JAK WIELE WIEMY o budowie Wszechwiata? Zoliwi odparliby, e co najwyej 4%. Najprawdopodobniej tyle wanie jest w nim zwykej materii, budujcej galaktyki, gwiazdy i nas samych. 23% Wszechwiata stanowi ciemna materia, skadajca si z nieznanych nauce czstek. A reszta? A 73% to ciemna energia - co, o czym fizycy wiedz niemal tyle, co nic. Jak wida, jest co bada. Dla wyjanienia skadu naszego wiata powstaj niezwyke, poruszajce wyobrani teorie. Skd jednak wiemy o istnieniu ciemnej materii i energii?

Najnowsza historia poznawania wiata rozpocza si w pocztkach XX wieku. To wtedy, wkrtce po ogoszeniu przez Einsteina oglnej teorii wzgldnoci, zajto si dociekaniami nad budow caego Wszechwiata. Pocztkowo nie wiedziano nawet, czy jest on, jako cao, nieruchomy, czy te - co wydawao si znacznie mniej prawdopodobne - rozszerza si lub kurczy. Sam Einstein by przez jaki czas zwolennikiem teorii nieruchomego Wszechwiata. Poniewa grawitacja szybko spowodowaaby jego zapadnicie, wprowadzi on do opisujcych kosmos rwna dodatkowy skadnik odpychajcy, zwany sta kosmologiczn. Wkrtce jednak, dziki pomiarom ruchw galaktyk wykonanym przez Edwina Hubble'a,

okazao si, e Wszechwiat si rozszerza, a Einstein uzna sta kosmologiczn za sw najwiksz yciow pomyk.

Na podstawie obserwacji Hubblea mona byo ustali, e wszystkie galaktyki musiay kiedy znajdowa si w jednym punkcie. Innymi sowy, Wszechwiat kiedy znajdowa si w supergstym i gorcym stanie, od ktrego rozpoczo si nieustanne rozszerzanie. Hipoteza takiego Wielkiego Wybuchu wywoaa sprzeciw wielu badaczy, zwolennikw odwiecznego kosmosu. Zaproponowali wic wyjanienie mniej drastyczne: zgodnie z nim kosmos rozszerza si od zawsze. Jego gsto musiaaby jednak wwczas stale male. Aby temu zapobiec, wprowadzono do fizyki kreacj z niczego: od czasu do czasu w rozszerzajcej si przestrzeni miayby powstawa pojedyncze czstki. Dziwne? Moe, ale czy nieustanna kreacja niewielkich iloci materii nie jest dziwniejsza od jednorazowego powstania caego Wszechwiata?

Wrd nieustannych sporw konkurencyjna do Wielkiego Wybuchu teoria stanu stacjonarnego utrzymaa si a do roku 1965. To wtedy Arno Penzias i Robert Wilson, fizycy z laboratorium Bella, odkryli mikrofalowe promieniowanie ta - dobiegajc ze wszystkich kierunkw nieba emisj, odpowiadajc

Powsta w Wielkim Wybuchu i bdzie si nieustannie rozszerza? A moe kolejny raz stworzyo go zderzenie dwch kosmicznych membran? Szukajcy wyjanienia niezwykych danych obserwacyjnych fizycy tworz teorie, tumaczce przesze i przysze losy naszego Wszechwiata.

WERONIKA LIWA

promieniowaniu ciaa doskonale czarnego o temperaturze 2,7 K. Powstanie tego promieniowania dao si wyjani tylko za pomoc teorii Wielkiego Wybuchu. Zgodnie z ni mody Wszechwiat musia by niezwykle gorcy i wypeniony promieniowaniem. Jego gwatowne rozszerzanie spowodowao, e promieniowanie to dzi ma temperatur kilku stopni powyej zera bezwzgldnego.

