Ciemne wieki wszechświata

Hic sunt dracones (tutaj żyją smoki) – określenie to pojawiło się ponad pięćset lat temu na jednym z najstarszych globusów. Współcześnie oznacza ono kres naszej wiedzy. Chociaż powierzchnia Ziemi nie zawiera już takich miejsc, to ciągle pojawiają się one na czasoprzestrzennej mapie naszego Wszechświata.

Gęsta zupa materii

Dzięki gwałtownie rozwijającej się technologii astronomowie spoglądają coraz głębiej w przestrzeń kosmiczną. Ze względu na niewyobrażalną skalę kosmologicznych odległości, które pokonują swym ogromem nawet tak szybkiego podróżnika jak światło, astronomiczna podróż zabiera nas nie tylko w odległe regiony, ale umożliwia również oglądanie gwiazd i galaktyk takimi, jakie były miliardy lat temu. Jest to więc podróż w czasie i przestrzeni.

W XX wieku odkryliśmy, że Wszechświat nie jest odwieczny, lecz narodził się w Wielkim Wybuchu niecałe 14 mld lat temu. Od tego czasu rozszerza się i stygnie. Około 400 tys. lat po Wielkim Wybuchu temperatura zmalała na tyle, że cząstki elementarne: elektrony i protony, mogły utworzyć wspólnie najprostsze atomy – atomy neutralnego (pozbawionego ładunku elektrycznego) wodoru. To uwięzienie elektronów oswobodziło fotony, które nie rozpraszając się na elektronach od tego momentu mogły poruszać się prawie swobodnie, tworząc tzw. promieniowanie tła (promieniowanie, a nawet materia jest w pewnym sensie zarówno falą, jak i cząstką, dlatego możemy utożsamiać pojęcia promieniowania elektromagnetycznego i fotonów). Pierwotna gęsta zupa materii stała się przeźroczysta. Promieniowanie tła stanowi jedno z naszych najcenniejszych źródeł informacji o Wszechświecie. Jego badania zostały dwukrotnie ukoronowane Nagrodą Nobla.

W skali kosmologicznej moment uwolnienia promieniowania tła nastąpił dosyć gwałtownie. To pierwsze światło, jak się przyjęło je potocznie określać, przypomina trochę błysk flesza – dysponujemy fotografią wczesnego Wszechświata! Na pierwszy rzut oka zdjęcie nie jest zbyt ciekawe: materia wypełnia Wszechświat niesamowicie równomiernie, więc nie istnieją obiekty, które można by podziwiać. Dopiero skrupulatna analiza ujawnia intrygujące szczegóły: drobne pierwotne zaburzenia mające swoje źródło najprawdopodobniej w fundamentalnych kwantowych właściwościach materii. To właśnie z tych zaburzeń, wskutek działania grawitacji, powstaną galaktyki, gwiazdy, a w końcu i my sami. Lecz zanim to nastąpi, Wszechświat pogrąży się w ciemności. Epoka w historii Wszechświata pomiędzy uwolnieniem promieniowania tła a powstaniem pierwszych gwiazd (kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu) nosi nazwę Ciemnych Wieków.

Mrok Ciemnych Wieków ustępował powoli. W następującej po nich Epoce Powtórnej Jonizacji promieniowanie pierwszych gwiazd (a także rozgrzanej materii spadającej na czarne dziury) rozjaśniło niebo i na nowo oderwało elektrony od protonów, rozbijając atomy neutralnego wodoru.

21 centymetrów

Wieki Ciemne Wszechświata skrywają intrygujące naukowe sekrety. Jak wiemy z analizy promieniowania tła, wkraczając w tę epokę, Wszechświat był prawie idealnie jednorodny. Najdalsze współczesne obserwacje pokazują, że wyłaniając się z niej, zawierał skomplikowane struktury (galaktyki, gromady galaktyk...). Wszystko, co wydarzyło się w międzyczasie, ginie w ciemnościach tej epoki.

