Promieniowanie tła

Józef Gelbard

Promieniowanie tła

    Wyniki obserwacji astronomicznych, zbieżne z zasadą kosmologiczną, skłaniają nas do przyjęcia tezy (by nie powiedzieć: przekonują), że Wszechświat rozszerza się. Jeśli „teoria” ta jest słuszna, powinna także antycypować efekty obserwacyjne dotąd nie znane, wskazując kierunek przyszłych badań i poszukiwań. Jak wiadomo, materia Wszechświata to nie tylko gwiazdy i planety. To także promieniowanie elektromagnetyczne. Istniało ono z całą pewnością już w bardzo wczesnych fazach ewolucji, już w pierwszych sekundach po „starcie”. W tym czasie jednak było ono w równowadze z materią cząstek. Procesy kreacji cząstek i ich anihilacji przebiegały ze zbliżonym natężeniem. Materia stanowiła kipiącą zupę o bardzo wysokiej temperaturze, z której wyizolowanie promieniowania i oddzielenie go od cząstek masywnych nie było możliwe. Dopiero po około pół miliona lat nieprzerwanej ekspansji (ściślej: 300 – 700 tys. lat) temperatura i gęstość spadły na tyle, by promieniowanie oddzieliło się ostatecznie od materii substancjalnej. To oddzielenie się nazwano rozprzężeniem. Temperatura wynosiła wówczas około 3000K, a Wszechświat stał się przeźroczysty. Poniżej tej temperatury promieniowanie generalnie nie jest bowiem w stanie usunąć elektronów z ich orbit wokół jąder atomowych*. Promieniowanie to powinno istnieć do dziś będąc skamieniałością, reliktem czasów poprzedzających prawie o dwa miliardy lat powstanie galaktyk. Promieniowanie to nie opuściło przecież Wszechświata będąc jego integralną częścią. Dodajmy, tak „na chłopski rozum”, że nie było to możliwe w związku z tym, że prędkość ekspansji (hubblowskiej) równa jest c. Mamy więc przy okazji, jeszcze jeden argument wspierający to twierdzenie.

   Zatem promieniowanie to istnieje cały czas i wypełnia całą przestrzeń (ograniczoną przez horyzont Hubblowski). Powinno więc ono dochodzić do nas zewsząd i manifestować się tym samym natężeniem, zgodnie z zasadą kosmologiczną. By je odnaleźć, powinniśmy przewidzieć długość jego fali, która przecież musiała się zmienić przez te wszystkie lata ciągłego rozszerzania się Wszechświata. „Te same fotony by wypełnić zwiększającą się przestrzeń, powinny ulegać ciągłej zmianie. Powinna wzrastać długość ich fali (długość – jeden wymiar) w stosunku, w którym zwiększa się promień Wszechświata, w którym powiększają się wszystkie wymiary”, tak, jak ruch każdego z nich w jednym z trzech kierunków trójwymiarowej przestrzeni (a nie, jakby się rozszerzał – w trzech wymiarach równoczesnie). Tak na marginesie zauważmy, że podejście to jakby przeczy dzisiejszemu modelowaniu ekspansji Wszechświata w sensie malenia krzywizny przestrzeni, ekspansji nie dotyczącej wcale zawartości Wszechświata (galaktyk, ciał, cząstek). A jednak fotony wydłużają się, pomimo, że nawet galaktyki nie ulegają zmianie, unoszone jak punkciki na powierzchni balonu... W każdym razie tak się to dzisiaj opisuje poglądowo dla spełnienia poznawczych potrzeb amatorów. Mimo wszystko, czy to nie zastanawia (fotony tak, a galaktyki nie)? Ale to przecież duże uproszczenie. A jak jest w istocie?

    "Powinna wzrastać długość ich fali..." Tak na chłopski rozum, choć w latach czterdziestych ub. wieku nie było to wcale tak oczywiste. Właśnie wtedy G. Gamow wraz ze swymi uczniami na bazie przypuszczenia, że na początku temperatura musiała być bardzo wysoka, przewidywał istnienie promieniowania tła stanowiącego relikt najdawniejszych czasów – tuż po Big-Bangu (tak nazwał ten uczony Wielki Wybuch). "Powinno to być promieniowanie cieplne, którego rozkład zgodny ma być z prawem Wiena."

