Bezdroża w naszym poznawaniu Wszechświata
Wydawałoby się, że od drugiej połowy XX wieku mamy wielki postęp w poznawaniu Wszechświata. Poznajemy gwiazdy i ich systemy planetarne, galaktyki i ich gromady, a nawet niemal początki Wszechświata. Niemal, bo jak naprawdę przebiegał jego początek nie dowiemy się chyba nigdy. W naszej wiedzy o Wszechświecie istnieją jednak ogromne dziury.
Użyłem określenia „dziury”, bo pasuje „jak ulał” do teorii czarnych dziur, którym głównie poświęcony jest ten wpis. W oparciu o model matematyczny opisujący ogólną teorię względności Alberta Einsteina ich istnienie zaproponował Karl Schwarzschild w roku 1916. Przez kilkadziesiąt lat były one enigmatyczna zmorą spędzającą sen z oczu fizyków teoretycznych i kosmologów. Teoretycznie niby wszystko się zgadzało, ale zobaczyć ich nikomu się nie udawało, a A. Einstain w istnienie czarnych dziur wręcz nie wierzył. Pierwsze zdjęcie dowodzące, ale tylko pośrednio, istnienia czarnych dziur opublikowano dopiero w roku 2019. Na zdjęciu widać było czarną plamę – „cień czarnej dziury” wewnątrz rozbłyszczonego dysku kosmicznej materii wysyłającego fale elektromagnetyczne, które można było zarejestrować.
Ponieważ sama czarna dziura energii nie emituje, ani nie odbija (a każdą formę materii w swoim sąsiedztwie wręcz łapczywie pożera), jej rzeczywistego obrazu nie można było pokazać. Na zdjęciu pozostawała zatem niewidoczna, ale nareszcie teoria czarnych dziur otrzymała pośredni dowód ich istnienia. W obszarze współczesnej kosmologii, czarne dziury, chociaż są rzeczywiście czarne, przestały być dziurami w naszej wiedzy; są najbardziej masywnymi tworami zwykłej materii we Wszechświecie. Ale nośna nazwa pozostała.
Czarna dziura ściągając grawitacyjnie materię (zimny gaz i pył) ze swojego otoczenia, wprowadza ją w stan szybkiego wirowania wokół siebie w dysku akrecyjnym. Część tej materii czarna dziura łapczywie pożera, ale jej pozostała część, wirując i zagęszczając się, rozgrzewa się do tego stopnia, że wysyła w przestrzeń kosmiczną silne promieniowanie.
Czasem czarne dziury „dławią się” pochłanianą materią i „wypluwają” ze swojego dysku akrecyjnego wiatr materii w postaci okresowych dżetów. Zatem czarna dziura oddziałuje na życie galaktyki zarówno swoim ściągającym polem grawitacyjnym, jak i strumieniami wyrzucanej energii. W przypadku masywnej czarnej dziury Sagitarius A* (o masie odpowiadającej 4 mln mas Słońca) w centrum Drogi Mlecznej, mamy wielkie szczęście. Ziemia i cały układ słoneczny znajduje się bowiem na peryferiach naszej galaktyki w odległości 26-27 tys. lat świetlnych od Sagitariusa A*.
Około 6 mln lat temu doszło jednak do wybuchu promieniowania (określanego jako czkawka czarnej dziury) z dysku akrecyjnego Sagitariusa A*. Mogło dojść do powstania kwazara – „zapalenia się” całej galaktyki jaśniej niż mogą świecić najjaśniejsze gwiazdy. Na szczęście dla Ziemi ognisty kwazar jednak się nie wytworzył. Gdyby do tego doszło, mógłby zostać zniszczony cały układ słoneczny. Czarna dziura Drogi Mlecznej jest już poważnie wygłodzona, ponieważ w jej otoczeniu jest coraz mniej materii; nasza galaktyka stała się nieco uśpiona (na jak długo?) i przestaje rodzić nowe gwiazdy.
