Rychlá počáteční expanze pomáhá řešit tajenky vesmíru

Alexander Friedman v roce 1922 na základě Einsteinových rovnic předpověděl a o sedm let poté Edwin Hubble pozorováním cizích galaxií potvrdil, že se vesmír rozpíná. S tímto poznáním se zrodily mnohé záludné otázky – z čeho vznikl, co bylo před ním, a co je za jeho „hranicemi“? Je jediný, nebo jenom jeden z mnohých? Vývoj pozorovacích přístrojů umožnil nahlédnout hlouběji do minulosti vesmíru a tak jsme zjistili, že z hlediska velkých vzdáleností se jeví stejnorodý a pravděpodobně „plochý“, tedy s nulovým zakřivením časoprostoru. Ale proč? Jak jeden jeho „konec“ ví, jaké parametry má ten druhý? Co na počátku vyladilo hustotu hmoty a energie právě na kritickou hodnotu (poměr pozorované a kritické hustoty Ω = 1)?

 

Tyto i další „záhady“ elegantně vyřešila teorie inflace – krátké, ale extrémně rychlé exponenciální expanze, kdy se ve 10^-36 sekundě po velkém třesku vesmír s teplotou asi 10²⁷ K v průběhu 10^-34 sekundy „rozfoukl“ asi 10⁵⁰ krát. V hodnotách rozměrů našeho vesmíru před a po fázi inflace se i důvěryhodné universitní stránky liší. Dobře se však pamatují čísla, která uvádí známý astrofyzik, jeden z objevitelů temné energie, Alex Fillipenko, ve svých poutavých, v loňském roce cenou Richarda Emmonse ohodnocených přednáškách pro studenty Kalifornské university v Berkeley: náš pozorovatelný vesmír na počátku inflace měl poloměr něco pod 10^-50 m a na jeho konci asi metr. Ale nejde o "celý" vesmír, pro nějž budou hodnoty o něco dramatičtější a který má podle odhadů přibližně 10⁴¹ krát větší poloměr než jeho pro nás pozorovatelná část. Naši potenciální potomci ve vzdálené budoucnosti uvidí ještě méně a nepomohou jim ani sebelepší přístroje.

 

Do 10^-43 sekundy a teploty 10³² K po velkém třesku byly všechny čtyři známé fyzikální interakce – gravitační, elektromagnetická, slabá a silná jaderná - sjednocené v jednu sílu. Jako první se osamostatnila gravitace. Když v 10^-37 sekundě klesla teplota na 10²⁷ K, oddělila se silná jaderná síla od elektroslabé (sjednocené elektromagnetické + slabé jaderné) a v objemu o několik řádů menším, než je Planckova délka (1,6 x 10^-35 m) došlo k něčemu, co připomíná řetězovou reakci v ohřívacím gelovém polštářku - k fázovému přechodu a k uvolnění velkého množství energie. Prvotním impulzem, který v polštářku představuje energie mechanické deformace, byla ve vesmírném zárodku kvantová fluktuace, jež energií nabité vakuum "vykopla" z metastabilního stavu. V ohřívači se v podobě tepla uvolňuje kinetická energie molekul, které jsou najednou spoutány vzájemnými vazbami pevné fáze, hnací sílou rozpínajícího se vesmíru byla, a doposud je, energie (falešného) vakua.

 

V podstatě okamžitá obrovská expanze umožňuje vysvětlit, proč je vesmír všude, kam se podíváme, víceméně stejný. Dokazuje to i vysoká homogenita mikrovlnného reliktního záření, které má teplotu 2,725 K bez ohledu na to, z které strany k nám z obrovských časoprostorových dálav přichází. Nepatrné odchylky jsou stíny původních hustotních čeřin, zárodků příštích hvězd, galaxií a jejich seskupení.

Teorie inflace získala na důvěryhodnosti i tím, že se v ní snoubí kosmologie s kvantovou a částicovou fyzikou. Jeví se tak jako hluboká, prapodstatu všehomíra odhalující pravda. Je součástí teorií velkého sjednocení (GUTs).

Samotný pojem „inflace“ do kosmologie zavedl v roce 1980 Alan Guth z Massachussetts Institute of Technology (MIT). Ale nezávisle na něm a i o nějaký ten měsíc dříve podobnou teorii prezentoval Alexej Starobinský. Jeho smůlou bylo, že byl na té nesprávné straně železné opony, publikoval v Rusku a v ruštině.

