

W 1998 roku oba zespoły przedstawiły swoje zdumiewające, lecz także bardzo niepokojące odkrycie. Z raportu wynikało, że rozszerzanie wszechświata nie tylko nie zwalnia, ale znacznie przyśpiesza. Logicznym wnioskiem byłoby więc twierdzenie, że wszechświat będzie się rozszerzał wiecznie. Niestety, to wcale nie takie proste, a wyliczenia wskazują na coś równie strasznego i apokaliptycznego jak Wielki Kolaps. Tajemnicza siła, którą naukowcy nazwali ciemną energią, nie tylko rozszerza kosmos, przełamując siłę grawitacji, ale coraz bardziej przyspiesza ten proces. Tak jakby nieustannie rosła w siłę.

Ta siła stanowi większość energii naszego wszechświata i stosując bardzo proste porównanie przypomina wdmuchiwane powietrze do balona, który nieustannie powiększa swoją objętość, dążąc do nieuchronnego rozerwania. Oczywiście w przepompowanym balonie pękają jedynie gumowe ściany.

We wszechświecie ten proces jest o wiele bardziej złożony i dotyczy całej czasoprzestrzeni i materii, poczynając od każdego pojedynczego atomu aż po galaktyki. Proces wykładniczo narastającego rozszerzania się wszechświata będzie oznaczał, że któregoś dnia wszystkie atomy we wszechświecie, w tym także te, z których my sami się składamy, ulegną rozerwaniu. Tempo rozrostu ma bowiem charakter wykładniczy, a to znaczy, że kiedy przeczytasz koniec tego zdania wszechświat będzie się rozszerzał dwukrotnie szybciej niż w momencie, w którym zacząłeś go czytać.

Wykorzystujący obserwacje supernowych pomiar szybkości oddalania się galaktyk wykazał, że tempo ekspansji kosmosu jest o 9 proc. wyższe, niż dotychczas sądzono.  Za to odkrycie trzej fizycy: Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt i Adam G. Riess odebrali w 2011 r. Nagrodę Nobla. Zapewne z każdym takim kolejnym badaniem tempo to będzie wzrastało.

Wieloświat Everetta

Nasuwa się dziecięco proste pytanie: w czym się ten wszechświat rozrasta? Czy poza granicami czasoprzestrzeni jest jakaś nieskończona pustka, którą chce wypełnić nasz czterowymiarowy kosmos? Otóż odpowiedź na to pytanie brzmi bardziej filozoficznie niż naukowo i wyraża je tylko jedno słowo: nic.

Wszystko co jest „czymś” powstało w Wielkim Wybuchu, wszystko zaś poza nim nie ma żadnego logicznego sensu istnienia. Z braku jakiegokolwiek odniesienia, można stwierdzić, że wszechświat powiększa się nieustannie, choć nic poza jego granicami nie istnieje. Naukowcy podchodzą do tego zagadnienia z chłodnym pragmatyzmem. Dla nauki nieważne jest, w czym rozszerza się wszechświat, ponieważ nic zewnętrznego nie wpływa na jego naturę. Zgodnie ze znanymi nam prawami fizyki obszar znajdujący się poza wszechświatem w żaden sposób nie wpływa na przyśpieszony rozrost kosmosu oraz na zjawiska w nim zachodzące.

Nie oznacza to, że naukowcy nie spekulują, co może być poza granicami znanego wszechświata. Jedną z najbardziej intrygujących jest teoria wielu światów amerykańskiego fizyka Hugha Everetta III, która zakłada, że wszystko, co się zdarza, tworzy alternatywne odnogi rzeczywistości. Innymi słowy kosmos, w którym żyjemy jest tylko częścią ogromnego multiuniversum zawierającego niezliczone wersje wszechświatów, w których wartość ciemnej energii może być różna. Dla nas ważne jest, że w naszym wszechświecie ciemna energia jest znacznie słabsza, niż przewiduje to większość teorii fizycznych, ale też na tyle silna, że zdołaliśmy ją odkryć za pomocą analizy procesu ekspansji wszechświata.

Apokalipsa za 2,8 mld lat

Nadal jednak nie mamy pojęcia, czym jest ciemna materia. Jedyne co o niej można powiedzieć to to, że jest ona źródłem siły rozrywającej nasz wszechświat. Tak jakby niewidzialne dłonie ciągnęły coraz bardziej napięty materiał czasoprzestrzeni we wszystkich kierunkach. W pewnym momencie to sukno musi się rozerwać.

Taki scenariusz końca wszechświata sformułował jako pierwszy amerykański fizyk Robert Caldwell z Dartmouth College, który nadał mu nazwę Wielkiego Rozdarcia (ang. Big Rip). Caldwell przyjął założenie, że jeżeli wartość ciemnej energii jest stała, rozszerzający się kosmos będzie stabilny. Jeżeli jednak z niewiadomych powodów ciemna energia by przyspieszała, wszystkie atomy wszechświata zostałyby rozerwane na strzępy. Niestety, badania noblistów Saula Perlmuttera, Briana P. Schmidta i Adama G. Riessa wskazują, że ta druga ewentualność jest zdecydowanie bardziej prawdopodobna.