Kolejnych dowodów na istnienie czarnych dziur dostarcza zjawisko soczewkowania fal elektromagnetycznych (w tym światła) przez ich wielką masę. Fale świetlne wysyłane przez różne gwiazdy, przechodząc obok bardzo masywnych obiektów ulegają ugięciu zgodnie z ogólną teorią względności A. Einsteina. Dowody uzyskano przy użyciu teleskopów obserwując ugięcie fal elektromagnetycznych w zakresie podczerwieni.
W wyniku soczewkowania następuje okresowe, krótsze lub dłuższe pojaśnienie i zniekształcenie wiązki światła przechodzącej z bardzo odległych źródeł. Soczewkowanie może być wywołane przez czarne dziury, całe galaktyki i gromady galaktyk. Polscy astrofizycy posunęli się dalej i opracowali technikę detekcji mikrosoczewkowania wywołanego przez mniejsze obiekty, rzędu zaledwie kilku mas naszego Słońca. Pozwoliło ono na wnioskowanie o istnieniu mniejszych, tzw. swobodnych czarnych dziur, które mogą istnieć niezależnie od centralnych czarnych dziur rządzących galaktykami.
Nie jest wykluczone, że w naszej galaktyce mogą istnieć miliony małych swobodnych czarnych dziur, które w niej krążą dość swobodnie. Ich wykrywanie jest bardzo trudne, ponieważ są jeszcze „mniej widzialne” niż niewidzialne bardzo masywne dziury w centrach galaktyk. Mają zbyt małą masę żeby ściągać do siebie materię ze zbyt odległych gwiazd, i wytwarzać z niej wirujący dysk akrecyjny. Same nie przybierają na masie, ale i nie wysyłają światła ze swojego otoczenia. Pierwsze wyniki żmudnych prac, które zdają się potwierdzać istnienie rozproszonych w galaktyce małych swobodnych czarnych dziur uzyskano w roku 2011.
Masywne czarne dziury powstawały podczas kolapsu (zapadnięcia się) materii gwiazd neutronowych o masie odpowiadającej co najmniej 3 masom Słońca. Jeżeli w otoczeniu powstałej gwiazdowej czarnej dziury jest wystarczająca ilość materii pobliskich gwiazd, następuje proces jej akrecji (ściągania). Tworzy się wirujący dysk akrecyjny, którego materią karmi się przyszła supermasywna czarna dziura.
Supermasywna czarna dziur może powstawać także w układzie podwójnym obiektów krążących wokół siebie. Może to być układ czarna dziura – gwiazda neutronowa lub dwie czarne dziury. W skrajnym przypadku czarna ogromna supermasywna czarna dziura może powstać karmiąc się materią kwazaru – całej świecącej jaśniej niż gwiazda galaktyki.
W naszej wiedzy o Wszechświecie istnieją jednak kolejne dziury. Najbardziej może dziwić bardzo mocna hipoteza stawiana przez kosmologów i astrofizyków, że obok zwykłej widzialnej i poznawalnej materii, jest jeszcze inna, niepoznawalna materia oraz dominująca we Wszechświecie jakaś niepoznawalna energia. Są one określane jako ciemna materia i ciemna energia. W modelach teoretycznych funkcjonowania Wszechświata ich istnienie jest niezaprzeczalne. Co więcej, te dwa enigmatyczne potwory uznane zostały za główne siły rządzące mechaniką Wszechświata. Rządząc widzialnym Wszechświatem, same pozostają dla nas niewidzialne.
W swoich myślowych eksperymentach, w oparciu o mechanikę ciał niebieskich zbudowanych ze zwykłej materii, fizycy teoretycznie i kosmolodzy wydedukowali istnienie jakby drugiego równoległego świata pełnego niewidzialnej i bezpośrednio niemierzalnej ciemnej materii oraz jeszcze bardziej enigmatycznej ciemnej energii. Oszacowali, że zwykłej, dającej się zobaczyć materii może być zaledwie około 5%, a cała „reszta” Wszechświata przypada na hipotetyczne potwory – ciemną materię i ciemną energię. Ciemna materia tworzy strukturę Wszechświata – coś w rodzaju rusztu czy sieci. W jej węzłach, na skutek wielkiej siły grawitacji, zachodzi koncentracja zwykłej materii; tam powstają galaktyki. Postuluje się też, że wokół galaktyk funkcjonuje halo ciemnej materii, które je scala i określa ich przestrzeń we Wszechświecie. Istnieje sugestia, że skupiska ciemnej materii (węzły jej sieci) powinny dawać efekt soczewkowania grawitacyjnego wykrywalnych fal elektromagnetycznych.
