Świadectwo • Wiara • Nauka

Obserwowalny Wszechświat — nasz kosmiczny adres

Iz 40:26 — "Wznieście oczy swe w górę i rozejrzyjcie się! Kto stworzył te wszystkie gwiazdy jak nie Ten, który je ustawił w wojskowe szyki i wszystkie je woła po imieniu. Dzięki obfitości dynamicznej sile i potężnej mocy, żadnej z nich nie zabrakło!"

WSTĘP

Obserwowalny Wszechświat to ta część kosmosu, z której światło zdążyło dotrzeć do Ziemi od początku istnienia Wszechświata. Według współczesnej kosmologii Wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, ale obserwowalny Wszechświat jest znacznie większy niż 13,8 miliarda lat świetlnych, ponieważ sama przestrzeń przez ten czas się rozszerzała.

ROZWINIĘCIE

  1. Ziemia — punkt wyjścia naszego kosmicznego adresu
    Ziemia jest trzecią planetą od Słońca i jedynym znanym nam miejscem, gdzie istnieje życie. W skali człowieka Ziemia wydaje się ogromna, ale w skali kosmicznej jest bardzo małym ciałem niebieskim. Ma średnicę około 12 742 km, czyli jest maleńka w porównaniu ze Słońcem, galaktykami i całym obserwowalnym Wszechświatem. Gdy mówimy o „kosmicznym adresie”, Ziemia jest pierwszym poziomem: tu żyjemy, oddychamy, obserwujemy niebo i stąd wysyłamy teleskopy oraz sondy kosmiczne. Wszystkie nasze pomiary Wszechświata zaczynają się właśnie z tej małej planety.
  2. Układ Słoneczny — nasze najbliższe kosmiczne otoczenie
    Układ Słoneczny składa się ze Słońca, ośmiu planet, planet karłowatych, księżyców, planetoid, komet, pyłu i drobnych ciał krążących wokół Słońca. Słońce zawiera ponad 99% masy całego Układu Słonecznego, dlatego jego grawitacja porządkuje ruch planet. Ziemia znajduje się w tzw. ekosferze, czyli w obszarze, gdzie przy odpowiednich warunkach może istnieć ciekła woda. Układ Słoneczny nie jest nieruchomy — razem ze Słońcem porusza się wokół centrum Drogi Mlecznej. Jeden taki obieg trwa około 225–250 milionów lat.
  3. Droga Mleczna — galaktyka, w której żyjemy
    Droga Mleczna jest galaktyką spiralną z poprzeczką. Oznacza to, że ma centralną strukturę podobną do poprzeczki oraz ramiona spiralne, w których znajdują się gwiazdy, gaz, pył i obszary narodzin nowych gwiazd. Słońce leży około 26–27 tysięcy lat świetlnych od centrum Galaktyki, w rejonie nazywanym Ramieniem Oriona lub Ostrogą Oriona. Droga Mleczna ma prawdopodobnie od 100 do 400 miliardów gwiazd. W jej centrum znajduje się supermasywna czarna dziura Sagittarius A*, której masa wynosi około 4 miliony mas Słońca.
  4. Odległości kosmiczne — dlaczego używa się lat świetlnych
    W kosmosie zwykłe kilometry szybko stają się niewygodne, bo odległości są ogromne. Dlatego astronomowie używają roku świetlnego, czyli odległości, jaką światło pokonuje w ciągu jednego roku. Jeden rok świetlny to około 9,46 biliona kilometrów. Gdy mówimy, że coś jest oddalone o 2,5 miliona lat świetlnych, oznacza to, że światło z tego obiektu leciało do nas około 2,5 miliona lat. Patrząc w kosmos, patrzymy więc także w przeszłość, bo widzimy obiekty takimi, jakie były wtedy, gdy wysłały do nas światło.
  5. Galaktyka Andromedy — najbliższa duża sąsiadka Drogi Mlecznej
    Galaktyka Andromedy, znana też jako M31, jest najbliższą dużą galaktyką spiralną względem Drogi Mlecznej. Znajduje się około 2,5 miliona lat świetlnych od nas, a nie około 100 tysięcy lat świetlnych. To ważna poprawka, bo 100 tysięcy lat świetlnych to mniej więcej skala samej Drogi Mlecznej, a nie odległość do Andromedy. Andromeda zawiera ogromną liczbę gwiazd i razem z Drogą Mleczną dominuje grawitacyjnie w Grupie Lokalnej. Obserwacje wskazują, że w bardzo dalekiej przyszłości Droga Mleczna i Andromeda prawdopodobnie zderzą się i połączą w większą galaktykę.
