V současné době je standardním všeobecně uznávaným kosmologickým modelem teorie Velkého třesku. Ta předpokládá, že se náš pozorovaný vesmír začal rozpínat z velmi horkého a hustého počátku. Od poklesu teplot pod hodnoty v řádu 1014 K a hustoty několikanásobku hustoty atomového jádra, tedy v čase v oblasti zlomku mikrosekundy, může být jeho vývoj popsán pomocí Standardního modelu hmoty a interakcí a Obecné teorie relativity. Před touto dobou, kdy byly teploty a hustoty vyšší, už se dostávají známé fyzikální teorie ke svým limitám, pomocí jejich popisu dostáváme singularitu a potřebujeme obecnější fyzikální teorii. Tou může být nějaká varianta teorie velkého sjednocení obsahující kvantovou teorii gravitace. Tu však zatím neznáme. Model Velkého třesku tak popisuje rozpínání vesmíru od zmíněných hodnot teploty, hustoty a času s tím, že musí obsahovat okrajové podmínky v té době. To, že popis Velkého třesku ovlivňuje doposud neznámá obecnější fyzikální teorie, ukazuje i fakt, že právě v rámci zmíněných okrajových podmínek do něj musíme zahrnout i fenomény, které stávající teorie nemají. Jde například o temnou hmotu, temnou energii nebo významné narušení CP symetrie.
Za hlavní důkazy existence Velkého třesku se považují tyto hlavní skutečnosti. Pozorování rozpínání našeho vesmíru, které pozorujeme se stále větší přesností. Druhým faktem je existence mikrovlnného záření, jehož přirozeným vysvětlením je reliktní původ právě z horkého počátku vesmíru. Třetím je existence přebytku lehkých prvků kosmologického původu. Jde hlavně o helium čtyři, kterého je 25 %. Čtvrtým pak je pozorování evoluce galaxií a hvězd. Podrobněji je standardní model Velkého třesku popsán zde.
Hypotéza původu vesmírného mikrovlnného záření v tepelném záření prachu
Existuje řada hypotéz, které snaží jednotlivé popsané skutečnosti vysvětlit jinak. V téměř všech případech se však zaměřují na jednotlivé aspekty a nedokáží komplexně vysvětlit všechna zmíněná pozorovaná fakta. Jednou z nich je i představa, že mikrovlnné záření není reliktního původu, ale jeho zdrojem je tepelné záření extragalaktického prachu. Právě tuto představu rozvíjí a upřesňuje Václav Vavryčuk. Jeho hypotéza předpokládá, že vesmírný prostor není průhledný a má kvůli prachu v prostoru mezi galaxiemi dobře definovanou opacitu. Mezigalaktický prach pohlcuje záření hvězd a galaxií a následně je vyzařuje.
Při této absorpci a emisi se nastolí termodynamická rovnováha a stabilní teplota zmíněného prachu. Tato teplota určuje i spektrum vyzařovaného záření. V našem vesmírném okolí (současné době) vychází pro danou opacitu a intenzitu vyzařování hvězd a galaxií teplota prachu okolo 2,7 K. V minulosti byla hustota extragalaktického prachu vlivem rozpínání vesmíru větší a větší byla i objemová hustota galaxií. Teplota prachu tak byla vyšší. Tento jev pak přesně kompenzuje efekt zčervenání elektromagnetického záření vlivem rozpínání vesmíru, které k nám přichází ze vzdálenějších, a tedy starších, oblastí. Teplota záření přicházejícího k nám z různě vzdáleného extragalaktického prachu pak bude stejná. Svou hypotézu Václav Vavryčuk podrobně popsal v přednášce a v publikacích zde a zde.
Problémy této hypotézy
Pokusil bych se ukázat několik rozporů a problémů, které tato hypotéza v podání Václava Vavryčuka má. On sám vidí její výhodu v tom, že zatímco prvotní teoretické odhady teploty reliktního záření v padesátých a šedesátých letech minulého století byly mezi 5 až 7 K, a teprve později se jejich hodnoty přiblížily k reálným hodnotám, jeho odhad je 2,776 K, tedy méně než dvě procenta od pozorované hodnoty. Je však třeba zmínit dvě skutečnosti. Teoretické odhady teploty reliktního záření jsou silně závislé na našich znalostech rychlosti rozpínání vesmíru a jeho případné změny v čase. Jsou tak dány přesností našeho měření Hubblovy konstanty a její změně v průběhu rozpínání vesmíru. Znalost velikosti Hubblovy konstanty byla v padesátých a šedesátých letech velmi omezená a proto byl i odhad teploty předpovídaného reliktního záření nepřesný. Se zpřesňováním měření Hubblovy konstanty se pak dramaticky zlepšoval i odhad teploty reliktního záření.
