Zważyć pustkę

Dzięki nowej metodzie stworzonej pod kierownictwem polskiego naukowca po raz pierwszy zmierzymy masę olbrzymich, najbardziej niedostępnych rejonów Wszechświata.

01.02.2015

Czyta się kilka minut

Symulacja komputerowa budowy Wszechświata w wielkiej skali. Widoczne tu włókna zbudowane są z tysięcy galaktyk. Większe, jaśniejsze rejony to gromady galaktyk, zaś ciemne obszary to kosmiczne pustki. / Il. Andrew Pontzen i Fabio Governato
Symulacja komputerowa budowy Wszechświata w wielkiej skali. Widoczne tu włókna zbudowane są z tysięcy galaktyk. Większe, jaśniejsze rejony to gromady galaktyk, zaś ciemne obszary to kosmiczne pustki. / Il. Andrew Pontzen i Fabio Governato

Wszechświat jest trochę jak wąż koralówka arlekin: choć na zdjęciach wygląda urzekająco, tak naprawdę jest dla człowieka groźny. Dostarcza nam zapierających dech wrażeń, jak deszcz meteorytów albo światła zorzy polarnej. Ale gdyby nie pole magnetyczne Ziemi, już dawno zniszczyłby nas jeden z koronalnych wyrzutów masy ze Słońca.

W dodatku Wszechświat jest też trochę jak gąbka. Składa się z włókien galaktycznych, pomiędzy którymi jest przeraźliwie pusty. Aż około 70 proc. jego objętości stanowią tzw. kosmiczne pustki.

Nici Wszechświata

Czym jest kosmiczna pustka? My, Ziemianie, zamieszkujemy zakątek galaktyki zwanej Drogą Mleczną, która wchodzi w skład tzw. Grupy Lokalnej, skupiającej co najmniej 50 galaktyk. A ta z kolei jest częścią supergromady o nazwie Laniakea, liczącej ok. 500 mln lat świetlnych średnicy. Z astronomicznego punktu widzenia przebywamy zatem w przestrzeni dość bogatej w materię. Na pierwszy rzut oka może się to wydawać sprzeczne z intuicją: przecież naszą Drogę Mleczną od najbliższej jej galaktyki dzieli ok. 100 tysięcy lat świetlnych, a dystans między Układem Słonecznym a drugą po Słońcu najbliższą nam gwiazdą – Proximą Centauri – to ponad cztery lata świetlne. Również i same galaktyki składają się zwykle w 99,99 proc. z pustej przestrzeni. Ale na miano kosmicznej pustki zasługują jedynie puste przestrzenie między astronomicznymi włóknami – gigantycznymi nićmi tworzonymi przez podłużne skupiska galaktyk – oraz supergromadami galaktyk, czyli miejscami przecinania się włókien.

Nazywając kosmiczne pustki pustymi, tak naprawdę astronomowie mają na myśli wartości średnie. Oznacza to, że są ubogie w materię nie w sensie absolutnym, ale raczej względnym: w porównaniu z resztą znanego nam kosmosu. Uważa się, że pewne ilości materii w kosmicznych pustkach jednak występują, ale z astronomicznego punktu widzenia są niewielkie. Stanowi je, jak w reszcie Wszechświata, zarówno materia barionowa – czyli ta, którą znamy z codziennego doświadczenia, jak i ciemna – której naturę mamy dopiero odkryć [pisaliśmy o niej w „TP” 1/2015 – red.].

Aż do lat 20. XX wieku uważano, że swoim wyglądem Wszechświat przypomina jedną wielką galaktykę, którą gwiazdy wraz z planetami wypełniają w sposób w miarę jednorodny. Sam fakt istnienia kosmicznych pustek odkryto dopiero w latach 70. XX wieku, a sama nazwa „pustka kosmiczna” zaczęła funkcjonować dopiero od lat 80. XX wieku. Pierwszą, którą opisano, była pustka w sąsiedztwie gromady Warkocza Bereniki, a zaobserwowali ją Gregory i Thompson podczas mapowania rejonów w okolicach właśnie tej gromady oraz gromady A1367. W ich ślady zaraz podążyli inni. Katalog kosmicznych pustek zaczął się powiększać i wreszcie zrozumiano, że struktura Wszechświata jest niejednorodna.

