Zvětšit obrázek

Adam Riess, známy astrofyzik z Univerzity Johna Hopkinsa v Baltimore. Vedúci tímu (vtedy na Kalifornskej univerzite), ktorý v roku 1998 odhalil, že vesmír sa rozpína stále rýchlejšie

Vesmír sa rozpína...
Pred sto rokmi boli ľudia presvedčení že všetko, čo dokážu na oblohe pozorovať patrí k našej Galaxii a že takýto vesmír je nemenný. Všeobecná teória relativity však poskytovala riešenia len pre dynamický stav, preto Einstein rovnice doplnil o nový člen - takzvanú kozmologickú konštantu lambda. Mala reprezentovať silu pôsobiacu proti gravitácii a zabraňovať kozmickému kolapsu. Ruský matematik Alexander Friedman a neskôr aj belgický kňaz, fyzik a astronóm v jednej osobe, Georges Lamaître, však našli matematické riešenie rovníc bez takejto kozmologickej konštanty pre vesmír, ktorý sa rozpína.
Tento predpoklad v roku 1929 potvrdil astronóm Edwin Hubble z desaťročných meraní a analýz svetla prichádzajúceho zo vzdialených cefeíd – veľkých hviezd, ktorých objem a absolútny žiarivý výkon pravidelne pulzujú v časovej perióde, závislej od hmotnosti. To je vlastnosť ktorá tieto premenné hviezdy (patrí medzi ne aj Polárka) radí medzi takzvané štandardné sviečky – objekty, ktoré umožňujú vo vesmíre určiť vzdialenosti až milióny svetelných rokov vzdialených galaxií. Na základe kozmologického červeného posunu svetelného spektra zistil, že čím je pozorovaná hviezda ďalej, tým rýchlejšie sa od nás vzďaľuje. Mieru tejto priamo úmernej závislosti predstavuje známa Hubblova konštanta. Konštantnú hodnotu má však len v rámci priestoru – v danom okamihu sa vesmír rozpína na veľkých mierkach všade rovnako. No mení sa s časom, lebo sa mení aj expanzia vesmíru počas jeho vývoja.

... stále rýchlejšie

Zvětšit obrázek

István Szapudi (42), šéf astrofyzikálnej skupiny na Havajskej univerzite v Honolulu. Jeho meno prezrádza, že pochádza z oveľa bližších končín – z maďarského Györu

Pred desiatimi rokmi asi nikto nepochyboval o tom, že sa kozmické rozpínanie postupne spomaľuje. O prekvapenie, že opak je pravdou, sa v roku 1998 postarali dva americké vedecké tímy. Skupina vedená Adamom Riessom z Kalifornskej univerzity v Berkeley uverejnila v odbornom časopise Astronomical Journal článok o rozsiahlych, niekoľkoročných pozorovaniach tisícok veľmi vzdialených galaxií, v ktorých hľadali zriedkavé výbuchy supernov typu Ia. Tie majú dôležitú vlastnosť – pri explózii žiaria všetky takmer rovnako. Stačí potom zmerať ich zdanlivú (pozorovanú) jasnosť a porovnať s predpokladanou absolútnou jasnosťou, akú naozaj pri výbuchu majú. Z tohto útlmu je možné určiť vzdialenosť. Akou rýchlosťou je sledovaná supernova od nás unášaná rozpínajúcim sa priestorom, to prezradí červený posun spektrálnych čiar jej svetla. Astronómovia takto získali súbor údajov o supernovách typu Ia explodujúcich v rôznych vzdialenostiach v rozmedzí piatich miliárd svetelných rokov. Teda aj v časovom rozmedzí piatich miliárd rokov, pretože čím ďalej do hĺbok vesmíru hľadíme, tým vzdialenejšiu jeho minulosť pozorujeme. Výsledky umožnili určiť ako rýchlo sa vesmír rozpínal v týchto rannejších vývojových štádiách a skonštatovať, že navzdory pôvodným predstavám sa rozpínanie nespomaľuje, ale práve naopak, zrýchľuje! Na to je však nevyhnutná energia. Analogická tej, ktorú Einstein zaviedol v podobe kozmologickej konštanty do svojich rovníc a potom zasa ako nepotrebnú zrušil. Energia, ktorá pôsobí proti gravitácii a „nafukuje“ priestor. Aká je jej podstata? Na to zatiaľ nepoznáme odpoveď. Preto sa – obdobne ako tmavá hmota – nazýva tmavou energiou (dark energy). Je akousi základnou vlastnosťou priestoru. A hoci je jej hustota nízka, je konštantná, preto jej celkové množstvo v rozpínajúcom sa vesmíre neustále narastá.

