Ta ogromna gromada galaktyk, nazwana Abell 2744 i nosząca przydomek Gromada Pandory, została sfotografowana przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a w ramach programu Pola Graniczne, w którym Hubble wraz z innymi wielkimi obserwatoriami NASA bada wczesny Wszechświat, przepatrując duże gromady galaktyk. Gromada jest tak masywna, że jej potężna grawitacja ugina światło galaktyk znajdujących się daleko za nią, sprawiając, że obiekty tła wydają się większe i jaśniejsze, co jest zjawiskiem zwanym soczewkowaniem grawitacyjnym. Soczewkowanie grawitacyjne pozwala teleskopom zobaczyć bardzo odległe galaktyki, które w innym przypadku byłyby poza ich zasięgiem (NASA Hubble, CC BY 2.0, zdjęcie modyfikowane / Wikimedia)
Po dekadach pomiarów wydawało się, że wiek Wszechświata jest już dobrze znany. Tymczasem obraz ten „psują” wyglądające staro młode galaktyki czy też ogromne czarne dziury obserwowane krótko po Wielkim Wybuchu. Wiek Wszechświata pozostaje więc zagadką – mówi w rozmowie z PAP astronom prof. Tomasz Bulik.
Naukowcy z Uniwersytetu w Ottawie stwierdzili niedawno, że Wszechświat może być nawet dwa razy starszy, niż sądzono. Miałoby to m.in. wyjaśniać, dlaczego obserwowane przez Teleskop Jamesa Webba galaktyki, które według wyliczeń istniały 300 mln lat po Wielkim Wybuchu, wyglądają, jakby liczyły kilka miliardów lat. Zdaniem prof. Bulika, choć pozornie argumenty kanadyjskiego zespołu są spójne, to jednak ich teza stwarza więcej problemów, niż rozwiązuje.
„Istnieje poważny problem z tym, że we wczesnym Wszechświecie obserwujemy galaktyki wyglądające na bardzo stare. Aby to wyjaśnić, kanadyjscy naukowcy zaproponowali rozwiązanie, które – według mnie – oznacza przysłowiowe wpadnięcie z deszczu pod rynnę. Odkurzono starą teorię tzw. zmęczonego światła, według której fotony tracą energię w czasie swojej podróży przez przestrzeń. W efekcie przypomina to – powszechnie uznane – przesunięcie w kierunku podczerwieni (im dalsze obiekty, tym więcej czerwonej barwy zawiera ich światło), wynikające z rozszerzania się Wszechświata. Kiedyś teoria zmęczonego światła miała stanowić alternatywę dla wspomnianego przesunięcia. Teraz zaproponowano hybrydowy model, który ma łączyć oba mechanizmy. Niestety, pojawia się przy tym szereg problemów, które wymagają wyjaśnienia z pomocą obserwacji czy eksperymentów. Na samą teorię zmęczonego światła nałożone są też silne ograniczenia, a do tego jest tak naprawdę sprzeczna z zasadą zachowania energii” – wyjaśnia prof. Tomasz Bulik.
Nie tylko obraz „nietypowych” galaktyk nie zgadza się z obecnymi szacunkami wieku Wszechświata – zwraca uwagę astronom. „W obserwacjach dalekiego, a więc wczesnego Wszechświata pojawiają się olbrzymie czarne dziury o masie miliardów mas Słońca. Rodzi się więc pytanie, jak one mogły powstać, skoro według obecnej teorii potrzeba do tego długiego czasu? Takie obiekty powstają z mniejszych czarnych dziur, na które spływa okoliczna materia, czy też spadają inne czarne dziury. Mamy więc do czynienia z ogromną zagadką. Być może jednak należy szukać innych rozwiązań niż postarzanie Wszechświata. Podejrzewam, że taka radykalna hipoteza miałaby liczne konsekwencje, np. dla mikrofalowego promieniowania tła czy wielu innych obserwacji. Obecnie dysponujemy naprawdę zgodnym obrazem Wszechświata i jego ewolucji. To prawda, że co jakiś czas pojawiają się na nim rysy, ale być może nie potrzebujemy rewolucji, aby się ich pozbyć” – tłumaczy ekspert.
Zdjęcie z teleskopu Hubble’a przedstawia galaktykę spiralną ESO 137-001, skadrowaną na jasnym tle, gdy porusza się ona przez serce gromady galaktyk Abell 3627. Na zdjęciu nie tylko uchwycono galaktykę i jej tło w zachwycających szczegółach, lecz także coś bardziej dramatycznego – intensywnie niebieskie smugi wybiegające na zewnątrz galaktyki, widoczne jako świecące jasno w świetle ultrafioletowym. Smugi te są w rzeczywistości gorącymi, wiotkimi strumieniami gazu, które są wyrywane z galaktyki przez jej otoczenie podczas jej ruchu w przestrzeni (ESA/Hubble, CC BY 4.0, zdjęcie modyfikowane / Wikimedia)
Jak podkreśla, kluczem do poznania wieku Wszechświata jest badanie tego, jak się rozszerza. „Einstein sądził, że Wszechświat jest statyczny, ale potem okazało się, że taka konfiguracja nie byłaby stabilna. Małe odchylenie spowodowałoby, że kosmos natychmiast zacząłby się kurczyć lub rozszerzać. Dziś wiemy o Wielkim Wybuchu i ciągłej ekspansji kosmosu, która na dodatek przyspiesza. Wiek Wszechświata można więc określić przez analizę tempa tej ekspansji, o którym mówi tzw. stała Hubble’a. To wynik badań prowadzonych od wielu lat, z użyciem różnorodnych obserwatoriów” – kontynuuje kosmolog.