   Sądząc po przedstawionym wyżej uproszczonym modelu, stwierdzić można, że długość fali domniemanego promieniowania reliktowego wzrasta proporcjonalnie do rozmiarów Wszechświata, to znaczy do jego promienia. Zapisujemy to następująco:

Problemem byłoby to, że początkowej (gdy w czasie samego Wybuchu pojawiło się promieniowanie elektromagnetyczne), tej najmniejszej w historii Wszechświata długości fali, nie możemy znać. Oczywiście nie jest możliwe jej obserwacyjne wyznaczenie. Całe szczęście możliwe jest obliczenie po jakim czasie od Wielkiego Wybuchu dojść musiało do separacji promieniowania i materii substancjalnej. Moment ten służyć może za punkt odniesienia. Jak wyżej wspomniałem, promieniowanie odseparowało się od materii substancjalnej, gdy odpowiadało temperturze 3000K. Nastąpiło to po upływie około trzystu tysięcy lat od momentu „wybychu”. Promień Wszechświata równy był tyleż samo lat świetlnych. Nie bierzemy oczywiście pod uwagę wstępnego, bardzo wczesnego, okresu, w którym, zgodnie z przyjętym powszechnie dość uzasadnionym poglądem (który i ja podzielam), miał miejsce wzrost nieliniowy. Trwał on jednak bardzo krótko, wprost drobny ułamek sekundy (zgodnie z naszą subiektywną miarą czasu).

   Oszacujmy najpierw długość fali promieniowania termicznego odpowiadającego wspomnianej temperaturze trzech tysięcy kelwinów. Oprzemy się na prawie Wiena:

Tutaj: C – stała C = 2,898 ·10^-3 m·K, T – temperatura w skali bezwzględnej, którą dla uproszczenia nazwiemy temperaturą promieniowania. W naszym przypadku temperatura ta wynosi 3000K. Otrzymujemy więc: λ1 = 0,966·10^-6 m.     

   Przyjmijmy teraz, że dziś promień Wszechświata, R2, równy jest 15 miliardów lat świetlnych (zgodnie z przyjętą przez nas  „roboczo” wartością stałej Hubble'a), a w momencie rozprzężenia wynosił 3·10^5 ly. Bazując na równości (*) otrzymujemy: λ2 = 4,83·10^-2 m. Jest to długość fali promieniowania mikrofalowego. Wynik ten daje tylko oszacowanie rzędu wielkości. Trudno o większe wymagania. Wszak bazowaliśmy w gruncie rzeczy na programie fizyki licealnej. Czy takie promieniowanie w ogóle istnieje?…

   Oszacowanie to, jak wspomniałem powyżej, jest dużym uproszczeniem również z tego powodu, że fotony stanowią ogromną przewagę ilościową w stosunku do cząstek masywnych. Na każdy barion przypada bowiem około miliarda fotonów. Zatem nawet jeśli temperatura odpowiadająca maksimum widma jest stosunkowo niska (na przykład 3.000K), bardzo dużo jest fotonów o bardzo wielkiej energii. Nie było więc tak, że jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki Wszechświat nagle stał się przeźroczysty. Oto jedna z przyczyn tego, że obliczenia powyższe są grubym oszacowaniwem, tylko dla potrzeb ogólnej orientacji. Poza tym, choćby z tego samego powodu, sam proces rozprzężenia rozciągnięty musiał być w czasie, nie mógł być aktem przbiegającym w mgnieniu oka. Dodać do tego należy, że sam Wszechświat, już wtedy, jednorodny był tylko w skali globalnej, a niejednorodności lokalne z całą pewnością istniały już. Czym spowodowane? – o tym później. Można też zajrzeć do mojego blogu sąsiedniego.

       Można przypuszczać, że podobnie rozumował George Gamow w latach czterdziestych. Uczniowie jego: Alpher i Herman uznali, że powinno to być promieniowanie mikrofalowe. Pracujący w różnych ośrodkach Peebls i Zeldowicz oszacowali (w początkach lat sześćdziesiątych) temperaturę hipotetycznego promieniowania reliktowego na 5 – 10 K. Jest to temperatura odpowiadająca rzeczywiście promieniowaniu mikrofalowemu. Nie wiedzieli, że dokładnie w tym samym czasie dokonuje się największe odkrycie dwudziestego wieku (tak sądzi wielu).  

     Promieniowanie reliktowe odkryte zostało w najbardziej odpowiednim momencie (choć nie w najbardziej odpowiednim miejscu), już wiosną 1964 roku. Uczeni tak bardzo zaangażowani w jego przewidywanie nawet o tym nie wiedzieli. Odkrycia dokonali dwaj radioastronomowie Arno Penzias i Robert Wilson. W swej codziennej pracy zawodowej wcale nie poszukiwali promieniowania reliktowego. Przypadkiem antena ich odebrała dziwny szum mikrofalowy o długości 7,35 cm, wyraźnie silniejszy od szumu aparaturowego. Nie pomogła zmiana orientacji anteny (i jej oczyszczenie). Promieniowanie było izotropowe. To było to. Odkrycie promieniowania reliktowego przesądziło o słuszności koncepcji Wielkiego Wybuchu. Za swe odkrycie, wymienieni astronomowie otrzymali nagrodę Nobla (1978). Odkrycie to zapoczątkowało bardzo intensywne badania. Kosmologia stała się nawet modną dziedziną fizyki, szczególnie w ostatnim dziesięcioleciu. [Mnie te rzeczy bawiły już w dzieciństwie, ale dopiero na stare lata zdobyłem się na to, by upublicznić swe popełnienia. A w trakcie tego upubliczniania, to naturalne, opadła mnie lawina nowych pomysłów.]