Mapa niewidzialnegoPo zwycistwie teorii Wielkiego Wybuchu wydawao si, e losy Wszechwiata mog zalee tylko od jego redniej gstoci: Wszechwiat lekki rozszerzaby si w nieskoczono, ciki - z czasem zahamowaby i zacz si kurczy. Niestety, redni gsto Wszechwiata zmierzy nieatwo. W dodatku jej coraz dokadniejsze pomiary wskazyway, e jest ona zdumiewajco bliska wartoci odpowiadajcej trzeciemu, poredniemu modelowi, o tzw. gstoci krytycznej - 9,9 10 30 g/cm3. Przeom w tych pomiarach nastpi niedawno. Na podstawie wielu bada, w tym obserwacji supernowych typu Ia i mikrofalowego promieniowania ta, udao si ustali, e czna gsto Wszechwiata jest rzeczywicie bliska krytycznej. Okazao si te, e zwyka materia wnosi

do niej wkad zaledwie 4-procentowy. Ruch materii w galaktykach i ich gromadach, a take zjawiska so- czewkowania grawitacyjnego moemy wyjani tylko wtedy, gdy przyjmiemy, e oprcz znanych nam czstek Wszechwiat wypenia take tajemnicza ciemna materia, oddziaujca ze zwyk jedynie poprzez grawitacj.

Niestety, cho trwaj ju poszukiwania, na razie w laboratoriach nie odnalelimy adnych kandydatw na czstki ciemnej materii. Wiemy jedynie, e z pewnoci nie s to czstki tworzce atomy. Te trudnoci skoniy cz badaczy do sformuowania teorii, zgodnie z ktr ciemna materia nie istnieje. Za nietypowe wyniki obserwacji ma zamiast niej odpowiada zmieniona druga zasada dynamiki Newtona - nieco inna od znanej dzi zaleno pomidzy si a przyspieszeniem. Takiej modyfikacji nie mona jeszcze definitywnie odrzuci, ale o istnieniu ciemnej materii wiadczy coraz wicej faktw, zwaszcza obserwacje soczewkowania grawitacyjnego. Podczas so- czewkowania przechodzce przez niewidoczne skupiska ciemnej materii promienie wietlne zakrzywiaj swj bieg. Niedawne obserwacje teleskopu Hubblea doprowadziy ju nawet do opracowania pierwszej duej mapy niewidocznej materii.

Zgodnie z teori Wielkiego Wybuchu

nowo powstay Wszechwiat by tak

gorcy, e wypeniaa go

wysokoenergetyczna zupa

promieniowania i czstek

elementarnych. W miar jak wiat

rozszerza si i styg, powstaway

pierwsze pierwiastki,

gwiazdy, a z czasem - i my sami.

Tak jak badania odbitego w krzywym lustrze obrazu wskazuj, jaki jest ksztat zwierciada, tak analiza obrazw galaktyk doprowadzia do oceny ksztatu i wielkoci skupisk ciemnej materii, przez ktre przebiegao wiato w drodze do nas. Dodatkowo badacze wykorzystali dane zebrane przez najwiksze teleskopy naziemne, ktre pozwoliy ustali odlegoci obserwowanych galaktyk.

Powstaa dziki badaniom teleskopu Hubble'a mapa obejmuje obszar omiokrotnie wikszy od powierzchni zajmowanej przez Ksiyc w peni i siga do miejsc odlegych o ponad 6 mld lat wietlnych. Na mapie ciemna materia ukada si w struktury przypominajce trjwymiarow sie, w ktrej wzach znajduj si jej wiksze zgszczenia. Potwierdza to model, zgodnie z ktrym w pocztkowo dobrze wymieszanym Wszechwiecie ciemna materia zapadaa si, tworzc kosmiczne sieci. Pniej, pod wpywem przycigania grawitacyjnego, do obszarw znacznej jej koncentracji spywaa zwyka materia, dzi tworzca galaktyki i ich gromady. Rzeczywicie, porwnanie rozkadu ciemnej materii z map widocz

nych na niebie galaktyk i gorcego gazu wskazuje, e gromady galaktyk i inne zgszczenia kosmicznego gazu znajduj si na og w miejscach, w ktrych ciemnej materii jest wyjtkowo duo. Ciemna materia jest wic szkieletem, na ktrym osadzao si ciao widocznego goym okiem Wszechwiata. Na mapie s te jednak widoczne i inne obszary, w ktrych widzimy sam nieobronity galaktykami kosmiczny szkielet lub niemal pozbawione ciemnej materii galaktyki. Pochodzenie tych nietypowych rejonw by moe wyjani nowe pomiary, obejmujce 1000- -krotnie wiksze fragmenty kosmosu.