Można uznać, że ciemna materia mocno trzyma galaktyki „w ryzach”. Rola ciemnej energii jest przeciwstawna; wywiera ona we Wszechświecie ciśnienie skierowane przeciwnie do siły grawitacji ciemnej materii. Zdaniem kosmologów zaraz po Wielkim Wybuchu Wszechświat był zimny i ciemny; zawierał tylko ciemną materię. Tylko co to znaczy „zaraz”? W erze Plancka, czyli w niewyobrażalnie małym ułamku sekundy?
Dominuje hipoteza, że pierwsze pojawiły się cząstki ciemnej materii, i to one stworzyły warunki do zaistnienia pierwszych cząstek zwykłej materii (z bezmiaru energii Wybuchu?), a kiedy pojawiły się wodór, ciemna materia zaczęła rządzić Wszechświatem „na dobre”. Tylko, jak to wszystko zrozumieć nie będąc Einsteinem ani Hawkingiem? Oni pewnie by się tym nie przejmowali.
Na skutek rosnącej grawitacji masy skupiającej się w węzłach sieci ciemnej materii zachodziło zagęszczanie się zwykłej materii. Gęstniejące chmury gazu o coraz wyższej temperaturze zapadały się do wnętrza, i w wyniku implozji następował zapłon rodzący pierwsze gwiazdy około 400 mln lat po Wielkim Wybuchu. Są one obrazowo określane jako błękitne potwory.
O czarnych dziurach nieco więcej
Pierwsze olbrzymie masywne gwiazdy miały krótki żywot; kiedy zabrakło im wodoru, umierały. Zapadały się pod działaniem silnej grawitacji zmieniając się ostatecznie w pierwsze czarne dziury. Ogólnie, czarne dziury są definiowane jako zapadająca się czasoprzestrzeń, którą rządzi grawitacja. Od czasu zaistnienia, grawitacja czarnych dziur ulokowanych w centrach gwiezdnych galaktyk rządzi zwykłą materią w tych galaktykach. Dzięki olbrzymim siłom pola magnetycznego czarnych dziur wokół nich kręci się żywot miliardów układów gwiezdnych, a także życie i śmierć gwiazd i ich planet.
Czarne dziury są niezwykle masywnymi sferycznymi czeluściami; zwykle kulistymi, ale jeżeli wirują ulegają spłaszczeniu. W ich otchłani, dzięki olbrzymiej grawitacji, ginie każda forma znanej nam materii, która się zbliży i przekroczy granicę bez powrotu – definiowany matematycznie horyzont zdarzeń.
Wszystkie informacje na temat czarnych dziur mają jednak charakter czysto teoretyczny. Oparte są bowiem o właściwości grawitacyjne tych tworów w stosunku do otaczającej je zwykłej materii – gwiazd, kosmicznego pyłu i gazu oraz fal elektromagnetycznych. A ponieważ właściwości te podlegają opisowi równaniami matematycznymi, musi nam to wystarczyć. Empirycznych danych dotyczących budowy wnętrza czarnych dziur nie ma, i jak twierdzą astrofizycy – nie będzie. Czarne dziury mogą mieć różną masę i wielkość, co decyduje nie tylko o sile ich pola grawitacyjnego, ale również o wielkości horyzontu zdarzeń. Stanowi on granicę między „życiem” zwykłej materii we Wszechświecie oraz jej „pozorną śmiercią” (zniknięciem) w czarnej dziurze.
No to co jest w tych czarnych dziurach, jeżeli nie ma tam znanej nam materii? Istnieje też hipoteza, że jej parametry fizyczne osiągają tam trudną do uwierzenia nieskończoność. Inna hipoteza sugeruje, że w centrum czarnych dziur ma znajdować się ich jądro zawierające niezwykle skoncentrowaną nieznaną nam materię. Opisywane jest ono jako wyłamująca się z opisu matematycznego „osobliwość”. W wirującej czarnej dziurze osobliwość przyjmuje kształt pierścienia. Co ciekawe, istnieje też hipoteza, że osobliwość ma mieć ściśle definiowaną matematycznie gęstość Plancka.