Zvětšit obrázek

Zloženie vesmíru podľa analýz žiarenia mikrovlného kozmického pozadia, meraného sondou WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Ako sa priestor rozpína, celkové množstvo tmavej energie narastá a tak sa zvyšuje aj jej vplyv na vývoj vesmíru.

To vedie k zrýchľovaniu expanzie. V súčasnosti tmavá energia predstavuje celých 72 percent celovesmírneho súčtu hmota + energia. Druhou hlavnou ingredienciou je tmavá hmota s asi 23 percentami a všetka známa pozorovateľná hmota tvorí necelých 5 percent. Z nej len veľmi malú časť (asi pol percenta) celkovej vesmírnej hmoty prezrádza svetlo viditeľné aj ľudským zrakom.

Hľadanie svetla v temnote
Za desať rokov sa zrodilo viacero hypotéz a teórií o pôvode tmavej energie. Z kvantovej teórie poľa vyplýva, že ani dokonalé vákuum nie je prázdne. Má – už aj experimentálne potvrdenú akúsi vnútornú energiu. Práve táto energia vákua je hlavným esom v hre o vysvetlenie zdroja akcelerácie rozpínania vesmíru. Za ňou nasleduje menej akceptovaná teória časovopremennej „kvintesencie“, vyplývajúca z analýzy takzvaných skalárnych polí. Zástancovia teórie superstrún poukazujú na možné pôsobenie ďalších priestorových rozmerov zvinutých do nemerateľne malých objemov. Iné riešenia sa zameriavajú na modifikáciu všeobecnej teórie relativity, alebo gravitačného zákona pre veľmi veľké vzdialenosti. Dokonca sa objavila úvaha o tom, že svetlo sa počas vývoja vesmíru spomaľuje. Ďalší, ako napríklad dr. HongSheng Zhao zo škótskej Univerzity sv. Andreja predpokladajú, že tmavá hmota a tmavá energia môžu predstavovať dve strany tej istej mince, ktorú nazýva „tmavé fluidum“. To by sa malo správať úplne rozdielne na úrovni galaxií a v oveľa väčších „prázdnych“ medzigalaktických priestoroch.
Koncom februára pracovníci Geofyzikálneho laboratória Carnegieho ústavu vo Washingtone uverejnili v časopise Science aj iné možné vysvetlenie, ktoré nevyžaduje existenciu tmavej energie, ale určitej konkrétnej, na Zemi nezvyčajnej formy uhlíka – „uhlíkových fúzov“. Boli objavené vo vápenato – hliníkových intrúziách (uzavreninách) vo vnútri meteoritov, ktoré vznikli v ranných štádiách vývoja našej Slnečnej sústavy, pred asi 4 a pol miliardami rokov. Uhlíkové fúzy ktorých rozmery sa merajú v desaťtisícinách milimetra, vraj vznikali v prostredí s vysokou teplotou v blízkosti mladého Slnka z plynoch bohatých na uhlík. Silným slnečných vetrom – tlakom žiarenia a prúdu energetických ionizovaných častíc, boli „rozfúkané“ do medzihviezdneho priestoru. Vedci uvažujú nad tým, že ak by sa tak naozaj dialo počas zrodu a vývoja všetkých mladých hviezd, prípadne pri výbuchoch supernov, potom by riedky závoj takýchto uhlíkových čiastočiek mohol do určitej miery odtieňovať svetlo prechádzajúceho prostredím. Pozorovaný útlm jasnosti supernov Ia by tak mohla mať na svedomí riedka, no rozsiahla hmla z jemných drobných uhlíkových čiastočiek a nie ich väčšia vzdialenosť. Adam Riess, spoluobjaviteľ tmavej energie však takéto vysvetlenie považuje za prehnanú extrapoláciu a argumentuje veľmi logicky: Kam sa stráca hmla uhlíkových fúzov pri pozorovaní práve tých najvzdialenejších supernov? Tie totiž odhaľujú, že vesmír sa v minulosti rozpínal pomalšie, to znamená, že aj tienenie ich  svetla uhlíkovými fúzmi by malo byť menšie. Riess nepochybuje o existencii tmavej, repulzívnej energie. Jeho presvedčenie potvrdzujú aj podrobné analýzy reliktového mikrovlného žiarenia, ktoré vypĺňa vesmír od jeho najrannejších fáz vývoja – od doby asi 380 tisíc rokov po Big Bangu. Za štúdium, ktoré je „v súčasnosti najlepšie svojho druhu“ považuje najnovšiu prácu tímu astrofyzikov z Havajskej univerzity v Honolulu. Šéf tímu István Szapudi: „Sme schopní zobraziť ako tmavá energia pôsobí, ako rozpína obrovské kozmické oblasti prázdnoty“.