Energia, ktrej nie widaKosmolodzy zmagaj si te z problemem jeszcze trudniejszym od wyjanienia. Ju w latach 90. ubiegego wieku wyniki pomiarw jasnoci i odlegoci supernowych wykazay, e od kilku miliardw lat Wszechwiat zamiast powoli hamowa, rozszerza si coraz szybciej. Za to przyspieszenie miaby odpowiada kolejny skadnik, zbliony do wymylonej przez Einsteina staej kosmologicznej. Dzi nazywamy

go ciemn energi. lady jej dziaania s widoczne ju we Wszechwiecie sprzed 9 mld lat. Wyglda wic na to, e cho hamujcy pocztkowo sw ekspansj Wszechwiat zacz si ponownie rozpdza dopiero 5-6 mld lat temu, ciemna energia istniaa w nim niemal - a moe po prostu? - od samego pocztku.

Dotychczasowe prby teoretycznego opisania wasnoci ciemnej energii zazwyczaj prowadz do wniosku, e tego odpychajcego skadnika Wszechwiata powinno nie by wcale lub musiaoby go by znacznie wicej, ni obserwujemy - i to 10120 razy wicej! Nie wiemy te, czy z czasem ciemna energia bdzie rozpdzaa Wszechwiat, czy tempo tego przyspieszania si nie zmieni. A moe kiedy ciemna energia wyczy si i nasz wiat znowu zacznie hamowa? Na takie pytania nie mamy na razie odpowiedzi. A przecie bez nich nie zrozumiemy, jaki bdzie kres naszego wiata.

Koniec w lodzie i pustceJeeli obserwowany dzi stan Wszechwiata nie zmieni si w istotny sposb i jego ekspansja bdzie nadal przyspieszaa, czeka nas raczej ponury

koniec. W skrajnym scenariuszu przyspieszajca ekspansja zerwie wszelkie istniejce midzy obiektami materialnymi wizy - zarwno grawitacyjne, jak i elektromagnetyczne czy jdrowe. Wedug jednego z modeli ju na 60 mln lat przed kocem wiata rozpadn si galaktyki. Na trzy miesice przez kocem z puchncej przestrzeni znikn ukady planetarne. W cigu ostatnich sekund istnienia zwykego wiata rozpadn si gwiazdy i planety, a nawet pojedyncze atomy.

Na szczcie do takiego koca pozostao nam jeszcze sporo czasu, mogoby bowiem do niego doj najwczeniej za okoo 20 mld lat. To zreszt niejedy- na teoria dotyczca koca Wszechwiata. By moe bdzie si on z czasem rozszerza na tyle wolno, e gwiazdy i planety - a nawet cae galaktyki - nie zostan rozdzielone. Mimo to przyszo nie bdzie wygldaa zbyt rowo: Wszechwiat bdzie coraz chodniejszy, a zapasy dostarczajcych gwiezdnej energii lekkich pierwiastkw kiedy si zuyj. Pozostan tylko planety i stygnce, wypalone lady dawnych gwiazd: biae kary, gwiazdy neutronowe i czarne

Wedug teorii bran nasz wiat jest czterowymiarow membran, ktra od czasu do czasu zderza si z inn, ssiedni.Takie zderzenie wywoao kiedy odpowiednik Wielkiego Wybuchu.

JEDEN WSZECHWIAT TO ZA MAO!

