Ponad dziesięć lat temu, mierząc temperaturę wszechświata, astronomowie odkryli coś dziwnego. Odkryli, że skrawek nieba o szerokości 20 księżyców był niezwykle zimny.
Astronomowie mierzyli promieniowanie mikrofalowe, które otacza cały wszechświat, świecący relikt wielkiego wybuchu. Wpatrywanie się w kosmiczne mikrofalowe tło, czyli CMB, jest spojrzeniem na pierwotny wszechświat, czas, gdy miał on mniej niż 400 000 lat.
To, co obecnie wyłania się jako główna hipoteza, to kosmiczna superwszechświatowa superpustka.
CMB pokrywa niebo i wygląda wszędzie tak samo, tląc się w słabo zimnej temperaturze 2,725 kelwinów – zaledwie kilka stopni cieplejszej od zera absolutnego. Jednak uzbrojeni w nowo wystrzelonego satelitę WMAP, astronomowie postanowili zbadać zmiany temperatury tak małe, jak jedna część na 100 000. Zrodzone z kwantowej piany, jaką był wszechświat pół chwili po wielkim wybuchu, te przypadkowe fluktuacje pomagają naukowcom zrozumieć, z czego zbudowany jest kosmos i jak to wszystko powstało.
Wśród tych fluktuacji wyróżniał się zimny punkt. Przez lata astronomowie wymyślali przeróżne pomysły na jej wyjaśnienie, od błędów w instrumentach po równoległe wszechświaty. Teraz jednak skupiają się na głównym podejrzanym: ogromnej pieczarze pustki zwanej kosmiczną nadpustką, tak dużej, że może być największą strukturą we wszechświecie.
Zgodnie z teorią, taka ogromna pustka, w której nie ma ani jednej gwiazdy czy galaktyki, może pozostawić zimny ślad na CMB. Odpowiedzią na zagadkę może być więc po prostu całe mnóstwo niczego. Jednak zagadki pozostają, a sprawa jest daleka od zamknięcia.
Jak zrobić zimną plamę
Zimna plama nie jest jedyną dziwną rzeczą w CMB. Naukowcy znaleźli kilka innych takich anomalii – na przykład sygnały z połowy nieba wydają się nieco silniejsze niż z drugiej połowy. Standardowa teoria kosmologii, która w innych przypadkach okazała się prorocza w przewidywaniu szczegółów CMB, nie może w pełni wyjaśnić tych dziwactw, z których zimna plama jest jedną z najbardziej widocznych.
Naprawdę duża może działać jak rodzaj zniekształcającej soczewki
Najprostszym wyjaśnieniem anomalii jest to, że są one fluksami, artefaktami przypadku wśród losowych fluktuacji temperatury CMB. Kiedy rzucasz monetą sto razy, zawsze jest szansa, że trafisz 20, 30, a nawet 50 reszek z rzędu. Wyzwaniem dla naukowców jest ustalenie, czy te anomalie wynikają ze szczęścia, czy z ważenia monety. Jeśli chodzi o zimną plamę, dane pokazują, że prawdopodobieństwo, że to tylko przypadek, wynosi jeden na 200. Nie niemożliwe, ale też nie prawdopodobne.
Niektórzy naukowcy sugerowali, że zimna plama wynikała z błędu instrumentalnego lub w sposobie analizy danych. Ale w 2013 roku, nowe obserwacje z satelity Planck potwierdziły wcześniejsze wykrycia zimnej plamy. I zażądało to wyjaśnienia.
To, co teraz wyłania się jako główna hipoteza, to kosmiczny superwulkan. Wszystkie rzeczy w kosmosie – galaktyki i niewidzialna ciemna materia – rozciągają się w przestrzeni w ogromnej sieci arkuszy, nitek i włókien. Pomiędzy nimi znajdują się kieszenie pustki zwane próżniami, które mają wiele kształtów i rozmiarów. Naprawdę duża z nich mogłaby działać jak rodzaj zniekształcającej soczewki, sprawiając, że CMB wydaje się chłodniejsza niż jest w rzeczywistości.
Podczas gdy foton goni wzdłuż wewnątrz pustki, wszechświat kontynuuje rozszerzanie się coraz szybciej i szybciej
Powód jest taki: Kiedy światło podróżuje przez pustkę, traci energię i jego częstotliwość spada, przesuwając się w kierunku niższej częstotliwości, bardziej czerwony koniec widma. Jak większość rzeczy, światło jest podatne na wpływ grawitacji, która może oddziaływać na fotony podczas ich podróży. Wewnątrz pustki, jednakże, brak materii oznacza, że nie ma prawie żadnej grawitacji, która mogłaby wpływać na światło. Dla fotonu przelot przez pustkę jest jak wspinaczka na wzgórze. I wspinaczka wymaga energii.