  6. Grupa Lokalna — rodzina pobliskich galaktyk
    Droga Mleczna nie jest samotna. Razem z Andromedą, Galaktyką Trójkąta, Wielkim i Małym Obłokiem Magellana oraz wieloma mniejszymi galaktykami karłowatymi tworzy Grupę Lokalną. Jest to zbiór ponad 100 znanych galaktyk, związanych ze sobą grawitacyjnie. Większość z nich to małe galaktyki karłowate, trudne do obserwacji, bo są słabe i rozproszone. Grupa Lokalna ma rozmiar kilku milionów lat świetlnych i jest pierwszym większym poziomem struktury kosmicznej ponad pojedynczą galaktyką.
  7. Supergromada w Pannie i Laniakea — większa mapa naszego rejonu kosmosu
    Dawniej często mówiono, że Grupa Lokalna należy do Supergromady w Pannie, ponieważ w kierunku gromady galaktyk w Pannie znajduje się ważne skupisko masy. Nowsze badania ruchów galaktyk pozwoliły wyróżnić większą strukturę nazywaną Laniakea. Nazwa Laniakea oznacza „niezmierzone niebo” i dobrze oddaje jej skalę. Laniakea zawiera ogromną liczbę galaktyk i obejmuje obszar setek milionów lat świetlnych. Trzeba jednak pamiętać, że supergromady nie są tak zwarte jak Układ Słoneczny czy pojedyncza galaktyka — to raczej wielkoskalowe układy przepływów i zagęszczeń materii.
  8. Kosmiczna sieć — największy wzór materii we Wszechświecie
    Na największych skalach galaktyki nie są rozrzucone całkowicie przypadkowo. Tworzą kosmiczną sieć, czyli układ włókien, węzłów i pustek. Włókna zawierają galaktyki i gromady galaktyk, a między nimi znajdują się ogromne puste obszary, gdzie galaktyk jest znacznie mniej. Ten obraz dobrze pasuje do tego, co widzimy na symulacjach komputerowych i mapach wielkoskalowej struktury kosmosu. Kosmiczna sieć powstała dlatego, że grawitacja przez miliardy lat wzmacniała drobne nierówności materii obecne we wczesnym Wszechświecie.
  9. Obserwowalny Wszechświat — część kosmosu dostępna naszym obserwacjom
    Obserwowalny Wszechświat to nie to samo, co cały Wszechświat. To tylko ta część, z której światło lub inne sygnały zdążyły dotrzeć do nas od początku kosmicznej historii. Ponieważ Wszechświat ma ograniczony wiek, a światło ma ograniczoną prędkość, istnieje granica tego, co możemy zobaczyć. Ta granica nazywa się horyzontem kosmicznym. Za tym horyzontem może istnieć więcej galaktyk, gwiazd i struktur, ale nie możemy ich bezpośrednio obserwować.
  10. Wiek Wszechświata — około 13,8 miliarda lat
    Najlepsze współczesne pomiary wskazują, że Wszechświat ma około 13,8 miliarda lat. Ta liczba pochodzi między innymi z badań mikrofalowego promieniowania tła, czyli bardzo starego promieniowania pozostałego po gorącym, młodym Wszechświecie. Dane z misji Planck oraz wcześniejszych misji kosmologicznych pozwoliły bardzo dokładnie opisać wiek, skład i tempo rozszerzania się Wszechświata. Wiek 13,8 miliarda lat nie oznacza jednak, że promień obserwowalnego Wszechświata wynosi tylko 13,8 miliarda lat świetlnych, ponieważ w tym czasie sama przestrzeń się rozszerzała.
  11. Dlaczego obserwowalny Wszechświat ma około 93 miliardy lat świetlnych średnicy