Czy naprawdę nie da się podglądnąć narodzin pierwszych kosmicznych struktur? Prawie wszystkie obserwacje astronomiczne wykorzystują promieniowanie elektromagnetyczne, czyli fotony o różnych energiach (fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma), ale w epoce bez gwiazd brakuje silnych źródeł promieniowania. Potrafimy już także obserwować Wszechświat za pomocą fal grawitacyjnych, lecz detekcja tych pochodzących z epoki Ciemnych Wieków na razie pozostaje kwestią dalszej przyszłości.

W Wiekach Ciemnych Wszechświat wypełniony był prawie całkowicie neutralnym wodorem. Wodór ten, podobnie jak inne lżejsze od żelaza atomy, nie promieniuje sam z siebie. Trzeba pobudzić go odpowiednią dawką energii, tak aby atom, powracając do swojego podstawowego stanu, odesłał uzyskany nadmiar energii za pomocą promieniowania elektromagnetycznego. To promieniowanie potencjalnie można by zaobserwować. Czy taki proces mógł mieć miejsce w Wiekach Ciemnych? Najbardziej prawdopodobnym źródłem takiej pobudzającej energii mogłyby być zderzenia atomów wodoru pomiędzy sobą lub przypadkowe uderzenia fotonów promieniowania tła. Niestety energia dostarczona w ten sposób jest zbyt mała, by pobudzić neutralny wodór do wysłania fotonu w standardowy sposób, tak jak dzieje się to w ziemskich laboratoriach. Z dokładniejszej analizy struktury wewnętrznej atomu neutralnego wodoru wynika, że istnieje też inna możliwość pojawienia się promieniowania – proces ten jest o wiele mniej prawdopodobny, ale może zostać zapoczątkowany przez słabsze zderzenia.

Energię fotonu można określić przez podanie długości odpowiadającej mu fali elektromagnetycznej. Odpowiednio lekko pobudzony neutralny wodór może wysłać foton o długości fali 21 cm. Fizycy często o tym zapominają, bo na emisję takiego fotonu przez pojedynczy atom neutralnego wodoru po pobudzeniu trzeba czekać przeważnie aż 10 mln lat, o co trudno w laboratorium. Skala czasu w kosmologii jest jednak odpowiednio duża, a olbrzymia liczba atomów neutralnego wodoru we Wszechświecie znacząco ułatwia sprawę.

Właśnie dzięki 21-centymetrowemu promieniowaniu neutralnego wodoru astronomowie mają nadzieję na spojrzenie w mroki Ciemnych Wieków i zrozumienie zachodzących wówczas procesów. Podglądnięcie, w jaki sposób neutralny wodór zanikał pod wpływem promieniowania pierwszych gwiazd (w Epoce Powtórnej Jonizacji), pozwoliłoby uzyskać bezpośrednią informację o formowaniu się kosmicznych struktur. Ponieważ obie epoki były rozciągnięte w czasie, to dokonując tego typu obserwacji uzyskalibyśmy nie tylko pojedyncze zdjęcie Wszechświata (jak w przypadku promieniowania tła), ale cały film!