     Okazało się, że promieniowanie tła (to reliktowe) wykazuje cechy promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,73K. Jak widać, w naszym grubym oszacowaniu nie pomyliliśmy się wiele . To by mogło potwierdzać słuszność samego podejścia.

     Co zaskakujące, promieniowanie to jest izotropowe pomimo, że z wyglądu Wszechświat wcale nie jest jednorodny. Niedawno odkryto bowiem rozległe obszary, w których koncentracja galaktyk przekracza znacznie średnią. Jeden z nich nazwano Wielką Scianą. Odkryto także obszary ciemne, a w nich tylko słabo świecące galaktyki – Wielki Atraktor. Wielkoskalowe obiekty tego typu wywierają wpływ nie do pominięcia na zachowanie się galaktyk. Stwierdzono na przykład, że Galaktyka (nasza) porusza się z nadspodziewanie dużą prękością 600 km/s w kierunku Wielkiego Atraktora. Okazało się więc, że obszary wyjątkowo zagęszczone rozdzielone są przez nie mniej rozległe, rzędu setek milionów lat świetlnych, przestrzenie zdawałoby się puste. Badania z pomocą teleskopu Hubble'a (w pierwszych latach tego wieku) ukazują Wszechświat jako coś w rodzaju piany mydlanej, przy czym kondensacje galaktyk na obrzeżach "bąbli", co ciekawe, pokrywają się z kondensacją materii ciemnej, o której obecności świadczyłby efekt soczewkowania grawitacyjnego. Wskazuje to na konkretny kierunek badań nad genezą galaktyk. Poświęciłem temu odrębny cykl artykułów. Zamierzam go opublikować także w tym blogu.  Porównanie to (piana) dość często powraca w książkach poświęconych kosmologii. Jak to wszystko pogodzić z jednorodnością i izotropowością promieniowania reliktowego? Oto jest pytanie.

   Należało więc zbadać jeszcze dokładniej to promieniowanie. Zadanie to powierzono satelicie COBE (Cosmic Background Explorer), wysłanemu na orbitę okołoziemską w listopadzie 1989 roku. Badania te przeprowadzono powtórnie (jeszcze bardziej precyzyjne) dzięki sondzie WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), wyniesionej na orbitę okołosłoneczną przez rakietę delta 2 w czerwcu 2001 roku. Okazało się, że jednorodność promieniowania reliktowego nie jest absolutna. Oznacza to, że już wtedy, gdy uwolniło się ono od materii substancjalnej (jakieś pół miliona lat po wybuchu), miało temperaturę nie w stu procentach jednakową we wszystkich miejscach. Chyba nie jest to aż tak dziwne zważywszy na to, że proces separacji promieniowania od materii substancjalnej był rozciągnięty w czasie (300 tys. do 700 tys. lat). „Dlaczego był rozciągnięty?” Można zapytać. Można przypuszczać, że ta (wykryta przez satelitę) drobna, zdawałoby się nieistotna, anizotropowość promieniowania, tłumaczy zadziwiający fakt niejednorodności występowania obiektów galaktycznych. (Czy rzeczywiście? Może chodzi tu tylko o zbieżność faktów posiadających wspólne źródło...) Do kwestii tej ustosunkowałem się też w innym miejscu. Warto zajrzeć do artykułów (drugi blog), traktujących ogólnie o grawitacji, a w szczegółach omawiających m. in. pierwsze chwile Wielkiego Wybuchu.

   Należy do tego dodać, że w skali globalnej, mimo wszystko uważa się, że Wszechświat jest jednorodny w pełni i potwierdza zasadę kosmologiczną. [Jeszcze bardziej (niż przypuszczalna jednorodność) potwierdza tę zasadę istnienie takich samych niejednorodności ("pianki") w oczach każdego obserwatora, niezależnie od jego położenia] Wyniki uzyskane za pomocą wymienionych wyżej sond ostatecznie przesądziły o słuszności twierdzenia, że ekspansję poprzedził stan, w którym cała materia Wszechświata, w tym samym momencie, skupiona była w bardzo małym obszarze i tworzyła układ samouzgodniony (tego ostatniego stwierdzenia nie uzgadniałem z nikim). Co prawda, wielu uczonych przekonanych jest, że była to osobliwość, ale nie jest to wcale wiążące. Istotne jest to, że ekspansja była równoczesna dla wszystkich elementów przestrzennie wchodzących w skład ekspandującego obiektu. W tej chwili w zasadzie nikt w to już nie wątpi. Swoją drogą, ta równoczesność, jak wyżej wspomniałem, mogłaby oznaczać absolutne samouzgodnienie własności i procesów przebiegających w najwcześniejszej fazie Wybuchu. Tematowi temu poświęcę sporo miejsca w dalej, a w innym kontekście poświęciłem w artykułach zamieszczonych w drugim blogu. 