    To może wyglądać dziwnie: skoro Wszechświat ma około 13,8 miliarda lat, to dlaczego obserwowalny Wszechświat ma około 93 miliardy lat świetlnych średnicy? Odpowiedź jest taka, że światło leciało do nas przez miliardy lat, ale w tym samym czasie przestrzeń między nami a odległymi obiektami stale się rozszerzała. Dlatego obszary, których światło widzimy dzisiaj jako bardzo stare, obecnie znajdują się znacznie dalej niż 13,8 miliarda lat świetlnych. Promień obserwowalnego Wszechświata szacuje się na około 46,5 miliarda lat świetlnych, a średnicę na około 93 miliardy lat świetlnych.
  12. Horyzont kosmiczny — granica widzialności, nie ściana
    Horyzont kosmiczny nie jest fizyczną ścianą ani końcem przestrzeni. To granica naszych możliwości obserwacyjnych. Oznacza, że za tą granicą mogą znajdować się dalsze obszary kosmosu, ale światło z nich nie zdążyło do nas dotrzeć lub nigdy nie dotrze z powodu przyspieszającej ekspansji Wszechświata. Można powiedzieć, że jesteśmy w środku własnej „bańki widzialności”. Każdy obserwator w innej odległej galaktyce miałby własny obserwowalny Wszechświat, częściowo inny niż nasz.
  13. Mikrofalowe promieniowanie tła — najstarsze światło, jakie widzimy
    Jednym z najważniejszych dowodów współczesnej kosmologii jest mikrofalowe promieniowanie tła, znane jako CMB. To promieniowanie pochodzi z czasu, gdy Wszechświat miał około 380 tysięcy lat i stał się przezroczysty dla światła. Nie widzimy bezpośrednio wcześniejszych etapów za pomocą zwykłego światła, ponieważ wcześniej materia i promieniowanie były silnie sprzężone. CMB jest jak bardzo stary obraz młodego Wszechświata. Drobne nierówności w tym promieniowaniu pokazują zalążki późniejszych galaktyk i gromad galaktyk.
  14. Ekspansja Wszechświata — przestrzeń między galaktykami rośnie
    Wszechświat się rozszerza, co oznacza, że na dużych skalach odległości między gromadami galaktyk rosną. Nie chodzi o to, że galaktyki lecą przez pustą przestrzeń jak odłamki po wybuchu w zwykłym sensie. Bardziej poprawnie mówi się, że rozszerza się sama przestrzeń. Im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej jej odległość od nas rośnie w wyniku ekspansji. To zjawisko opisuje prawo Hubble’a-Lemaître’a i jest jednym z fundamentów współczesnej kosmologii.
  15. Ciemna materia — niewidzialny składnik pomagający tworzyć struktury
    Ciemna materia nie świeci i nie pochłania światła w zwykły sposób, dlatego nie widzimy jej bezpośrednio. Wiemy jednak, że istnieje lub że działa coś podobnego, ponieważ obserwujemy jej wpływ grawitacyjny na galaktyki, gromady galaktyk i soczewkowanie grawitacyjne. Bez ciemnej materii trudno byłoby wyjaśnić, dlaczego galaktyki obracają się tak, jak się obracają, i jak wielkoskalowe struktury kosmiczne powstały tak szybko. Według obecnego modelu kosmologicznego ciemna materia stanowi znaczną część całej materii we Wszechświecie.
  16. Ciemna energia — przyczyna przyspieszającej ekspansji
    Obserwacje odległych supernowych i mikrofalowego promieniowania tła wskazują, że ekspansja Wszechświata przyspiesza. Najczęściej opisuje się to za pomocą ciemnej energii, czyli składnika kosmosu, który działa przeciwnie do przyciągania grawitacyjnego na bardzo dużych skalach. Nie wiemy jeszcze dokładnie, czym ciemna energia jest. W standardowym modelu kosmologicznym stanowi ona największą część całkowitej zawartości energii Wszechświata. To jeden z najważniejszych nierozwiązanych problemów współczesnej fizyki.
  17. Czego nigdy nie zobaczymy