Przejdźmy do kolejnej właściwości czarnych dziur. Doprowadzając masę gazu i pyłu w wirującym wokół nich dysku akrecyjnym do bardzo wysokiej temperatury powodują emisję silnego promieniowania elektromagnetycznego. A zatem, chociaż same czarne dziury nie świecą, to świecą światłem generowanym przez rozgrzaną materię dysku akrecyjnego.
W tym miejscu należy zaznaczyć, że genialny fizyk teoretyk Stefen Hawking zaproponował hipotezę, że czarne dziury ostatecznie uwolnią kiedyś swoją zawartość w formir nieznanej nam energii. Przyjęto dla niej określenie promieniowania Hawkinga.
Dzięki współczesnym teleskopom, w odległościach określanych w miliardach lat świetlnych, wykryto bardzo jasne obiekty, które okazały się nie gwiazdami lecz silnie świecącymi galaktykami. Znajdujące się w nich supermasywne czarne dziury, w których zapadły się wcześniejsze galaktyki, wyróżniają się tak olbrzymią grawitacją, że swoją ogromną energią zasilają otaczające wirujące masy pyłu i gazu powstałe z pochłoniętych galaktyk. Galaktyki te to silnie świecące kwazary, które powstały już w pierwszym miliardzie lat po narodzinach Wszechświata.
Kwazary wytwarzają kosmiczny huragan wysokoenergetycznych cząstek i w zasadzie niszczą stare ciężkie (tzw. „zapasione”) galaktyki zawierające olbrzymią liczbę gwiazd (do 100 miliardów). Kwazary sprzyjają jednak również narodzinom nowych gwiazd. Wrzucając gorący gaz poza galaktykę, mogą w otoczeniu swoich dżetów zagęszczać zimny gaz galaktyczny (wodór i hel), rodząc w ten sposób nowe gwiazdy.
Ponieważ na etapie powstawania kwazaru w galaktyce są gwiazdy, istnieje hipoteza, że zapalnikiem kwazaru może być wybuch gwiazdy. Jeżeli kwazary wykrywane są w odległościach mierzonych miliardami lat świetlnych, a ich promieniowanie dociera do Ziemi dopiero teraz, to musiały powstawać już w pierwszym miliardzie lat po Wielkim Wybuchu.
Obraz (a właściwie cień) czarnej dziury Sagitarius A*w centrum Drogi Mlecznej opublikowano po raz pierwszy 12 maja 2022 r. Powstał on w oparciu o wielką ilość zdjęć horyzontu zdarzeń wykonanych przez globalną sieć radioteleskopów pod nazwą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. Na skutek istnienia silnego pola magnetycznego Sagitarius A* wyrzuca ze swojego otoczenia fontanny gorącego gazu – plazmy o bardzo silnym promieniowaniu. Na uzyskanym obrazie czarną dziurę reprezentuje tylko czerń wewnątrz jasnego pierścienia promieniowania emitowanego na granicy horyzontu zdarzeń.
W różnych galaktykach znajdują się znacznie większe czarne dziury, o masie szacowanej powyżej 10 mld mas naszego Słońca, a nawet ultramasywne – do granicznych o masie na poziomie 50 mld mas Słońca. Powstaje pytanie, jak można ocenić masę czarnych dziur, jeżeli ich nie widać, nie znamy ich wielkości ani gęstości upakowanej w nich materii ? Dowodów (pośrednich) na istnienie bardzo gęstych skupisk materii dostarczają długoletnie obserwacje orbit gwiazd w ich otoczeniu.
Wielkość czarnych dziur szacuje się w oparciu o pomiar częstotliwości generowanych przez nie fal grawitacyjnych, których istnienie przewidział już A. Einstein w swojej ogólnej teorii względności. Fale grawitacyjne pojawiają się, kiedy bardzo masywne ciało niebieskie porusza się z przyspieszeniem. Powstają również, kiedy dwa masywne obiekty, takie jak np. czarne dziury czy gwiazdy neutronowe, bardzo szybko orbitują wokół siebie. Są to fale drgań pola grawitacyjnego, określane też jako „zmarszczki” w czasoprzestrzeni.