Hodnota teploty extragalaktického prachu u hypotézy Václava Vavryčuka je dána výkonem vyzařovaným galaxiemi. Jím získanou hodnotu teploty mezigalaktického prachu dostal za předpokladu, že je tento výkon 80 nW/(m2sr). To je podle něj optimální hodnota. Ovšem on sám uvádí (viz obrázky spekter tohoto záření), že se různá měření značně liší a reálné hodnoty se nachází někde mezi minimem 40 nW/(m2sr) a maximem 200 nW/(m2sr). I vypočtené hodnoty teploty mezigalaktického prachu se tak pohybují mezi hodnotami 2,3 až 3,5 K, a to ještě není započtena nejistota v určení poměru opacit prachu uvnitř galaxií a v mezigalaktickém prostoru, která také bude určitě spíše desítky procent. Vzhledem k tomu, že Václav Vavryčuk dělá svou předpověď při znalosti velmi přesné experimentální hodnoty teploty mikrovlnného záření, je shoda na méně než dvě procenta při tak velkých nejistotách experimentálních hodnot výkonu vyzařovaného galaxiemi nepříliš průkazná.
Další problém, na který hypotéza Václava Vavryčuka naráží, je extrémně přesná měřená hodnota teploty reliktního záření a jeho extrémní shoda se spektrem absolutně černého tělesa. Zároveň pozorujeme, že je záření extrémně izotropní a teplotní fluktuace jsou velmi malé. Rozložení a složení prachu ve vesmíru by tak muselo být extrémně homogenní a izotropní a muselo by být extrémně neproměnné v čase po celou dobu rozpínání vesmíru. Jeho změna hustoty by musela záviset čistě na rozpínání vesmíru. Nesmělo by v průběhu rozpínání docházet k žádné evoluci rozložení a složení mezigalaktického prachu. Potvrzení takového optimálního vyladění a navíc i toho, že vyzařovaný výkon galaxií odpovídá výkonu vyzařovaného mikrovlnného záření, je pořád otevřenou otázkou. Zde by se také narazilo na problém s vysvětlením poměru mezi počtem fotonů mikrovlnného záření a počtu baryonů, který dost přirozeně vysvětluje model Velkého třesku.
Dopady této hypotézy na kosmologický model
Předpokládejme, že hypotéza Václava Vavryčuka popisuje skutečnost. Podívejme se na to, jaké dopady to bude mít na kosmologický model. V takovém případě nesmí vesmír projít velmi horkou a hustou fází. Nesmí totiž být stlačen na takovou hustotu a teplotu, aby se vypařil mezigalaktický prach a už vůbec by nemohlo dojít k tomu, že by zmizely galaxie a hvězdy v plazmě, která by měla teplotu, při které vzniklo reliktní mikrovlnné záření podle klasické teorie. To však znamená, že by veškerý vývoj vesmíru probíhal v režimu fyziky standardního modelu hmoty a interakcí a obecné teorie relativity. A v ní nemáme žádnou možnost, jak by se smršťování vesmíru změnilo na jeho rozpínání. K tomu však musí nutně dojít v případném kosmologickém modelu oscilujícího vesmíru kolegy Vavryčuka.
V takovém případě by s velkou pravděpodobností měla průchod oscilací přežít celá řada objektů z předchozí oscilace vesmíru. Nebylo by tak těžké najít řadu objektů, jejichž stáří by bylo vyšší, než stáří vesmíru předpovídané ve Velkém třesku. Je sice pravda, že se občas objeví zpráva, že se taková hvězda našla, ale zatím se vždy ukázalo, že to bylo dáno experimentálními nejistotami a chybami.