     W poprzednich artykułach przyjąłem za obowiązującą, tezę, że obserwowalny Wszechświat jest Wszystkim, co istnieje, jest wszystkością. Nie ma nic poza nią. Nie ma niczego poza horyzontem, nie ma wszechświatów równoległych nie ma Wsz. skośnych i przecinających się. Jego konkretną, skończoną wielkość wyznacza współczynnik H i stała c. Świadczy o tym bezpośrednio promieniowanie reliktowe. "Czyżby?"

     Oszacowanie temperatury tego promieniowania już przez Gamowa i potwierdzenie tego przewidywania, świadczy o tym wymownie. Przecież bazował na właściwościach promieniowania ciała doskonale czarnego zamkniętego w obszarze o ograniczonej objętości (we wnęce). Zmiana temperatury jest wówczas w przybliżeniu proporcjonalna do zmiennych rozmiarów liniowych tej "wnęki" (odwrotna proporcjonalność). Znając temperaturę w epoce rozprzężenia (rzędu 3000K), oraz rozmiary Wszechświata wówczas, powiedzmy pół miliona lat świetlnych i znając przybliżone dzisiejsze rozmiary Wsz. (na bazie prawa H i prędkości c) mogliśmy, również my, przewidzieć (z nienajgorszym wynikiem) dzisiejszą temperaturę promieniowania reliktowego. A teraz Uwaga! Gdyby istniało coś ekstra (nieobserwowalne), a przy tym należące do naszego Wszechświata (wielkość wnęki przekraczałaby rozmiary hubblowskie), to wyliczona z góry temperatura nie byłaby zgodna z temperaturą promieniowania reliktowego. Byłaby dużo niższa. O ile? Dobre pytanie. To chyba daje do myślenia. Przecież dziś uważa się, że Wszechświat sięga znacznie dalej, niż promień hubblowski. Nawet określono średnicę Wszechświata na równą ok. 92 miliardów lat świetlnych. To wyraźna niekonsekwencja. Domniemaną przyczyną jest "inflacja", która spowodowała to, że Wszechświat jest znacznie większy, niż jest... W drugim blogu opisałem Urelę i przemianę fazową, a także stwierdziłem, że budulcem przestrzeni jest ruch (nawet bezwładny) materii uformowanej w wyniku tej przemiany. Warto tam zajrzeć. Bazowanie na inflacji i "ucieczce poza widomy Wszechświat" jego części, w dodatku bazowanie na paradygmacie łącznościowym – oczekiwanie obiektów dziś na razie nie widocznych (spoza horyzontu), wywołuje we mnie spory niedosyt (by nie nazywać tego inaczej). Te nadświetlne dalej sobie uciekają nie dając nam szans dogonienia. Dokąd? W nieskończoność? Ku innym wszechświatom? Przestrzeń jest nieskończona (i płaska) – jak wszechświat statyczny? A co z bąblem riemanowskim, majacym modelować nasz zaścianek? 

Wniosek: Wszechświat obserwowalny jest Wszystkością. Granica horyzontu hubblowskiego zamyka wszystko. A co jest dalej? Nie ma sensu o tym mówić. Wszechświat widocznie jest obiektem o określonych, nie zgłębionych dotąd cechach topologicznych, których poglądowym (liniowym, a nie przestrzennym) modelem może być wstęga Möbiusa. Ta szczególna topologia narzuca też określoną, cykliczną zmienność Wszechswiata.

     Jeśli Wszechświat obserwowalny jest wszystkością, a w dodatku jego wielkość jest ograniczona, jak najbardziej naturalną kwestią jest jego masa, a rozpatrywanie jedynie parametru gęstości stwarza niedosyt poznawczy, którego zaspokojenie jest rzeczą jak najbardziej uzasadnioną. Jednoznaczne określenie jego przestrzennych rozmiarów daje możliwość szacowania masy Wszechświata. Zaowocuje to zresztą ciekawymi ustaleniami. Także z tego powodu na prawdę warto zajrzeć do artykułów traktujących o grawitacji dualnej, w drugim blogu, szczególnie artykuł pierwszy.

*) Istniały wówczas tylko trzy pierwiastki: wodór, hel i lit. Warunki dla syntezy pozostałych pierwiastków stworzyły się dopiero z chwilą pojawienia się gwiazd.