Radioteleskop o rozmiarach Europy

Niektóre urządzenia znajdujące się w naszych domach mogą odbierać fale elektromagnetyczne o długości 21 cm. Jednak wskutek ekspansji Wszechświata fale, które docierają do nas z Ciemnych Wieków, zostały rozciągnięte. Obecnie Wszechświat jest mniej więcej tysiąc razy większy niż na początku Ciemnych Wieków. To oznacza, że długość fali promieniowania uwolnionego na początku tej epoki wzrosła z 21 centymetrów do 210 metrów. Promieniowanie wyemitowane pod koniec Epoki Powtórnej Jonizacji, gdy Wszechświat był tylko kilkakrotnie mniejszy niż dzisiaj, odpowiada obecnie falom o długości około metra. Interesują nas więc fale radiowe o długości od 1 do około 200 metrów. To też nic niezwykłego. Domowe radia mogą odbierać fale długie, nawet takie, które mają kilka kilometrów długości. Niestety, taki sprzęt nie okaże się pomocny. Gdy słuchamy radia, nie interesuje nas to, z której strony dotarł do nas sygnał radiowy. Żeby stworzyć mapę Wszechświata, należy precyzyjnie rozdzielić fale nadchodzące z dwóch bliskich obszarów nieba. Dlatego anteny większości radioteleskopów mają kształt talerzy i przypominają powiększone anteny satelitarne. Nakierowując taki „talerz” (czaszę) w odpowiednią stronę, rejestrujemy sygnał nadbiegający z danego kierunku. Krok po kroku przeczesując niebo, tworzymy mapę.

Im dłuższe fale chcemy zaobserwować, tym większa powinna być czasza radioteleskopu. Niestety, największy polski radioteleskop w Toruniu (32 metry średnicy), a nawet największy radioteleskop na świecie (ukończone w 2016 r. chińskie „Oko nieba” – FAST, od Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, o średnicy, zgodnie z nazwą, 500 metrów) nie pozwalają spojrzeć tak daleko, jak byśmy chcieli. Gdyby nie pomysłowość astronomów, tajemnice Ciemnych Wieków pozostałyby jeszcze na wiele lat pogrążone w ich mroku.

Zwykłe radio, wykorzystując niewielką antenę, może odbierać fale radiowe o długości setek metrów, ale za pomocą pojedynczego odbiornika nie jesteśmy w stanie dokładnie określić kierunku, z którego nadbiegła fala. Możemy jednak wykorzystać wiele niewielkich anten rozmieszczonych w przestrzeni. Radio, które znajduje się dalej od stacji nadawczej, odbierze sygnał trochę później niż odbiorniki będące bliżej. Porównując czas nadejścia sygnału możemy określić położenie anteny nadawczej. Fale radiowe podróżują w próżni z prędkością światła. Docierają one do wszystkich odbiorników prawie równocześnie, więc trzeba dysponować dokładnym pomiarem czasu, aby wykryć tak drobne różnice.

Radioteleskopy działające na tej zasadzie określa się mianem interferometrów astronomicznych. Wiele mniejszych radioteleskopów lub anten umieszczonych w odległych od siebie miejscach działa wspólnie jak jeden wielki instrument o rozmiarach odpowiadających odległościom pomiędzy skrajnymi elementami. Można w ten sposób osiągnąć ogromne efektywne rozmiary radioteleskopu – np. wielkości całej Europy.

Typowy interferometr łatwo rozpoznać po nieruchomych prętach rozproszonych na poletkach niczym drzewka wyrastające z ziemi. Jeden z nich (należący do Uniwersytetu Jagiellońskiego) znajduje się w Łazach koło Krakowa i jest częścią większego projektu nazwanego LOFAR (Low-Frequency Array). W przeciwieństwie do tradycyjnych radioteleskopów LOFAR nie przeczesuje nieba punkt po punkcie, lecz jego anteny zbierają informacje z wielu stron równocześnie. Badając korelacje pomiędzy sygnałami zarejestrowanymi przez różne anteny można odtworzyć kierunki nadejścia fal i położenie źródeł. Interferometry tego typu są znacznie łatwiejsze w utrzymaniu (brak ruchomych elementów!), lecz przetwarzanie pochodzących z nich danych jest trudne – wymaga olbrzymich mocy obliczeniowych. To właśnie dlatego interferometry o gigantycznych rozmiarach, takie jak LOFAR, mogły powstać dopiero teraz. Oprócz ściśle informatycznych trudności astronomowie muszą zapanować nad zakłóceniami, zarówno tymi wygenerowanymi przez człowieka, jak i pochodzącymi z przestrzeni kosmicznej. Sygnał radiowy, którego szukają, jest około 10 tys. razy słabszy niż emisja radiowa naszej galaktyki.