Kosmiczna pustka w pobliżu Gromady Warkocza Bereniki

Instrumentem, który stał się bardzo przydatny przy badaniu pustek, okazały się symulacje komputerowe – niejednorodność Wszechświata wraz z jego pustkami i włóknami, jako że determinowana jest prawami grawitacji, okazała się łatwa do wygenerowania za pomocą specjalnie w tym celu pisanych programów. Do dziś zresztą symulacje stanowią jedno z podstawowych narzędzi badawczych w kosmologii.

Co, jak dotąd, o kosmicznych pustkach wiadomo? Astronomowie twierdzą, że są one, obok włókien i supergromad, jedną z trzech podstawowych struktur Wszechświata. Uważa się, że zostały uformowane z niewielkich fluktuacji materii obecnych we wczesnym Wszechświecie. Typowa pustka ma średnicę od 20 do 40 megaparseków, chociaż istnieją też pustki większe, o średnicach dochodzących np. do 150 megaparseków. Jeden megaparsek to w przybliżeniu 3,26 mln lat świetlnych. Oznacza to, że średnica typowej pustki wynosi ok. 65 – 130 mln lat świetlnych.

Jednak tak naprawdę, pomimo że od odkrycia pustek upłynęło już grubo ponad 30 lat, nadal dostarczają one naukowcom więcej pytań niż odpowiedzi.

Brakujące galaktyki

Jednym z takich nurtujących kosmologów zagadnień jest kwestia obecności materii w pustkach. Okazuje się, że statystycznie rzecz biorąc – oczywiście z uwzględnieniem praw grawitacji – powinno w nich być znacznie więcej galaktyk, niż na to wskazują dotychczasowe obserwacje. Rozbieżność ta jest na tyle duża, że nie można jej złożyć na karb błędu statystycznego. Inny problem wyłonił się, gdy w roku 2008 zmierzono temperaturę przenikającego przez pustki tzw. mikrofalowego promieniowania tła, czyli tego, które pozostało po wczesnym Wszechświecie. Okazało się, że przeciętnie wynosi ona o 10 mikrokelwinów mniej niż średnia temperatura mikrofalowego promieniowania tła w pozostałych częściach kosmosu. To wynik dla astronomów szokujący – przy użyciu obecnych sposobów opisu Wszechświata nie da się go dobrze wyjaśnić.

Ewolucja wielkoskalowej struktury Wszechświata pod wpływem grawitacji

Oczywiście, próbuje się te zjawiska jakoś wytłumaczyć. Hipotezy z grubsza podzielić można na dwie grupy. Pierwsza zakłada, że pustki zawierają w sobie mniejszą niż oczekiwana liczbę galaktyk, gdyż rzeczywiście z jakiegoś powodu jest w nich materii mniej, niż wynikałoby to z obliczeń. Sytuacja taka mogłaby zaistnieć, mówią naukowcy, gdyby w pustkach obowiązywały jakieś odmienne niż gdzie indziej, zmodyfikowane prawa grawitacji, które doprowadziły do takiej, a nie innej ewolucji pustki i w konsekwencji do jej odmiennej od oczekiwanej masy. Inne próby wyjaśnienia sugerują, że w pustkach zachodzą być może jakieś dodatkowe, nieznane nam dotąd interakcje, które np. sprawiają, że materia jest z pustki kosmicznej wypychana, w rezultacie powodując mniejsze niż przewidywane nagromadzenie galaktyk. Można by też mniejszą niż oczekiwana liczbę galaktyk w pustkach tłumaczyć tym, że pustki kosmiczne powstały w wyniku „niegaussowskich fluktuacji pierwotnych” – innymi słowy, że wyłoniły się z nietypowych warunków we wczesnym Wszechświecie.