Istnieją jednak pewne problemy. „Pomiar stałej Hubble’a wymaga określenia odległości i prędkości różnych obiektów, a to bardzo trudne. Główny problem polega jednak na tym, że mamy jej dwie różne wartości. Jedna wynika z pomiarów obiektów bliskiego Wszechświata, np. supernowych. Druga natomiast – z obserwacji kosmosu dalekiego czy mikrofalowego promieniowania tła. Różnica sięga prawie 10 proc., więc jest to ogromna rozbieżność. Być może jedna z metod obarczona jest poważnym błędem; albo jest to wskazówka, że widzimy kolejną rysę na naszym pięknym gmachu kosmologicznego modelu, z którego jesteśmy wszyscy tak dumni” – wyjaśnia prof. Bulik.
Nie tylko nad wiekiem Wszechświata nadal dyskutują naukowcy – spory dotyczą także tego, jak w trakcie ewolucji kosmosu zmieniał się upływ samego czasu. Niedawno zespół z University of Sydney stwierdził, że niedługo po Wielkim Wybuchu czas miał płynąć aż pięciokrotnie wolniej niż obecnie. „Trzeba dobrze rozumieć, o czym mówimy. Gdyby ktoś znalazł się w tamtym okresie, nie odczułby różnicy – dla niego czas płynąłby normalnie, w tempie odpowiednim do jego procesów biologicznych. Jednak z naszego punktu widzenia, w dalekiej przeszłości Wszechświata czas faktycznie płynie wolniej. Widzimy to, spoglądając na dalekie, czyli istniejące dawno temu, obiekty. Przyspieszanie czasu ma związek z ekspansją Wszechświata. To potwierdzenie tego, że Wszechświat razem z całą czasoprzestrzenią się rozszerza” – tłumaczy kosmolog.
Jak to się ma do szacowania wieku Wszechświata? Jak zaznacza prof. Bulik, to, że „Wszechświat liczy sobie 13,8 mld lat, oznacza, że światło potrzebuje tyle czasu na pokonanie drogi do nas. Wyrażane w latach świetlnych odległości mierzy się natomiast na różne sposoby. Jednak niezależnie od metody uważamy, że od Wielkiego Wybuchu światło podróżowało do nas właśnie 13,8 mld lat. Mówimy przy tym o ‘naszych latach’, czyli mierzonych według obecnego upływu czasu” – wyjaśnia ekspert.
Galaktyka Koło Wozu to galaktyka pierścieniowa znajdująca się ok. 500 mln lat świetlnych stąd, w gwiazdozbiorze Rzeźbiarza. Tutaj pokazano ją w bliskiej podczerwieni, uchwyconą przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Teleskop wykonał również zdjęcie w średniej podczerwieni, a także połączenie tych dwóch obrazów (NASA, ESA, CSA, STScI / domena publiczna)
Według naukowca można się spodziewać jeszcze wielu odkryć, i to prawdopodobnie w niedługim czasie. Wiele zmuszających do zastanowienia danych przesyła na przykład Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
„Myślę, że te dane stanowią duże wyzwanie dla astronomów. To pierwsze oznaki tego, że musimy się naprawdę zastanowić na przykład nad tym, jak mogły powstać galaktyki przynajmniej pozornie wskazujące na inny wiek Wszechświata. Myślę, że już obserwacje prowadzone z pomocą Teleskopu Jamesa Webba przyniosą wiele zagadek odnośnie działania i budowy Wszechświata, które będziemy musieli wyjaśnić” – podkreśla.
Prawdopodobnie więc nadchodzi złoty czas badań kosmosu. „Wchodzimy w dobrą erę rozwoju astronomii. Powstaje wiele nowych instrumentów. Mamy już dobrze działający model Wszechświata, ale to tylko model i zapewne będzie się zmieniał w miarę poznawania nowych faktów. Wiele rzeczy może nas jeszcze zaskoczyć, i to jest dobra wiadomość” – stwierdza prof. Bulik.
Prof. dr hab. Tomasz Bulik pracuje jako profesor zwyczajny w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego oraz w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk. Jest współzałożycielem Centrum Astrofizyki Cząstek – AstroCeNT, gdzie pełni funkcję kierownika zespołu zajmującego się projektowaniem i budową sensorów do wykrywania fal grawitacyjnych. Jest członkiem współpracy LIGO-Virgo-KAGRA poświęconej detekcji fal grawitacyjnych. Pracuje także nad przygotowaniem nowego instrumentu do wykrywania fal grawitacyjnych – Einstein Telescope i bierze udział w pracach obserwatorium High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Jest autorem ponad 700 prac naukowych, cytowanych ponad 90 tys. razy.
Autor: Marek Matacz, PAP.