Czy yjemy w jedynym Wszechwiecie? To w pewnym stopniu zaley od definicji: jeli Wszechwiat jest wszystkim, co istnieje, niewtpliwie jest tylko jeden. Nie wiemy jednak, jak bardzo jest duy - dzi obserwujemy tylko obszar, z ktrego od chwili Wielkiego Wybuchu mogo doj do nas wiato. Promie tego obszaru to okoo 46,5 mld lat wietlnych. Jeli Wszechwiat jest nieskoczenie wielki, moe w sobie zawiera olbrzymie obszary identyczne z naszym, cznie z dodatkowymi kopiami nas samych. Ale moe s jakie, niezwizane z naszym wiaty, w ktrych obowizuj inne prawa przyrody i gdzie jest inna liczba widocznych wymiarw? Takie spekulacje to rozwaania z pogranicza science fiction, ale wielu kosmologw je jednak prowadzi. Zbir takich wszechwiatw nazywa si Multiwiatem. Struktura Multiwiata, natura poszczeglnych wiatw i czce je wizi rni si w zalenoci od rozpatrywanego modelu. Cz z przewidywa poszczeglnych modeli mona bdzie z czasem sprawdzi dziki dokadnym pomiarom

kosmicznego promieniowania ta, ksztatu fal grawitacyjnych i sposobu grupowania si kosmicznych struktur. Jakie s wic rozpatrywane dzi moliwoci?

Teoria inflacji, zgodnie z ktr nasz Wszechwiat tu po powstaniu niezwykle gwatownie si rozszerzy, dopuszcza istnienie wielu innych obszarw, w aden sposb niepoczonych przyczynowo z naszym. Zgodnie z teori ogoszon przez rosyjskiego kosmologa Andrieja Lindego, nasz Wszechwiat nie jest niczym niezwykym. Olbrzymia liczba wiatw powstaje jeden z drugiego w kolejnych procesach superszybkiego rozszerzania - inflacji. W kadym z nowych, zamknitych przed nami kosmosw mog obowizywa inne prawa przyrody. Chocia kady z nich ma swoj wasn przestrze i czas, zbir wszystkich wszechwiatw jest wieczny. Jeli ta teoria jest prawdziwa, obserwowany przez nas Wszechwiat jest tylko jednym z acuszka kolejnych kosmosw, a nie jednym, zawierajcym wszystko, co istnieje.

Zgodnie z niektrymi hipotezami, rwnie materia wpadajca do czarnej dziury moe da pocztek czemu w rodzaju Wielkiego Wybuchu w innym kosmosie. Miniaturowy wszechwiat mona byoby wwczas stworzy samodzielnie w laboratorium. Taki jest cel eksperymentu, ktry zaproponowali fizycy z japoskiego Yamagata University. Ich recepta na stworzenie nowego wszechwiata wymaga zderzenia rozpdzonych czstek elementarnych z monopolem magnetycznym - czstk zawierajc tylko jeden biegun magnetyczny. Powstajca po zderzeniu miniaturowa czarna dziura zawieraaby w rodku wszechwiat niezaleny od naszego. Po wyparowaniu dziury wskutek promieniowania Hawkinga, czno midzy obu wszechwiatami zostaaby stracona, a kosmiczny noworodek rozwijaby si dalej samodzielnie. Niestety, na razie po monopolach magnetycznych nie wida nawet ladu. Moe dlatego, e w ogle nie istniej? A moe tu po powstaniu zamieniaj si w kolejne wszechwiaty? Na rozwizanie tego problemu i nowy wszechwiat na biurku bdziemy musieli jeszcze troch poczeka.

W poszukiwaniu wiedzy

o Wszechwiecie najcenniejszych

danych dostarczaj wybuchy

supernowych typu la -

gwiazd, ktrych maksymalna jasno jest

w przyblieniu staa i dobrze

znana - oraz mikrofalowe

promieniowanie ta, ktrego

olbrzymi map udao si stworzy dziki

obserwacjom satelity WMAP.

Jeszcze dokadniejszej

mapy spodziewamy

si po satelicie Planck, ktry ma

wyruszy na woksoneczn

orbit ju w przyszym roku.

dziury. Z czasem czarne dziury wyparuj i nieba nie bdzie ju rozwietlaa nawet najsabsza powiata. Czy taki proces da si jako powstrzyma lub odwrci? Dzi wydaje si, e Wszechwiat bdzie si rozszerza w nieskoczono.