Druga grupa hipotez stara się wyjaśnić, czy to możliwe, by materii w pustkach kosmicznych było tyle, ile przewidują nasze teorie, a jednak nie powstawałyby z niej galaktyki. W tym wypadku jednym z podejrzanych jest ciemna materia i jej hipotetyczne cechy. Np. rozważa się, czy ciemna materia w pustkach kosmicznych nie jest przypadkiem tzw. ciepłą ciemną materią, czyli jej hipotetycznym rodzajem o właściwościach utrudniających formowanie się galaktyk. Wówczas choć materii barionowej w pustkach byłoby tyle, ile się przewiduje, galaktyk byłoby mniej. Nie można wykluczyć też, że ten sam efekt mogą powodować po prostu zachodzące w pustkach nieznane procesy astrofizyczne, czyli dotyczące tylko zwykłej materii barionowej.

W podobny sposób można też klasyfikować teorie tłumaczące, dlaczego na skutek przenikania przez kosmiczne pustki mikrofalowe promieniowanie tła ulega aż tak dużemu, większemu niż można by się spodziewać, ochłodzeniu. Aby rozwiązać te i inne kosmologiczne problemy, dobrze byłoby wpierw wiedzieć, co tak naprawdę znajduje się w pustkach oraz znać ich cechy charakterystyczne – masę. Niestety, do oszacowania jej za pomocą dotychczasowych metod brakuje naukowcom wystarczających danych. Ma je dostarczyć dopiero satelita Euclid, który zostanie wysłany w kosmos w 2020 r.
Jednak dzięki odkryciu grupy badawczej polskiego naukowca dr. Krzysztofa Bolejki może udać się pomierzyć pustki kosmiczne znacznie wcześniej.

„Kosmiczna pajęczyna”, czyli sześcienny wycinek Wszechświata

Gdy gwiazdy ciemnieją

– Zauważyliśmy, że galaktyki znajdujące się bezpośrednio za kosmiczną pustką są dużo jaśniejsze, niż uprzednio sądzono – mówi „Tygodnikowi” dr Bolejko, który pracuje na University of Sydney. – Z kolei galaktyki znajdujące się przed kosmiczną pustką okazały się dużo ciemniejsze. To naprowadziło nas na pomysł wykorzystania tego efektu do zmierzenia masy kosmicznej pustki.

Dzięki temu odkryciu, o którym napisały m.in. prestiżowe pisma „Science” oraz „Physical Review Letters”, masę pustki będzie można zmierzyć z wykorzystaniem symulacji komputerowych. Pozwolą one oszacować, jak powinna się komponować masa pustki, by powstała taka różnica między jasnością galaktyki za i przed pustką, jaką się obserwuje. Zmierzenie masy pustek pomoże znacznie ograniczyć liczbę teorii, które rozpatrują astronomowie poszukujący wytłumaczenia dla zagadek kryjących się w pustkach. Jeśliby się okazało, że ilość materii w pustkach jest zgodna z oczekiwaniami, od razu ukierunkowałoby to badania kosmologów na rozpracowywanie właściwości tej materii lub też procesów, które w niej zachodzą. Jeśli zaś okazałoby się, że materii w pustkach jest jednak dużo mniej, niż się uważa, sugerować będzie to zupełnie odmienny trop.

Jednak w każdym z przypadków zmierzenie masy kosmicznych pustek będzie ważnym krokiem naprzód w naszym rozumieniu budowy Wszechświata. Wszechświata, którego największe struktury potrafimy badać coraz lepiej, choć czynimy to z naprawdę mikrego zakątka. ©

PAULINA WOJCIECHOWSKA jest dziennikarką naukową, autorką opowiadań i tłumaczką. Mieszka w Sydney.

Dr Krzysztof Bolejko



Dr KRZYSZTOF BOLEJKO jest kosmologiem, pracuje na University of Sydney. Ukończył astronomię na Uniwersytecie Warszawskim, doktoryzował się w Centrum Astronomicznym PAN. Jest autorem książki o zastosowaniach niejednorodnych modeli kosmologicznych, laureatem nagród im. Białkowskiego i Polskiego Towarzystwa Astronomicznego, stypendystą Fulbrighta i programu „Maria Skłodowska-Curie”. Bada wpływ struktur kosmicznych na własności rozchodzącego się światła. To właśnie zmiana jasności światła galaktyk przechodzącego przez kosmiczne pustki pozwoli zmierzyć ich masę.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
79,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru TP 06/2015