Ale foton może dostać tę energię z powrotem. Po wyjściu z pustki, znajduje się otoczony materią ponownie, a wpływ grawitacyjny jest wystarczająco dużo, aby pociągnąć na niego, wstrzykując go z energii, którą stracił.
Dla fotonu stracić energię, trzeba przyspieszonej ekspansji wszechświata. Podczas gdy foton chugs wzdłuż wewnątrz pustki, wszechświat nadal rozszerzać się szybciej i szybciej. Gdy foton opuszcza pustkę, okazuje się, że – dzięki temu kosmicznemu rozciąganiu – cała materia się rozproszyła. Ponieważ materia jest teraz szerzej rozłożona, jej wpływ grawitacyjny nie jest tak silny. Nie może przyciągnąć fotonu z taką samą siłą jak wcześniej, a foton nie może odzyskać energii, którą kiedyś miał.
Może być pustka mniej niż 3 miliardy lat świetlnych
Fizycy opracowali to zjawisko z powrotem w późnych latach 60-tych, ale nikt tak naprawdę go nie zaobserwował. Jednak po odkryciu zimnej plamy astronomowie, tacy jak Istvan Szapudi z Uniwersytetu Hawajskiego, zaczęli szukać dowodów na takie zachowanie, zwane zintegrowanym efektem Sachsa-Wolfe’a lub ISW. W 2008 roku znalazł je.
Zdumiewająca superwulkan
Szapudi nie mógł zidentyfikować pojedynczych pustek pozostawiających ślady na CMB – nie miał do tego odpowiednich danych. Zamiast tego on i jego zespół szukali ogólnego efektu ISW w analizie statystycznej 100 pustek i gromad galaktyk, których grawitacyjny ciężar powoduje efekt ocieplenia i pozostawia gorące miejsca w CMB. Badacze znaleźli prawdziwy efekt ISW, zmieniający temperaturę CMB średnio o około 10 milionowych części kelwina, czyli 10 mikrokelwinów.
W porównaniu z zimną plamą, która jest około 70 mikrokelwinów chłodniejsza niż średnia CMB, efekt jest niewielki. Chodziło jednak o to, aby pokazać, że puste przestrzenie mogą tworzyć zimne plamy. Gdyby pustka była wystarczająco duża, mogłaby stworzyć zimną plamę. „Jeśli ta zimna plama jest największą anomalią w CMB, może to być oznaką ogromnej pustki – bardzo rzadkiej pustki we wszechświecie” – mówi Szapudi. „Pomyślałem więc, że powinniśmy teraz jej poszukać.”
Pustka jest ogromna. Jej promień wynosi 220 megaparseków
Jego pierwsza próba, w 2010 roku, okazała się pusta. Ale dane były ograniczone, obejmując tylko kilka punktów w obrębie plamy. Intrygująco, wyniki pokazały również, że może być pustka mniej niż 3 miliardy lat świetlnych od nas.
W zeszłym roku, on i jego zespół próbował ponownie, tym razem z mnóstwem danych, obejmujących ponad 200 razy więcej nieba i obejmujących całą zimną plamę. Przy tak dużym pokryciu – składającym się z tysięcy galaktyk – wcześniejsze wskazówki przekształciły się w prawdziwą pustkę. Dane były jednoznaczne. „Jesteśmy absolutnie pewni, że jest tam pustka” – mówi Szapudi. „Postawiłbym na to mój dom.”
A pustka jest ogromna. Ma 220 megaparseków w promieniu, ponad 700 milionów lat świetlnych, co czyni ją jedną z największych – jeśli nie największą – struktur fizycznych we wszechświecie.
Tak duża pustka jest rzadkością, być może istnieje tylko garstka, mówi Szapudi. To, że tak rzadka pustka nakłada się na zimną plamę – sama w sobie będąca kolejną rzadkością – wydaje się zbyt mało prawdopodobne, by był to zwykły zbieg okoliczności. Bardziej prawdopodobne jest to, że to właśnie pustka powoduje powstawanie zimnej plamy. W rzeczywistości, obliczył on, że ten scenariusz jest 20 000 razy bardziej prawdopodobny niż gdyby te dwa obiekty po prostu ustawiły się w jednej linii.
Inni nie są jeszcze pewni. Dla astronomów takich jak Patricio Vielva z Uniwersytetu w Kantabrii w Hiszpanii, który kierował odkryciem zimnej plamy w 2004 roku, rzadkość występowania pustki jest wciąż wątpliwa. Jeśli okaże się, że takie pustki są bardziej powszechne, wtedy to ułożenie nie byłoby tak niezwykłe. Być może jest to po prostu zbieg okoliczności. Dlatego naukowcy potrzebują więcej danych, aby ocenić jak rzadkie są te superpustki. „W tej chwili myślę, że jest to jedna z najważniejszych rzeczy do ustalenia,” mówi Vielva.