 

Převratné myšlenky si svou pozici na výsluní musí vybojovat a ne všichni jim hned tleskají. V říjnu 1981 se v Moskvě konala mezinárodní konference, na které vystoupil i Stephen Hawking. Ve své přednášce vysvětloval, proč inflační vesmír nemůže realitě odpovídat. Jeho názory publiku pomáhal zprostředkovat jeden z tvůrců nové teorie, Rus Andrej Dmitrijevič Linde. Prý právě jemu se podařilo proslulého britského fyzika přesvědčit, že reálná je. Jak rychle v kosmologii zdomácněla jako důvěryhodné elegantní vysvětlení vlastností pozorovaného vesmíru, svědčí i to, že v následujícím roce (1982) každému z těchto známých fyziků vyšel samostatný článek:
Starobinsky, Alexei A. (1982): "Dynamics of phase transition in the new inflationary universe scenario and generation of perturbations". Phys. Lett. B117: 175–8.
Guth, A.H. (1982): "Fluctuations in the new inflationary universe". Phys. Rev. Lett. 49 (15):1110–3
Linde, A. (1982): "A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution Of The Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy And Primordial Monopole Problems", Phys. Lett. B 108, 389. Hawking, S.W. (1982): "The development of irregularities in a single bubble inflationary universe". Phys.Lett. B115: 295.

Zvětšit obrázek

... a struktura jeho věčného samoreplikujícího se fraktálového multiversa.

 

Bublinová multiversa

Otec inflační teorie, Alan Guth, nenechal "svůj" vesmír rozpínat se jako celek. Ve fázi inflace vznikly díky kvantovým fluktuacím jádra, z nichž expandovaly jednotlivé bubliny samostatných vesmírů. Ty nemusí být stejné a fyzikální konstanty se v nich mohou lišit. Guth tak v prvotním falešném vakuu, zrozeném ve velkém třesku vytvořil jakousi kosmickou sodovku. My žijeme v jedné z bublinek.

I Andrej Linde rozvinul svou představu multiversa v podobě chaotické inflace („chaos“ vychází z matematicko-fyzikální teorie chaosu, ne z našeho běžného vnímání smyslu tohoto slova). I on předpokládá, že náš vesmír se zrodil kvantovou fluktuací z vakua, ale to bylo součástí již existujícího vesmíru. Vytvořil jakýsi kosmický rodostrom, v němž z jednoho vesmíru vybublávají další „vesmírčata“ (obrázek vlevo). Je to obraz věčného cyklu vzniků a zániků. Tato hypotéza sice nabízí odpověď na otázku co bylo před počátkem našeho všehomíra, protože ho zasazuje do nekonečně se chaoticky dotvářející fraktálové struktury, je ale zatím, jako všechny formy paralelních, či na sebe navazujících cyklických vesmírů, netestovatelná.

To ale Lindemu nebrání představu samoreplikujícího se fraktálového multiversa rozvíjet dál, teď i se svým synem Dmitrijem a dalšími kolegy na Standfordu. Kdo má zájem zavařit si mozkové závity, může se zahloubat do článku The Self-Reproducing Inflationary Universe, který Andrej Linde v roce 1994 uveřejnil v Scientific American nebo do odbornější verze.

 

V bublině prázdnoty nemusí působit temná energie

Z těchto obrazů multivesmírů, které vytvořili známí kosmologové jako variace na téma vzniku vesmíru a jeho rané inflační fáze, se odvíjejí další různě modifikované představy. Nejen v podobě bublin jako samostatných vesmírů, ale i jako podoblastí s jinými fyzikálními parametry uvnitř našeho kosmického domova. Někteří autoři se tímto způsobem snaží kosmologii uchránit před tajemnou temnou energií, jež má v současném modelu vesmíru hlavní podíl na jeho složení a urychluje jeho rozpínání. Například David L. Wiltshire z novozélandské University of Canterbury ve svém článku z roku 2008 Viable Inhomogeneous Model Universe Without Dark Energy from Primordial Inflation vychází z fraktálové struktury Lindeho modelu multiversa a zavádí do své představy oblasti se zvýšenou a sníženou hustotou, které se s rostoucím měřítkem opakují a připomínají tak ruskou matrjošku. Kladná hustotní anomálie uprostřed záporné a ta v centru kladné, jež je možná... Toto rozložení hmoty umožňuje Wiltshirovi vysvětlit výsledky pozorování supernov bez zrychleného rozpínání se časoprostoru.

 

S podobným cílem i podobným způsobem zavádí velkorozměrové hustotní anomálie do svého modelu britský trojlístek astrofyziků, Timothy Clifton, Pedro G. Ferreira a Kate Landová z University v Oxfordu. V článku Living in a Void: Testing the Copernican Principle with Distant Supernovae vysvětlují, že „jestli žijeme na speciálním místě ve vesmíru, v centru oblasti prázdnoty, kde lokální hustota hmoty je nízká, pak pozorování supernov mohou být interpretovány bez nutnosti připočíst temnou energii.“ Podle jejich hypotézy se naše Galaxie nachází v centru necelé tři miliardy světelných let (850 MPc) velké kosmické bubliny a kolem nás je o více než čtvrtinu (o 29 %) menší hustota hmoty, než jinde ve vesmíru. Když astronom uprostřed této relativní prázdnoty bude pozorovat různě vzdálené supernovy typu Ia a výsledky interpretovat podle hustotně homogenního modelu vesmíru, vyjde mu, že prostor expanduje se zrychlením. Bude to ale jen mylná představa způsobená nesprávným modelem. (zdroj).

