Antygrawitacja

- Pustka kosmiczna wydaje się wypełniona potężną energią rozpychającą przestrzeń wszechświata. Nikt nie zna jej natury. Wiadomo tylko, że działa odwrotnie niż grawitacja: nie przyciąga, lecz odpycha. Jest czymś w rodzaju antygrawitacji - twierdzi prof. Robert Kirshner, astrofizyk z Uniwersytetu Harvarda, rektor Smithsonian Center for Astrophysicas w Cambridge. Mamy wszelkie przesłanki, aby sądzić, że to od tej nieznanej energii zależą losy wszechświata.

Wykład profesora Kirshnera podczas kongresu Amerykańskiego Stowarzyszenia na rzecz Rozwoju Nauki w Waszyngtonie nosił tytuł "The Accelerating Universe" ("Przyspieszający wszechświat"). Astrofizyk z Harvardu pokazywał, jak pogłębia się nasza wiedza o wszechświecie. "Gdybym miał pięć lat temu mówić o przyszłości uniwersum, byłaby to zupełnie inna przyszłość niż ta, którą przewidujemy dzisiaj" - stwierdził. Co się stało w ciągu tych kilku lat? Otóż dwa zespoły astronomów amerykańskich z Uniwersytetu Harvarda i z Berkeley ścigały się, polując na supernowe. Wybuchy tych gwiazd zdarzają się nie częściej niż raz na sto lat w galaktyce liczącej sto miliardów obiektów. Ich blask w chwili eksplozji jest potężniejszy niż reszty galaktyki. Umierająca gwiazda w nuklearnym wybuchu odrzuca swoje warstwy zewnętrzne i po kilku tygodniach jądrowego fajerwerku przekształca się w białego karła. W listopadzie ubiegłego roku zespół prof. Kirshnera odkrył supernową w odległości pięciu miliardów lat świetlnych od nas, co oznacza, że eksplozja zdarzyła się pięć miliardów lat temu. Obraz tamtego wybuchu wędrował do nas z prędkością 300 tys. km/s.
Zespoły prof. Kirshnera i Saula Perlmuttera z Lawrence Laboratory w Berkeley nie szukają eksplodujących gwiazd ze względu na walory estetyczne. Supernowe, pojawiając się w różnych miejscach wszechświata, spełniają funkcję podobną do latarni morskich - służą do określania odległości. Wszystkie mają niemal taką samą masę (ok. 1,4 masy Słońca), dlatego gdy kończą żywot w nuklearnym fajerwerku, mają niemal identyczną jasność. Natężenie ich blasku może być zatem wskaźnikiem ich odległości od Ziemi. Wędrujące miliony czy miliardy lat fale światła supernowych "rozciągają" się, gdyż pędzą w nieustannie rozszerzającej się przestrzeni. Jest to efekt pierwotnego Wielkiego Wybuchu, podczas którego miał powstać świat. Fizycy od kilku lat tropiący supernowe próbują ustalić, czy wszechświat wyhamowuje, czy tempo rozszerzania się przestrzeni maleje. Kilkanaście miliardów lat po Wielkim Wybuchu nie byłoby w tym nic zaskakującego.

Tymczasem informacje z obserwatoriów na Hawajach, w Australii, Chile, jak i krążącego nad Ziemią Teleskopu Kosmicznego Hubble'a, przetwarzane przez sieci najpotężniejszych komputerów, świadczą o tym, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Światło odkrytych ostatnio bardzo dalekich supernowych jest znacznie słabsze niż - zgodnie z naszą obecną wiedzą - powinno. A to dowodzi, że przestrzeń między nimi i Ziemią rozszerzyła się bardziej, niż by to wynikało z dotychczasowego tempa ekspansji wszechświata. Obserwacje te rodzą kolejne pytania. Przede wszystkim nie wiadomo, co może być źródłem impetu zwiększającego prędkość, z jaką uciekają od siebie wszystkie galaktyki, ich gromady i większe od nich struktury kosmiczne.
Jak zinterpretować to zjawisko? "Można się odwołać do autorytetów, dyskutować z oponentami, zdobywać nowe dowody wspierające zdumiewające odkrycie tak szybkiego rozszerzania się wszechświata" - proponował prof. Kirshner. Zacznijmy jednak od Alberta Einsteina. W 1917 r., kiedy opublikował ogólną teorię względności, wiążącą w jeden układ równań geometrię przestrzeni, bieg czasu i siłę ciążenia, nie wiedziano jeszcze nic o rozszerzaniu się wszechświata. Z równań Einsteina wynikało jednak, że świat jako całość powinien się rozszerzać albo kurczyć. Astronomowie w owym czasie byli przekonani, że wszechświat jest statyczny i stały w swych rozmiarach. Skoro jednak wszechświat nie zapadał się do swego wnętrza pod własnym ciężarem wskutek siły powszechnego ciążenia, należało uznać, że coś go od tego powstrzymuje. Einstein wprowadził wówczas do swoich równań pewien czynnik, który miał zapewniać stabilny rozkład materii we wszechświecie. Nazwał go stałą kosmologiczną. Nieco później uznał tę ideę za największy błąd swego życia. "Chcę wykazać, że 'największy błąd' Einsteina może być dziś trafniejszy od najlepszych pomysłów wielu badaczy i że mamy istotne powody, aby wrócić do jego idei z 1917 r." - stwierdził prof. Kirshner.