Animácia vplyvu superkopy galaxií na teplotu cez ňu prechádzajúceho mikrovlnného žiarenia. Časť energie si žiarenie uchová.
 

Zvětšit obrázek

Havajskými astrofyzikmi spresnené rozmiestnenie superkôp (červené krúžky) a prázdnych oblastí (modré krúžky), premietnuté do mapy mikrovlnného pozadia. Svetlejšia oblasť je časť oblohy mapovanej projektom Sloan Digital Sky Survey, z ktorej Szapudiho tím čerpal potrebné vstupné údaje.“Poludníky” sa v hornej časti obrázku zbiehajú v nebeskom severnom póle, v blízkosti Polárky. Priesečník v strede predstavuje priemet severného galaktického pólu. ( Supervoids and Superclusters)

Superkopy a prázdnoty – dôkaz tmavej energie?
Pár slov na vysvetlenie: Superkopy (v našej literatúre označované aj ako nadkopy) sú obrovskými oblasťami priestoru, s priemerom okolo pol miliardy svetelných rokov, ktoré charakterizuje výrazne zvýšená koncentrácia galaxií. Zatiaľ čo rozsiahle oblasti prázdnoty (poznámka: v angličtine sa používa ďalší z ťažko prekladateľných supernázvov: „supervoids“. V texte je použitý – asi nie úplne šťastne – pojem „oblasť prázdnoty“), sú podobne veľké oblasti s výrazne podpriemernou koncentráciou galaxií. Keď mikrovlné žiarenie prechádza týmito rozsiahlymi oblasťami vyššej, či nižšej koncentrácie hmoty, teda aj jej gravitačného pôsobenia, vďaka zmenám v rozpínaní priestoru si odnáša aj informáciu v podobe takmer nepatrných zmien frekvencie.

Priblížme si to pomocou zjednodušeného príkladu. Predstavme si kruhovú misku so zaobleným dnom, podobnú panvici WOK. Na chvíľu vypnime všetky vonkajšie fyzikálne vplyvy, ako trenie, či odpor vzduchu a ponechajme len gravitačné pôsobenie. Ak z jedného okraja voľne pustíme guličku, bude sa kotúľať nadol stále rýchlejšie až na dno a potom stále pomalšie na druhej strane nahor, až dosiahne presne protiľahlý okraj. Tam zastane, pretože všetku energiu, ktorú získala pri kotúľaní sa v smere gravitačného pôsobenia opäť spotrebovala na vykotúľanie sa opačným smerom po identickej dráhe.

Ale predstavte si, že miska nie je symetrická a dráha guličky smerom nahor bude plochejšia, okraj misky nižší. Gulička na ňom nezastane, ale bude mať ešte zvyšnú energiu na to, aby sa kotúľala v smere pohybu ďalej. Podobne je to s fotónmi v gravitačnom poli. Letiac v smere jeho pôsobenia, fotón získava časť gravitačnej energie a tak sa nepatrne zvyšuje frekvencia príslušného elektromagnetického žiarenia, ktorého je nositeľom. Pri pohybe proti smeru pôsobenia gravitačného poľa je to naopak, frekvencia sa mierne zníži. Lenže superkopy galaxií sú obrovské a mikrovlnné žiarenie nimi prechádza stovky miliónov rokov. Za takú dlhú dobu sa natoľko prejaví rozpínanie priestoru, že situácia prestáva byť aj pre fotóny symetrická a dráha von je „plochejšia“, než bola smerom dovnútra. Fotóny si tak odnášajú malý zostatok získanej energie a tak mikrovlné žiarenie, ktoré prešlo cez superkopu má o máličko vyššiu frekvenciu, fyzikálne nepresne povedané – má nepatrne vyššiu teplotu (ide samozrejme o teplotu absolútne čierneho telesa, ktorého maximum vyžarovania by malo príslušnú frekvenciu).

