Kosmiczna pajęczyna. Tajemnicza struktura Wszechświata - ebook

Dla tych, którzy byli dla mnie drogowskazem:

dla pani Ruth Pardon, mojej nauczycielki matematyki w liceum,

doktora Bruce’a Wavella,

kierownika letniego kursu matematyki w Rollins College,

pani Dorothy Schriver, menedżera programu

dla młodych utalentowanych naukowców,

doktorów Jamesa E. Gunna i Martina Reesa,

a także dla moich kolegów z zespołu topologii,

którzy towarzyszyli mi w naszej podróży

przez kosmiczną pajęczynę.

Na koniec dla mojej najmłodszej wnuczki Allison

– witaj we Wszechświecie.Podziękowania

Przede wszystkim i ponad wszystko dziękuję mojej żonie Lucy za jej miłość i wsparcie, a także za pełne profesjonalizmu uwagi redakcyjne, dzięki którym rękopis zyskał przejrzystość. Dziękuję mojej córce Elizabeth oraz zięciowi Michaelowi za ich miłość i wsparcie. Jestem bardzo wdzięczny mojemu koledze Michaelowi Vogeleyowi, który z życzliwością zapoznał się z całym rękopisem i wniósł znakomite uwagi i uzupełnienia, oraz Bobowi Vanderbei i Li-Xin Li za pomoc przy wykresach; pomocne uwagi zgłosili też Zachary Slepian, Matias Zaldarriaga, Nima Arkani-Hamed i Andrew Hamilton. Dziękuję mojemu agentowi Jeffowi Kleinmanowi – praca z nim zawsze jest czystą przyjemnością, jak też mojej wspaniałej redaktor w Princeton University Press, Ingrid Gnerlich, oraz jej asystentowi, Ericowi Henneyowi. Wyrazy wdzięczności za okazaną specjalistyczną pomoc kieruję pod adresem mojej redaktor technicznej Brigitte Pelner, adiustator Lindy Thompson i głównego ilustratora Dimitriego Karetnikowa.

Z prawdziwą przyjemnością zamieszczam podziękowania dla licznych kolegów, z którymi pracowałem nad wielkoskalową strukturą Wszechświata – z początku byli to Jim Gunn, Martin Rees, Ed Turner, Sverre Aarseth i Suketu Bhavsar, potem Adrian Melott i Mark ­Dickinson – wspólnie z nimi opracowałem ideę topologii gąbki – oraz Andrew Hamilton, który dostarczył wzór o kluczowym znaczeniu, David Weinberg, który wielokrotnie wykorzystał go we współpracy z różnymi zespołami, Trinh X. Thuan i Michael Vogeley, z którymi analizowałem próbki danych obserwacyjnych, Changbom Park, którego symulacje komputerowe udowodniły, że zimna ciemna materia może tworzyć Wielkie Ściany, Barbara Ryden, która zajmowała się topologią w próbkach przypominających pręty, Wes Colley i Changbom Park, z którymi badałem kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, Mario Jurić, który pomógł zmierzyć Wielką Ścianę Sloana, Lorne Hofstetter, który pomógł zobrazować tę strukturę, Juhan Kim, który – wspólnie z Changbomem Parkiem – stworzył symulacje Horizon Run, a także Clay Hambrick, Yun-Young Choi, Robert Speare i Prachi Parihar, którzy wzięli udział w naszym projekcie, stosując zaproponowaną przez nas technikę topologii do porównania wielkich symulacji komputerowych z obserwacjami przeprowadzonymi w ramach przeglądu Sloana. Dziękuję Zackowi Slepianowi za udział w opracowaniu wzoru opisującego ciemną energię. Wielu z wymienionych uczestniczyło w projekcie przez dziesięciolecia i stało się moimi przyjaciółmi na całe życie. Cenię sobie to, że wszyscy mi towarzyszyli.Przedmowa

Galileusz powiedział kiedyś: „Filozofia jest zapisana w wielkiej księdze, którą zawsze mamy przed oczami – mam na myśli Wszechświat... To księga napisana językiem matematyki, a symbolami są trójkąty, koła i inne figury geometryczne”. Okazało się to prawdą w odniesieniu do rozkładu galaktyk we Wszechświecie. Zrozumienie go wymaga bowiem posługiwania się językiem geometrii.

Kiedy miałem 18 lat, odkryłem grupę zawiłych, podobnych do gąbki struktur złożonych z trójkątów, kwadratów, pięciokątów lub sześciokątów – coś, co klarownie dzieliło przestrzeń na dwa równe i doskonale zazębiające się obszary. To przypominające gąbkę wielościany foremne – figury zbudowane z wielokątów foremnych, które tworzyły jednakowy układ wokół każdego z wierzchołków. Jako nastolatek, skonfrontowany z mądrością starożytnych Greków mówiącą, że istnieje pięć i tylko pięć wielościanów foremnych (czworościan, sześcian, ośmiościan, dwunastościan i dwudziestościan) – która już dawno została udowodniona – stwierdziłem: „Cóż, a może to wcale nie jest prawdą”. Uczyniłem je tematem swojego szkolnego projektu naukowego i pojechałem z nim na lokalne Targi Naukowe w Louisville w stanie Kentucky. Co zaskakujące, okazało się, że praca ta miała w przyszłości odegrać pewną rolę na mojej własnej drodze ku zrozumieniu sposobu rozmieszczenia galaktyk we Wszechświecie.