Nie jest wystarczająco zimno
Jest jednak większy problem.
Nadzorcza bryła nie może wystarczająco oziębić CMB. Superwulkan tej wielkości może ochłodzić CMB tylko o 20 mikrokelwinów. Zimny punkt jest jednak zimniejszy średnio o 70 mikrokelwinów. W niektórych punktach spadek temperatury wynosi 140 mikrokelwinów.
Jedną z możliwych przyczyn tej rozbieżności jest to, że pustka jest w rzeczywistości większa niż zmierzono. Jeśli tak, to jej efekt ISW byłby silniejszy. Biorąc pod uwagę niepewność pomiarów Szapudiego, promień pustki może rozciągać się aż do 270 megaparseków. Jednak, jak mówi Vielva, nawet to nie jest wystarczająco duże, aby wyjaśnić zimną plamę.
W rzeczywistości, zgodnie z obecnymi teoriami kosmologii, wszechświat może nawet nie być w stanie uformować wystarczająco dużej pustki. „Problem polega na tym, że taka pustka, jaka jest potrzebna do uzyskania tego efektu, nie istnieje” – mówi Vielva.
Więcej obserwacji pozwoli astronomom uzyskać dokładniejsze pomiary rozmiarów i właściwości superwszechświata.
Ale jeśli nie pustka, to co? Być może, twierdzi Vielva, zimna plama jest spowodowana strukturą kosmologiczną, defektem we wszechświecie analogicznym do pęknięć lub plam znalezionych w lodzie. Gdy wczesny wszechświat ewoluował, przeszedł przejście fazowe podobne do tego, co dzieje się, gdy woda zamarza, zmieniając się z cieczy w ciało stałe. W lodzie pojawiają się defekty, gdy cząsteczki wody nie układają się w jednej linii. We Wszechświecie mogą pojawić się tekstury. W 2007, Vielva pomógł pokazać, że jeśli tekstura istnieje, to może stworzyć zimną plamę poprzez efekt ISW.
Tekstury, chociaż, są spekulacyjne, i nikt nie widział żadnych dowodów, że istnieją. „Tekstury to fajny pomysł, ale nie mamy pojęcia czy te rzeczy są realistyczne czy nie,” mówi Rien van de Weijgaert, astronom na Uniwersytecie w Groningen w Holandii.
Dla większości astronomów, van de Weijgaert mówi, że superwulkan wciąż wydaje się najlepszym wyjaśnieniem. „Już teraz uważa się, że jest to jedna z najbardziej wiarygodnych opcji” – mówi. „To jest wielkość efektu, że można mieć pewne pytania o, ale to nie jest niewiarygodne.”
Być pewnym, hipoteza pustki jest z pewnością intrygujące, Vielva mówi. Ale rozbieżność temperatur musi być najpierw rozwiązana.
Po prostu nie znamy końca tej historii. Myślę, że nikt nie wie
Więcej danych by pomogło. Na przykład, więcej obserwacji pozwoli astronomom uzyskać dokładniejsze pomiary rozmiarów i właściwości superwulkanu. Mogą one również ujawnić, czy na pierwszym planie znajduje się mniejsza pustka, która mogłaby pomóc w schłodzeniu CMB. Być może zimna plama jest tak zimna, ponieważ superwulkan również znajduje się przed regionem CMB, który jest już nieco chłodniejszy niż normalnie.
Nawet jeśli liczby nie sumują się teraz, nie jest to powód do zmartwień. „W tym momencie, ponieważ niepewności są tak duże, nie powinniśmy tracić wiele snu z tego powodu,” mówi Carlos Frenk, astrofizyk z Uniwersytetu Durham w Wielkiej Brytanii. Jego przeczucie jest takie, że wraz z większą ilością danych i analiz, superwulkan wyłoni się jako poprawna odpowiedź. „Jeśli tak, to zimna plama będzie reprezentować pierwszy pomiar obiektu – superwulkanu – pozostawiającego ślad w CMB poprzez efekt ISW. Jest to znaczące częściowo dlatego, że superwulkan jest po prostu tak ogromny. Superwulkan może być ważny także w inny sposób: „Mamy jeszcze jeden sposób na badanie ciemnej energii, która jest najdziwniejszą rzeczą we wszechświecie” – mówi Szapudi.
Efekt ISW działa tylko dlatego, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej, a tajemniczą siłą rozpychającą kosmos jest ciemna energia. Mierząc efekt ISW z superwszechświata, naukowcy mogą badać wpływ ciemnej energii – i lepiej zrozumieć, jak się zachowuje i czym jest.