Fale grawitacyjne, które teraz do nas docierają, są niezwykle cenne dla badania zjawisk, które zaszły w młodym Wszechświecie. W próżni kosmosu fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła, ale ich zarejestrowanie na Ziemi napotyka na wiele problemów. Są niezwykle słabe, zatem jednym z problemów było uzyskanie dostatecznie czułych detektorów. Kolejne problemy wynikały z różnych zakłóceń, jakie stwarza ziemska atmosfera i sama Ziemia. Uzyskanie czytelnych obrazów tworzących przez fale grawitacyjne wymagało użycia więcej niż jednego ziemskiego teleskopu.
Próby podejmowane jeszcze w wieku XX, zakończyły się sukcesem dopiero w roku 2015 w obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory). Do detekcji fal grawitacyjnych w budowanym i doskonalonym przez prawie 20 lat obserwatorium wykorzystano interferometrię laserową w układzie dwóch teleskopów umieszczonych w stanie Waszyngton i Luizjanie. W ten sposób zarejestrowano po raz pierwszy fale grawitacyjne emitowane podczas akrecji (łączenia się) dwóch supermasywnych czarnych dziur w odległości 1,3 mld lat świetlnych.
Uzyskanie coraz bardziej czytelnych sygnałów fal grawitacyjnych wymaga poprawienia tzw. rozdzielczości czasowej w odczycie zmian amplitudy fal, co jest możliwe przy współpracy większej ilości obserwatoriów. Postępem było wykorzystanie układu trzech teleskopów – w Arizonie, Kalifornii i na Hawajach. Ale najlepszym rozwiązaniem jest stworzenie sieci współpracujących obserwatoriów rozmieszczonych w wielu odległych miejscach na całej Ziemi. Odczyty zmian amplitudy fal (przy dużej rozdzielczości czasowej) mogą pozwolić na przybliżona trójwymiarową wizualizację źródła tych fal.
Niszczące czarne dziury, indukujące kwazary, mogą powstawać po zderzeniu się dwóch galaktyk. Kiedy dochodzi do fuzji wirujących wokół siebie dwóch czarnych dziur generuje to olbrzymią energię fal grawitacyjnych. Powstające w ten sposób kwazary rozrywają zderzające się galaktyki. To jest bardzo istotne dla przyszłości naszej galaktyki (i oczywiście Ziemi). W naszym kierunku pędzi z prędkością około 100-150 km/s (?) wielka galaktyka Andromedy odległa od Ziemi 2,52 mln lat świetlnych. Jest ona największa w naszej grupie lokalnej galaktyk, ponieważ wcześniej pochłaniała już inne galaktyki.
Kolizja z Drogą Mleczną może doprowadzić do powstania gigantycznej galaktyki z supermasywną czarną dziurą. Owocem tego zdarzenia będzie prawdopodobnie wysoko energetyczny kwazar niosący śmierć m.in. naszemu Słońcu i jego planetom, ale uruchamiający powstawanie nowych gwiazd, które (podobnie jak stare) zostaną rozrzucone w strukturze nowej supergalaktyki. Pytanie – kiedy? Odległość jest tak duża, że mimo wielkiej szybkości zbliżania się w naszym kierunku, może (ale nie musi) to nastąpić dopiero za jakieś 4-4,5 mld lat.
Istnieje hipoteza, że Drogę Mleczną przenikają małe galaktyki karłowate mające zaledwie po kilkadziesiąt milionów gwiazd. Trudno je wykryć, ponieważ nie emitują dostatecznie silnego promieniowania. Wędrują one bezkolizyjnie w pustej przestrzeni międzygwiezdnej, ale czasem mogą powodować zaburzenia w ruchu niektórych gwiazd. Świadczyć o tym mogą „zmarszczki” widoczne w ramionach naszej galaktyki i prawdopodobnie tzw. poprzeczka w jej środku. Droga Mleczna jest porównywana do ogromnego naleśnika z wybrzuszeniem pośrodku, które jest najstarszą strukturą galaktyki zawierającą najstarsze gwiazdy. W ramionach wirujących wokół centralnego wybrzuszenia Drogi Mlecznej znajdują się najnowsze gwiazdy. Istnieją jednak również galaktyki płaskie, pozbawione centralnego zgrubienia.