Wszechwiat na pytceProblemy, na ktre natrafia teoria Wielkiego Wybuchu, skoniy badaczy do rozpatrywania innych, alternatywnych scenariuszy. Jedn z ciekawszych prb jest teoria Paula Steinhardta z Princeton i Neila Turoka z Cambridge. Ju w 2002 roku badacze ci na amach Science zaproponowali niestandardowy model, w ktrym Wszechwiat cyklicznie rodzi si i umiera. Nasz wiat ma w ich modelu form czterowymiarowej membrany zwanej bran, zanurzonej w przestrzeni jedenastowymiarowej. Sze wymiarw tej przestrzeni jest ciasno zwinitych, a nasza czterowymiarow

brana porusza si tylko w pozostaym - jednym - wymiarze. Pocztek znanego nam wiata nastpi, gdy nasza brana zderzya si z inn. To superzderzenie spowodowao znany nam Wielki Wybuch. W przeciwiestwie do ortodoksyjnych modeli, wybuch wywoany zderzeniem bran charakteryzuje si tym, e w kadej chwili gsto i temperatura materii byy skoczone. Po pewnym czasie, okoo stukrotnie duszym od dotychczasowego wieku Wszechwiata, kolejne zderzenie bran moe wywoa Wielki Krach. Dla nas wiat si skoczy, ale w tym samym zderzeniu powstanie przecie nowy wszechwiat.

Model bran, przypominajcy nieco stoicki model Wszechwiata regularnie tworzonego i niszczonego przez ogie, okrela si czsto jako model ekpyrotyczny, od greckiego sowa oznaczajcego pomienie. Nie ma tu potrzeby wprowadzania ciemnej materii. Obserwowane na niebie zjawiska da si wyjani za pomoc oddziaywania

KRTKA HISTORIA WSZYSTKIEGOCzas od Wielkiego Wybuchu:10-36 SEKUNDY

Od tej chwili znane nam teorie opisuj skad i zachowanie si caego Wszechwiata. Przeszed on ju prawdopodobnie faz superszybkiego rozszerzania - inflacji, ktra wygadzia istniejce niejednorodnoci i sprawia, e jego gsto zbliya si do gstoci krytycznej.

1 SEKUNDA

Wszechwiat skada si ju ze zwykych" czstek, takich jak elektrony, fotony i neutrina. Z kwarkw tworz si protony i neutrony.

3 MINUTY

Powstaj jdra najlejszych pierwiastkw. Poza zwykym wodorem, ktrego jdrami s pojedyncze protony, tworzy si deuter i tryt, a take dwa izotopy helu i odrobina litu.

400 TYS. LAT

Gdy nieustannie stygnca materia wystarczajco si ochodzi, jdra atomowe przyczaj elektrony - tworz si obojtne elektrycznie atomy. Pozostae z tej epoki promieniowanie obserwujemy dzi jako mikrofalowe promieniowanie ta.

KILKASET MILIONW - 1 MLD LAT

Z pierwotnych zagszcze powstaj pierwsze gwiazdy i galaktyki. Wybuchaj pierwsze supernowe, wzbogacajce wodorowo-helowy gaz w cisze pierwiastki.

3 MLD LAT

Mae galaktyki cz si, tworzc wiksze obiekty. W trakcie tych zderze powstaj gigantyczne czarne dziury, ktre pochaniaj otaczajcy je gaz: tworz si kwazary.

9 MLD LAT

Powstaje Soce i Ukad Soneczny.

13,7 MLD LAT

Chwila obecna.

17 MLD LAT

Droga Mleczna moe si zderzy z galaktyk M 31 w Andromedzie, zbliajc si ku nam z prdkoci 120 km/s.

20 MLD LAT

Soce zakoczy ycie jako biay karze.

100 MLD LAT

Wikszo galaktyk oddali si od naszej tak bardzo, e stan si niewidoczne.