V takovém vesmíru bychom také nesměly pozorovat žádnou jeho evoluci, která by měnila složení a hustotu mezigalaktického prachu. To znamená tvorbu nových prvků a prachu a jeho vyvrhování do mezigalaktického prostoru. Velmi těžko by se také v tomto modelu vysvětloval poměr vodíku, hélia a dalších těžších prvků vůči těm těžším. V diskuzi, kterou jsme vedli po mé přednášce o kosmologických novinkách z loňského roku, zdůrazňoval Václav Vavryčuk, že existují nejistoty v přesnosti předpovědí zastoupení helia, deuteria a hlavně lithia. Má pravdu. Ovšem tyto nepřesnosti, kromě lithia, nejsou velké. Na druhé straně, model bez existence horkého a hustého počátku s primordiální produkcí lehkých prvků bude mít s předpovědí zastoupení prvků ještě daleko větší problémy.
U tvorby deuteria bych si dovolil ještě jednu poznámku. Nutnost existence temné hmoty nevyplývá jen z množství deuteria, ale hlavně z pozorovaného gravitačního vlivu a průběhu rozpínání vesmíru (tedy z jeho plochosti), ta navíc potřebuje i určitou míru temné energie. Ta také neplyne pouze z pozorování supernov prvního druhu. A právě konzistence potřebného zastoupení temné hmoty u gravitačního vlivu, pozorovaného zastoupení deuteria a oscilací fluktuací v reliktním záření je jednou z podpor standardního modelu Velkého třesku. Pochopitelně všechny tyto měření a teoretické výpočty mají své nejistoty a ne vždy jsou konzistentní úplně. Ovšem při budování kosmologického modelu oscilujícího vesmíru na základě hypotézy kolegy Vavryčuka bychom při popisu na stejné úrovni hloubky analýzy nejspíše narazili na daleko větší rozpory. Myslím si, že některé z nich by byly pro takový model fatální.
Jaká data rozhodnou?
Mezi reliktním původem mikrovlnného záření a hypotézou kolegy Vavryčuka lze pochopitelně experimentálně rozhodnout. Začněme s těmi exotičtějšími. Například pozorování reliktního neutrinového pozadí nebo primordiálních gravitačních vln by rozhodlo jasně. Ta v kosmologickém modelu bez Velkého třesku existovat nemohou. Klíčové je přesné měření rozložení a složení prachu a ověření, jak by jeho tepelné záření bylo izotropní a dokázalo udržet přesnou teplotu. Pomůže i zpřesňování měření průběhu rozpínání. Osobně si myslím, že zde už má tato hypotéza nyní problém s vysvětlením tak vysoké homogenity a izotropie mikrovlnného záření a jeho intenzity. Jak i sám Václav Vavryčuk poznamenává, klíčové by mohlo být vypuštění nového vesmírného teleskopu Jamese Webba. Ten by pozoroval velmi vzdálené galaxie, jejich počty a vývoj.
Závěr
Na závěr se pokusím o krátké shrnutí. Standardní kosmologický model má své otevřené otázky a nejistoty. Jde o vědeckou teorii, a jako taková má být a je neustále podrobovaná experimentálním testům. Má prvky, které nedokáže vysvětlit - temná hmota, temná energie, singularita. Ty ovšem "odsunuje" do oblasti, kde víme, že klasická fyzika (Standardní model hmoty a interakcí a Obecná teorie relativity) nefunguje a potřebujeme pro ní novou exotickou fyzikální teorii. Všechny hypotézy, které se snaží vyvrátit jednotlivé pilíře standardního modelu, narážejí hlavně na to, že nedokáží společně vytvořit ucelený kosmologický model konzistentní alespoň na podobné úrovni. V případě hypotézy kolegy Vavryčuka jde hlavně o nemožnost vysvětlení (zde nejdeme za rámec standardní fyziky) změny kolapsu vesmíru v rozpínání při hustotách a teplotách, které by nenarušily homogenitu a izotropii vlastností prachu ve vesmíru.
Úvahy kolegy Vavryčuka jsou určitě užitečné a zajímavé. A stejně jako všechny seriózní hledání možných variant některých částí standardního modelu Velkého třesku jsou přínosem i pro tuto teorii. Každá teorie by se měla testovat a verifikovat, to je smyslem vědeckého hledání a diskuzí.
Video: Kosmologie - otázky a odpovědi (KS ČAS 13.1.2020)