 

Tato hypotéza nejen zahání tajemného temného strašáka, ale má i filozofický důsledek – vrací Zemi jisté výjimečné postavení a zpochybňuje takzvaný Koperníkův princip, podle kterého je naše místo ve vesmíru zcela tuctové. Nepochybně se z těchto důvodů zdá mnohým přítažlivá. Ale mezi astronomy bychom mnoho jejich zastánců jistě nenašli. A není divu, že mezi hlavní oponenty patří objevitelé zrychlené expanze časoprostoru. V roce 1998 dva americké týmy astrofyziků nezávisle na sobě publikovaly výsledky měření tisíců různě vzdálených supernov typu Ia. Protože se předpokládá, že tyto hvězdy mají při explozi vždy stejnou absolutní (skutečnou) svítivost, můžeme tu zdánlivou (naměřenou) považovat za funkci jejich vzdálenosti a tu pak stanovit. Červený posuv přicházejícího světla prozradí, jak rychle se od nás ta která vzdaluje. Dostatečně velký soubor měření umožňuje posoudit, jak se rychlost rozpínání prostoru měnilo v čase. Tak jsme zjistili, že téměř 3/4 (73 %) součtu veškeré hmoty a energie tvoří temná energie, jež je ještě nepolapitelnější a záhadnější než nic nevyzařující temná hmota. Navíc, jak se časoprostor rozpíná, ve vesmíru jako celku ji přibývá, protože její objemová hustota by měla být podle předpokladu konstantní. Není to velmi stravitelná představa, jenom jsme si na ní za těch 12 let zvykli.

 

Upřesněná Hubblova konstanta jako protiargument  

Jedné ze skupin, které zrychlení kosmické expanze objevily - týmu z Kalifornské university - velel astrofyzik Adam Riess, působící nyní na Univerzitě Johna Hopkinse v Baltimoru. I v současnosti se zabývá měřením rychlosti expanze. Jeho nynější projekt pro tento cíl využívá jediný přístroj - širokoúhlou kameru Wide Field Camera 3 (WFC3), kterou na Hubblův teleskop v roce 2009 nainstalovala posádka raketoplánu Atlantis. Měření z jednoho zdroje umožňují vyloučit některé chyby vznikající při porovnávání výsledků z různých přístrojů. Kamera WFC3 zachytává záření hvězd ve viditelném a blízkém infračerveném světle a Riessův tým díky ní s velkou přesností změřil světelné křivky více než 600 proměnných hvězd Cefeid. Používají se jako standardní svíčky na určení vzdáleností v místní skupině galaxií a to na základě předpokladu, že perioda s níž zjasňují a pohasínají, přímo závisí od jejich skutečného zářivého výkonu. Pro určení větších vzdáleností Riess využil supernovy typu Ia. Výsledkem jeho úsilí je další zpřesnění hodnoty Hubblovy konstanty, podle z níž se náš pozorovatelný vesmír rozpíná rychlostí 73,8 km za sekundu na megaparsek (Mpc), tedy na 3 miliony 262 tisíc světelných let. Odchylka od uvedené střední hodnoty se odhaduje na +/- 3,3 %.

 

To znamená, že objekt, který je od Země vzdálen právě 1 megaparsek (3,262 milionů světelných let), bude o sekundu později o 73,8 km dál. A ten co je 2 megaparseky daleko, bude za sekundu o 2 x 73,8 km = 147,6 km vzdálenější. Někdy se kvůli názorné představě mluví o těstě s rozinkami, jež kyne konstantní rychlostí. Když budete jednou z rozinek, budete vidět ty ostatní, jak je kynutí unáší od vás pryč rychlostí, jež je úměrná jejich vzdálenosti.

 

Temná energie ale způsobuje, že i když je Hubblova konstanta podle předpokladů konstantní pro celý vesmír, neplatí to v čase. Pro vesmír, jehož „kynutí“ se zrychluje, se její hodnota postupně zvyšuje.

 

Jak to ale souvisí s "oxfordskou" teorií řídké kosmické bubliny se Zemí uprostřed, o které Riess tvrdí, že jí svými výsledky vyvrací? Představa velké prázdnoty by prý mohla teoreticky odpovídat skutečnosti za předpokladu, že se hodnota Hubblovy konstanty nachází v intervalu 60 až 65 kilometrů za sekundu na megaparsek. A to je hluboce pod hodnotou určenou Riessovým týmem, i když započítáme přípustnou chybu. Adam Riess to považuje za jednoznačné prasknutí této kosmické bubliny.

Zdá se, že je rozhodnuto. Jenže i před hodnotou změřenou Riessem se již minimálně deset let používá Hubblova konstanta vyšší než 70 km/s na Mpc. Proto laikovi nemusí být zcela jasné, proč by měli před dvěma lety britští astronomové uvažovat o tak výrazně nižší hodnotě. A tak lze očekávat, že se své bubliny ani pod tíhou Riessových argumentů nevzdají.

 

Video kredit: Cassiopeia Project

Zdroje: NASA HubbleSite, Wikipedia, přednášky Alexe Filippenka a zdroje uvedené v hypertextových odkazech