Co jest do odkrycia

Wśród astronomów mrok Ciemnych Wieków budzi bardziej ciekawość niż strach. Nikt już nie oczekuje, że dostrzeżemy tam smoki. Obserwacje powinny ujawnić, w jaki sposób z pierwotnej zupy materii wyłoniły się pierwsze galaktyki. Jednak najciekawsze odkrycia są przeważnie nieoczekiwane. Choć trudno przewidzieć to, co niespodziewane, fizycy teoretycy mają nieco hipotez na temat niezwykłych rzeczy, które mogłyby się kryć w mroku.

Obecnie wiemy, że w centrach prawie wszystkich galaktyk znajdują się czarne dziury. Co dziwniejsze, obserwacje ukazują, iż gigantyczne czarne dziury istniały już wtedy, gdy światło pierwszych gwiazd rozjaśniało pierwotne ciemności. Wiemy, w jaki sposób czarne dziury rosną pochłaniając materię, lecz trudno wytłumaczyć, dlaczego urosły one tak prędko. Niektórzy przypuszczają, iż wczesny Wszechświat mógł zawierać tzw. defekty topologiczne – obiekty przypominające pęknięcia w strukturze czasu i przestrzeni. To właśnie one mogłyby się stać zalążkami obecnych czarnych dziur i przyspieszyć proces ich wzrostu.

Standardowy model kosmologiczny przewiduje istnienie ciemnej materii. Nie wiemy jednak, czym ona jest. Wymyka się naszym detektorom i obserwujemy ją tylko pośrednio, poprzez jej oddziaływania grawitacyjne z innymi obiektami. Jeśli procesy zachodzące w ciemnej materii łatwiej dostrzec w mrokach Ciemnych Wieków (mogłyby one pobudzać neutralny wodór do świecenia), to obserwując tę epokę, mielibyśmy szansę na rozwiązanie kolejnej tajemnicy.

Lista zagadek, na które mamy nadzieję poznać odpowiedzi dzięki nowym obserwacjom, jest bardzo długa. Czekają nas niespodzianki, ale pewnie i rozczarowania. Jedno nie ulega wątpliwości. Rozwój technologii uruchomił astronomiczną lawinę odkryć. Obecnie na drodze tej lawiny znajdują się Ciemne Wieki Wszechświata. ©

Autor jest doktorem habilitowanym fizyki, pracuje w Zakładzie Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii w Obserwatorium Astronomicznym UJ. Członek Centrum Kopernika.

A może... na Księżycu?

LOFAR to tylko jeden z wielu nowych instrumentów wykorzystujących interferometrię do badania Epoki Powtórnej Jonizacji.

Można wspomnieć MWA (Mileura Widefield Array) w Australii, PAPER (Precision Array for Probing the Epoch of Reionization) w USA i Południowej Afryce, chiński 21CMA (21 CentiMeter Array). Międzykontynentalny SKA (Square Kilometer Array) w Australii, Nowej Zelandii i RPA sięgnie jeszcze dalej w końcową fazę Ciemnych Wieków.

Co więcej, istnieją nie tak znowu surrealistyczne plany zbudowania radioteleskopu DALI (Dark Ages Lunar Interferometer), który miałby powstać na niewidocznej stronie Księżyca.

DALI, jeśli powstanie, sięgnie najdalej – do początków Ciemnych Wieków. Chociaż ten radioteleskop nie ma obecnie zapewnionego finansowania, to projekty księżycowe nie są zwykłym science fiction. Już niedługo, bo na rok 2018, zaplanowana jest chińska misja „Chang’e 4”, dzięki której po niewidocznej stronie Księżyca powstanie prosty interferometr.

Chang’e to imię pięknej dziewczyny – chińskiej bogini Księżyca. Sukces tej misji zapewni Chinom rolę nowego lidera w podboju Srebrnego Globu i otworzy drogę do budowy większych księżycowych interferometrów.