10000 MLD LAT

Wypal si ostatnie gwiazdy.

10100 LAT

Wyparuj ostatnie czarne dziury.

grawitacyjnego z materi ssiedniej brany. Coraz szybsze rozszerzanie si Wszechwiata nie oznacza istnienia ciemnej energii, lecz jest zwizane z oddalaniem si od siebie obu bran. Steinhardt i Turok dowodz, e ich model dobrze przewiduje nie tylko sam fakt coraz szybszego rozszerzania si Wszechwiata, ale i tempo tego przyspieszenia, z czym wikszo konwencjonalnych teorii ma spory problem. Ich autorzy tumacz na og, e parametry obserwowanego Wszechwiata s takie, a nie inne, poniewa w innym Wszechwiecie nie moglibymy si pojawi i go bada. Nasz wiat byby wic unikatowym, nietypowym przypadkiem, ktrego powstanie byo bardzo mao prawdopodobne. Steinhardt i Turok wyliczyli, e w ich scenariuszu wszechwiaty o cechach podobnych do naszego pojawiaj si tak czsto, e s wrcz pospolite. Nasz Wszechwiat nie jest wic biaym krukiem, lecz typowym, przecitnym wiatem.

Porzdek musi male?Ta i inne koncepcje Wszechwiata cyklicznego maj jednak swoje wady. Do niedawna nie umiay upora si z problemem rosncej entropii - miary uporzdkowania wiata. Druga zasada termodynamiki mwi, e entropia kadego izolowanego ukadu nie moe male. Gdyby wic rosa przez wszystkie cykle odnawiajcego si Wszechwiata, kolejne kosmosy szybko stayby si skrajnie nieuporzdkowane i nie przypominayby wiata, w ktrym yjemy. Taki wzrost oznaczaby te, e cofajc si w przeszo, dotarlibymy do pierwszego, wyjtkowo uporzdkowanego Wszechwiata i... Wielkiego Wybuchu - podobnego do tego, o ktrym mwi zwyka kosmologia.

Rozwizanie tego problemu moe jednak przynie praca, ktrej preprint opublikowano niedawno na amach internetowego serwisu arxiv.org. Jej autorzy znaleli sposb na opisanie wszechwiata cyklicznego, w ktrym narosa po kadym kolejnym cyklu entropia ponownie maleje. Czy wic model Wszechwiata na pytce ma teraz szanse w starciu z teori Wielkiego Wybuchu? Cho dotyczce go prace publikuje si na amach Science i innych cenionych w naukowym wiecie czasopism, nie zdoby on dotd uznania wikszoci kosmologw. Aby tak si stao, nowy model musi nie tylko wyjani znane ju dzi fakty, ale te przewidzie zjawiska, ktrych dotychczasowy nie opisuje.

Planowane s jednak kolejne kosmiczne misje, ktre bd w stanie zbada niektre przewidywania modelu bran, odmienne od przewidywa teorii Wielkiego Wybuchu. Zastosowanie teorii ekpyrotycznej pozwala przewidzie pewne moliwe do wykrycia cechy mikrofalowego promieniowania ta. Kwesti prawdziwoci teorii wiata na pytce mog te z czasem rozstrzygn pomiary fal grawitacyjnych wysyanych we wczesnym Wszechwiecie. Czy wic za par lat teoria Wielkiego Wybuchu zwyciy, czy te okae si, e nasz paski wiat porusza si w wielowymiarowej przestrzeni, czekajc na kolejne zderzenie?

DR WERONIKA LIWA jest redaktorem Wiedzy i yda.

Galaktyki spiralne podobne do tej, w ktrej yjemy, nie bd trway wiecznie: gdy zabraknie gazu, z ktrego mog powstawa nowe gwiazdy, zaczn powoli gasn. Z czasem rozpychajca wiat ciemna energia moe rozerwa wizy pomidzy poszczeglnymi gwiazdami, ich planetami, a nawet - atomami.wiat zakoczyby si wwczas w Wielkim Rozerwaniu".