Einstein uznał, że wprowadzenie stałej kosmologicznej do równań opisujących świat jako całość jest pomyłką, gdyż zaledwie kilka lat po opublikowaniu przez niego ogólnej teorii względności brytyjski astronom Edwin Hubble odkrył, że wszechświat nie jest statyczny. Dalekie galaktyki, czyli zbiory miliardów gwiazd, uciekają. W dodatku tym szybciej im dalej są od Ziemi. Zdaniem Hubble'a, cała przestrzeń kos-miczna pęcznieje jak balon z taką prędkością, że mniej więcej co pięć sekund powstaje w niej przestrzeń porównywalna z Drogą Mleczną. Pewność tę dały Hubble'owi obserwacje gwiazd zmiennych, zwanych cefeidami, które znalazł w innych galaktykach. Charakterystyczne linie odpowiadające pierwiastkom znajdującym się w świecącej materii tych gwiazd, na przykład wapniowi, były przesunięte w stronę czerwonego końca widma. Przesunięcie było tym większe, im dalej od Ziemi znajdowała się obserwowana cefeida. Zdaniem Hubble'a, fale światła rozciągały się w rozszerzającej się przestrzeni, podobnie jak fale dźwięku z oddalającego się pociągu. Pomiary naukowca przyczyniły się do stworzenia hipotezy Wielkiego Wybuchu jako momentu, od którego świat zaczął się rozszerzać.
Hubble nie mógł jednak sięgnąć w głąb wszechświata dalej niż na kilkanaście milionów lat świetlnych. Nie dysponował więc wystarczającymi danymi, by stwierdzić, czy rozszerzanie się było kiedyś szybsze, a dziś maleje, czy może jest takie samo. Współczesne badania kosmiczne pozwalają wrócić do tego pytania. Piętnaście lat temu zespół astrofizyków duńskich za pomocą wielkiego teleskopu znajdującego się w Chile postanowił tropić dalekie supernowe. W ciągu dwóch lat udało im się znaleźć jedną. Zrezygnowali więc z poszukiwań. W ostatnich latach jeszcze doskonalsze przyrządy pozwoliły na automatyczne przeczesywanie przestrzeni aż do kilku miliardów lat świetlnych. Brian Schmidt, student prof. Kirshnera, obecnie szef projektu poszukiwań supernowych, dzięki czterometrowemu teleskopowi w Chile znalazł eksplodujące gwiazdy w odległości dwóch miliardów lat świetlnych, oddalające się z prędkością 40 tys. km/s. Kosmiczny Teleskop Hubble'a odnalazł supernową w odległości pięciu miliardów lat świetlnych, czyli pochodzącą z czasów, gdy wszechświat miał niewiele ponad połowę obecnego wieku. Dzięki takim możliwościom technicznym można już badać, czy tempo rozszerzania się wszechświata w przeszłości było większe, czy takie samo jak dziś. Wszystko wskazuje na to, że obecnie przestrzeń kosmiczna pęcznieje szybciej niż pięć miliardów lat temu.

Nie sposób nie zapytać, z czego właściwie zbudowany jest wszechświat i jaka siła kilkanaście miliardów lat po Wielkim Wybuchu przyśpiesza ucieczkę galaktyk w rozszerzającej się przestrzeni? Materia, którą widać, bo świeci, stanowi zaledwie 10 proc. tworzywa wszechświata. Ruchy gwiazd w galaktykach i galaktyk w gromadach wokół wspólnego środka ciężkości wskazują na obecność w nich materii, która nie świeci i tylko przyciąganiem zdradza swe istnienie. "Niestety, nie wiemy, czym ona jest. Daliśmy jej tylko ładną nazwę ciemnej materii" - mówił prof. Kirshner. Jeśli prawdą jest to, co potwierdzają liczne pomiary i obserwacje, że przestrzeń rozszerza się coraz szybciej, musi w niej istnieć tajemnicza energia próżni, siła odpychająca, stanowiąca ok. 70 proc. całego tworzywa kosmosu. "Nowe obserwacje zburzyły stary obraz uniwersum" - napisano w jednym z miesięczników naukowych. Na razie nie wiadomo, jaki powinien być nowy.