Inspiracją dla mnie była postać Johannesa Keplera. On również zakwestionował starożytną mądrość na temat pięciu wielościanów foremnych. Kepler uważał, że za wielościany powinny być uważane także trzy płaskie posadzki z wielokątów foremnych: wypełniająca płaszczyznę euklidesową szachownica, wzór z sześciokątów foremnych oraz z trójkątów równobocznych, po sześć wokół jednego punktu. Mimo że szachownica jest płaska, a sześcian trójwymiarowy, obydwie figury składają się z tak samo regularnie uporządkowanych wielokątów. Kepler sądził na przykład, że szachownicę można traktować jak nowy wielościan foremny – o nieskończonej liczbie ścian. Na tym jednak nie poprzestał, znalazł również dwa nowe foremne wielościany gwiaździste. Ściany jednego z nich miały postać gwiazdy pięcioramiennej, takiej samej jak na amerykańskiej fladze. Czy gwiazda nie jest równie foremna jak pięciokąt? Ma pięć punktów, tak jak pięciokąt, i podobnie jak on składa się z łączących je pięciu odcinków równej długości. Jedyna różnica polega na tym, że liniom wolno się ze sobą krzyżować! Musimy jedynie nieco wytężyć umysł, by dostrzec w nich wielokąty foremne. Kepler uczynił z pięcioramiennych gwiazd ściany swojego nowego wielościanu foremnego. Pozwolił, by wzajemnie się przecinały, tworząc trójwymiarową gwiazdę. Uczony rozumiał, że chcąc znaleźć coś nowego, trzeba czasem nieznacznie nagiąć reguły (zob. ilustracja 1 na wkładce).

Kepler był również zafascynowany możliwością wykorzystania wielościanów w astronomii. W jego czasach znanych było sześć planet. Jeżeli zbudujemy sfery, których promienie odpowiadają odległości każdej z planet od Słońca, otrzymamy sześć sfer zawartych jedna w drugiej. Uczony pomyślał, że chcąc wyjaśnić geometrię Układu Słonecznego, można między poszczególnymi sferami umieścić pięć znanych wcześniej wielościanów foremnych. I tutaj się mylił. Kiedy odkryto kolejne planety, cała idea zupełnie się załamała. Gdy jednak powiedziano mu, że orbity planet muszą mieć kształt okręgu, postanowił zastąpić je elipsami. I to słusznie zapewniło mu sławę.

Pytanie brzmi, czy moje podobne do gąbki wielościany – które mają geometrię gąbki morskiej, z wieloma przenikającymi je otworami – pozostaną jedynie fantazją matematyczną, czy też znajdą kiedyś swoje praktyczne zastosowanie w astronomii świata realnego. Okazało się, że można je zastosować do zrozumienia mechanizmów gromadzenia się galaktyk.

Edwin Hubble odkrył, że nasza zawierająca 300 miliardów gwiazd Droga Mleczna nie jest jedyną galaktyką we Wszechświecie. Istnieje niezliczone mnóstwo innych galaktyk, równie dużych jak nasza. Co więcej, jak piszę w rozdziale 1, cały ten zbiór ulega ekspansji. Lecz jaki jest ich faktyczny rozkład w przestrzeni? To zagadka, z którą przyszło zmierzyć się astronomom. Galaktyki skupiają się w gromady. W rozdziale 2 przedstawiam słynne badania Zwicky’ego, który pracował nad tym zagadnieniem w Caltechu. Jego praca w czasach zimnej wojny doprowadziła amerykańskich kosmologów do zaakceptowania modelu klopsów, czyli unoszących się w rozrzedzonym morzu bardzo gęstych gromad, co opisałem w rozdziale 3. Tymczasem rosyjska szkoła kosmologii preferowała model, w którym galaktyki układają się w przestrzeni na wzór gigantycznego plastra miodu, z ogromnymi, izolowanymi pustkami. To wszechświat sera szwajcarskiego (rozdział 4). Odkryłem, że nowa teoria inflacji1 (rozdział 5) nie jest spójna z żadnym z tych obrazów i wymaga struktury podobnej do gąbki, w której wielkie gromady galaktyk łączą się ze sobą włóknami galaktyk, a wielkie pustki – tunelami o niskiej gęstości (rozdział 6).