Pri prechode oblasťou prázdnoty je to naopak, žiarenie sa mierne „ochladí“. Analýzou týchto veľmi jemných odchýlok vo frekvencii (teplote) mikrovlnného žiarenia prichádzajúceho z rôzne vzdialených superkôp a oblastí prázdnot sa havajským astrofyzikom podarilo získať veľmi presvedčivý dôkaz o tmavej energii, ktorá rozpínanie vesmíru urýchľuje. Vedci skombinovali obrovskú databázu výsledkov z dvoch veľkoplošných systémov pozorovania vesmíru – 1/ podrobnú mapu mikrovlného pozadia, získanú sondou WMAP a 2/ Sloanovu digitalnu prehliadku oblohy (Sloan Digital Sky Survey), ktorá predstavuje veľmi systematické a podrobné mapovanie asi štvrtiny oblohy (pozri poznámky pod článkom). Zamerali sa na 50 najväčších superkôp a 50 prázdnot a analyzovali mikrovlné žiarenie, ktoré z týchto oblastí prichádza. Museli pritom odhaliť a vyselektovať oveľa menšie vplyvy týchto štruktúr od výraznejších pôvodných nehomogenít v mikrovlnom pozadí. Szapudi k významu práce jeho tímu dodáva:

Zvětšit obrázek

Superkopy galaxií a obrovské prázdne oblasti s rozlohou asi pol miliardy svetelných rokov spôsobujú jemné teplotné výchylky v mikrovlnnom pozadí. Najpravdepodobnejším vysvetlením je vplyv tmavej energie, vďaka ktorej sa rozpínanie vesmírnych štruktúr zrýchľuje. Podrobnejšie v texte článku. (Credit: Granett, Neyrinck & Szapudi.)

“V minulosti aj iní zverejnili práce o prejavoch tohto efektu, tieto však umožňovali aj ďalšie možné interpretácie. Naše výpočty poskytujú pravdepodobnosť len 1:200 000, že to, čo sme zistili je spôsobené niečím iným, než tmavou energiou.” Aj napriek týmto slovám sa nič nemení na skutočnosti, že vieme s väčšou istotou, že to čo rozpína vesmír stále rýchlejšie a rýchlejšie je forma repulzívnej energie. No ani tento výskum neodpovedá na otázku, či je jej zdrojom samotný priestor, teda, či ide naozaj o preferovanú energiu vákua. A tak tajnička stále čaká na konečné vyriešenie.

Poznámka:
Americká sonda WMAP - Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
Usadená v takzvanom Lagrangovom bode L2, jeden a pol milióna kilometrov ďaleko od Zeme a trvalo chránená jej tieňom pred slnečným žiarením, putuje sonda spolu so Zemou po obežnej dráhe okolo Slnka. Sústava veľmi citlivých mikrovlných rádiometrov meria rozdiely v teplote mikrovlného pozadia s presnosťou na milióntiny stupňa. Sonda už niekoľko krát zmapovala na pozadí celej oblohy drobné teplotné fluktuácie reliktového žiarenia, ktoré kolíšu v rozmedzí plus alebo mínus dve desaťtisíciny stupňa od priemernej hodnoty. Analýza týchto jemných fluktuácií spresnila zloženie vesmíru a stanovila hodnotu Hubblovej konštanty na asi 71 km za sekundu na megaparsek. Čo v praxi znamená, že v súčasnosti sa rýchlosť, akou sú vzdialené vesmírne objekty od nás expandujúcim priestorom unášané, sa po každých takmer 31 triliónoch (číslo 31 nasledované osemnástimi nulami) kilometrov zvýši o asi 71 km za sekundu.

Sloan Digital Sky Survey, alebo SDSS predstavuje rozsiahle a podrobné mapovanie asi 25 % oblohy pomocou  2,5 metrového širokouhlého optického teleskopu v Apache Point Observatory v pohorí Sacramento v Novom Mexiku. Od roku 2000 sa príslušná časť oblohy mapuje v niekoľkých spektrálnych oblastiach a meria sa aj červený posun a spektrá vybraných objektov.

Odporúčaný článok prof . Jiřího Jersáka v januárovom čísle Vesmíru: Rozpínání vesmíru podle soudobých poznatků

Zdroj: 
New Scientist 
Havajská univerzita, Honolulu
Predbežná verzia článku astrofyzikov z Havajskej univerzity
Wikipedia a iné