    Niektóre obszary kosmosu mogą na zawsze pozostać poza naszym zasięgiem obserwacji. Dzieje się tak dlatego, że przestrzeń rozszerza się, a światło z bardzo odległych rejonów może nigdy nie pokonać rosnącej odległości. To nie znaczy, że te obszary nie istnieją. Oznacza tylko, że nie możemy ich potwierdzić zwykłą obserwacją. Dlatego nauka ostrożnie oddziela to, co jest dobrze zmierzone, od tego, co jest możliwe, ale niepotwierdzone.
  18. Czy cały Wszechświat jest większy od obserwowalnego
    Współczesna kosmologia dopuszcza, że cały Wszechświat jest dużo większy niż jego obserwowalna część. Może być skończony, ale tak ogromny, że widzimy tylko mały fragment. Może też być nieskończony. Dane obserwacyjne pokazują, że przestrzeń na dużych skalach jest bardzo bliska płaskiej geometrii, ale to nie wystarcza, aby jednoznacznie rozstrzygnąć, czy całość jest nieskończona. Dlatego uczciwa odpowiedź brzmi: obserwowalny Wszechświat znamy coraz lepiej, ale całego Wszechświata nie znamy.
  19. Czy istnieje wiele wszechświatów
    Hipoteza wielu wszechświatów, czyli multiverse, pojawia się w niektórych teoriach kosmologicznych i fizycznych. Może wynikać na przykład z pewnych interpretacji inflacji kosmicznej lub z koncepcji związanych z fizyką teoretyczną. Trzeba jednak mówić jasno: obecnie nie mamy bezpośredniego dowodu obserwacyjnego na istnienie innych wszechświatów. To jest hipoteza, nie fakt. Można ją omawiać jako ciekawą możliwość, ale nie należy przedstawiać jej tak, jakby była potwierdzona.
  20. Co w przekazie popularnonaukowym jest prawdziwe
    Prawdą jest, że żyjemy w Drodze Mlecznej, że nasza galaktyka należy do Grupy Lokalnej i że ta z kolei jest częścią większych struktur kosmicznych. Prawdą jest także, że obserwowalny Wszechświat ma granicę, ponieważ światło potrzebuje czasu, aby dotrzeć do obserwatora. Zgadza się również ogólna myśl, że to, co widzimy, może być tylko częścią większej całości. Taki przekaz dobrze działa edukacyjnie, jeśli pamiętamy, gdzie kończy się wiedza potwierdzona, a gdzie zaczynają się hipotezy.
  21. Co wymaga naukowej ostrożności
    Największej ostrożności wymaga mówienie o „nieskończonym oceanie wszechświatów”. To brzmi pięknie i pobudza wyobraźnię, ale naukowo nie jest potwierdzone. Nie wiemy, czy cały Wszechświat jest nieskończony. Nie wiemy też, czy istnieją inne wszechświaty. Możemy powiedzieć: obserwowalny Wszechświat prawdopodobnie nie jest całością rzeczywistości kosmicznej, ale nie możemy z pewnością powiedzieć, jak wygląda całość poza naszym horyzontem.
  22. Najważniejsza myśl całego tematu
    Najważniejszy wniosek jest prosty: człowiek widzi ogromny kosmos, ale nie widzi wszystkiego. Nasze teleskopy, satelity i obliczenia pozwalają bardzo dużo zrozumieć, ale nadal istnieją granice poznania. Obserwowalny Wszechświat jest jak wielka mapa, ale może być tylko fragmentem znacznie większego obszaru. Dlatego temat ten dobrze łączy naukę, pokorę poznawczą i refleksję nad miejscem człowieka w kosmosie.

WNIOSKI

KONKLUZJE

Opis z filmu jest ogólnie zgodny z nauką, jeśli rozumiemy go jako popularnonaukowe uproszczenie. Najważniejsza prawda jest taka: obserwowalny Wszechświat nie musi być całym Wszechświatem. To tylko ta część kosmosu, którą możemy zobaczyć z Ziemi. Natomiast twierdzenie, że na pewno istnieje nieskończony ocean wielu wszechświatów, pozostaje hipotezą, a nie pewnym faktem.

ŹRÓDŁA NAUKOWE I EDUKACYJNE