Biorąc pod uwagę teorię inflacji i pamiętając wielościany z czasów mojej młodości, razem z Adrianem Melottem (Uniwersytet w Kansas) i Markiem Dickinsonem (Uniwersytet Princeton) napisaliśmy artykuł, w którym przewidywaliśmy, że galaktyki muszą być rozmieszczone na wzór gigantycznej kosmicznej gąbki. Wysiłek, jaki włożyliśmy w weryfikację tych przewidywań, wpisał się w większą opowieść o heroicznym trudzie zespołów obserwatorów, tworzących mapę Wszechświata, którą snuję na stronach rozdziałów 7, 8 i 9. Ich badania dają nam zasadniczy wgląd w początki Wszechświata. Astronomowie zaczęli poznawać rozkład galaktyk w przestrzeni. Niczym dawni kartografowie, szkicujący mapę Ziemi, współcześni kosmiczni kartografowie zaczęli tworzyć mapę Wszechświata. Po pierwszych przeglądach nieba, obejmujących tysiąc galaktyk, najnowsze duże przeglądy uwzględniają ich dobrze ponad milion. Stworzono trójwymiarowe mapy rozkładu galaktyk, z których wyłania się struktura faktycznie podobna do gąbki. Wielkie gromady galaktyk łączą się ze sobą za pomocą włókien czy też łańcuchów galaktyk, podczas gdy pustki o niskiej gęstości wykorzystują w tym celu tunele o niskiej gęstości. Nazywamy tę strukturę kosmiczną pajęczyną. Odkryto wielkie gromady połączone ze sobą długimi na miliardy lat świetlnych włóknami z łańcucha galaktyk. To największe struktury w naszym Wszechświecie. Dzięki zmierzeniu jednej z nich, Wielkiej Ściany Sloana, ja oraz Mario Jurić trafiliśmy do Księgi rekordów Guinnessa – i nie musieliśmy nawet zrobić największej na świecie kuli ze sznurka! Wytłumaczę, jak doszło do powstania owych największych struktur Wszechświata, które stanowią rozdęte pozostałości mikroskopijnych losowych fluktuacji kwantowych we wczesnym Wszechświecie, utworzonych w wyniku inflacji w ciągu 10–35 sekundy po Wielkim Wybuchu. Zostało to potwierdzone badaniami fluktuacji w mikrofalowym promieniowaniu tła, które przetrwały od pierwszych chwil istnienia Wszechświata (rozdział 10).

Nie dość, że te struktury rzucają nieco światła na wczesny etap istnienia Wszechświata, to jeszcze mogą okazać się pomocne w przewidywaniu jego przyszłych losów. Szerzej piszę o tym w ostatnim rozdziale. Czy Wszechświat będzie wciąż rozszerzał się wykładniczo, jak sugerują niektóre modele, czy też w końcu zwolni tempo ekspansji? A może za kolejnych 150 miliardów lat ulegnie Wielkiemu Rozdarciu? W znalezieniu odpowiedzi na te pytania mogą nas wspomóc staranne badania kosmicznej sieci. Zweryfikowanie tych alternatywnych wizji przyszłości stanowi jeden z priorytetowych obszarów badań współczesnej astronomii.

Książka ta, ukazując cały wachlarz działalności badawczej, od skromnego szkolnego projektu naukowego po angażujące setki astronomów projekty mapowania Wszechświata, da wam solidne wyobrażenie o tym, na czym polega praca naukowa. To opowieść o tym, jak nieoczekiwane powiązania mogą prowadzić do nowych pomysłów, i o tym, jak symulacje komputerowe w połączeniu z szeroko zakrojonymi teleskopowymi przeglądami nieba zmieniły nasze rozumienie Wszechświata, w którym mieszkamy. To opowieść na poły autobiograficzna, w której skupiam się na własnych doświadczeniach, ale również na ludziach, których nowatorskie idee wywarły wpływ na tę dziedzinę badań. Miałem szczęście pracować z niektórymi z największych astronomów naszego pokolenia, w ten czy inny sposób zgłębiających wiele aspektów niniejszej historii, poczynając od gromadzenia się galaktyk, soczewkowania grawitacyjnego czy symulacji komputerowych, a kończąc na mapowaniu struktur wielkoskalowych, inflacji i ciemnej energii. Książkę tę napisałem z własnej, osobistej perspektywy, człowieka szukającego drogi do celu wraz z wieloma niezwykle utalentowanymi ludźmi, którzy toczyli boje i ostatecznie odnieśli zwycięstwo w walce o zrozumienie struktury wielkoskalowej Wszechświata. Czy też, jeśli wolicie, kosmicznej pajęczyny.

J. Richard Gott

Princeton, New Jersey

1 W celu wyjaśnienia niejednorodności Wszechświata w dużej skali i jego olbrzymich rozmiarów teoria inflacji zakłada, że wczesny Wszechświat przeszedł okres superszybkiej ekspansji, w wyniku której jego wielkość uległa wielokrotnemu podwojeniu. Era inflacji wyjaśnia, w jaki sposób zapoczątkowana została ekspansja Wszechświata po Wielkim Wybuchu.