Ponieważ odległości między gwiazdami są bardzo duże, galaktyki karłowate, przemieszczając się wewnątrz dużych galaktyk, zwykle nie czynią większych szkód. Kiedy jednak dojdzie do kolizji, duże galaktyki połykają galaktyki karłowate wykorzystując ich paliwo (wodór i hel) do tworzenia nowych gwiazd. Istnieje hipoteza, że przed powstaniem układu słonecznego poważna kolizja innej galaktyki z Drogą Mleczną dostarczyła jej duże ilości zimnego gazu (wodoru i helu). Nowy ładunek gazu i pyłu mógł być wykorzystany dzięki temu do powstania nowych gwiazd w ramionach powiększonej Drogi Mlecznej.
Od czasu zaistnienia czarnych dziur, kontrolują one ewolucję Wszechświata, który rozszerza się dzięki procesom dającym się ująć skrótowo jako powtarzające się narodziny i śmierci ciał niebieskich. Istnieje teoria (może tylko hipoteza) starająca się wytłumaczyć jaką rolę w tworzeniu się największych pierwotnych supermasywnych czarnych dziur o masie kilkanaście mld czy nawet ponad 30 mld razy większej od masy naszego Słońca odegrała ciemna materia.
Istnieje podejrzenie, że ciemna materia rodziła ogromne supermasywne gwiazdy, których żywot był stosunkowo krótki, kończący się wybuchami kwazarów i powstawaniem supermasywnych czarnych dziur o masie na poziomie miliardów Słońc. Nie wykluczone, że tak masywne pierwotne czarne dziury powstawały też w wyniku wielkiego zderzenia się dwóch czarnych dziur wirujących wokół siebie. Następuje wówczas zamiana części materii w energię wyrzucaną w przestrzeń kosmiczną. Teoretycznie nie można wykluczyć, że pierwotne ogromne czarne dziury powstawały w wyniku połączonego działania powyższych mechanizmów.
Wróćmy jednak do „współczesnego” Wszechświata (cudzysłów, bo tak naprawdę oglądamy przecież obrazy Wszechświata, jaki istniał przed miliardami lat; docierają one do nas dopiero teraz z odległości miliardów lat świetlnych. W porównaniu z omawianymi wyżej pierwotnymi supermasywnymi czarnymi dziurami, te znajdujące się obecnie w bliskich nam galaktykach są bardzo małe. Jaki jest koniec śmierci gwiazdy zależy od jej masy. Nie zawsze musi to być czarna dziura, może to być martwa gwiazda neutronowa (wpis nr 2).
Zarówno gwiazda neutronowa, jak i osobliwość czarnej dziury mają niewiarygodnie gęstą materię odpowiedzialną za ogromną siłę grawitacji oraz nadzwyczaj silne pole magnetyczne. Jedne i drugie mogą ściągać materię ze swojego otoczenia wysyłając w przestrzeń kosmiczną olbrzymią ilość energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego, które powstaje w wyniku zderzeń materii na powierzchni gwiazdy neutronowej czy w dysku akrecyjnym czarnej dziury.
Jaka przyszłość czeka nasz Wszechświat?
Szacuje się, że za kilkaset (lub tysiące) miliardów lat wyczerpywanie zasobów paliwa termojądrowego doprowadzi do wygaszania się ostatnich gwiazd. Nastanie wtedy długa era chłodnych tzw. czerwonych karłów, które będą bardzo słabo świecić dopalając powoli resztki wodoru i helu. Wszechświat pozbawiany energii termojądrowej zacznie coraz szybciej rozszerzać się. Rządząca nim wcześniej grawitacja ciemnej materii i czarnych dziur znanej materii ulegnie sile ciemnej energii. Nic o niej właściwie nie wiemy, ale za sprawą modelu matematycznego, który opisuje narastające rozszerzanie się Wszechświata, uznaliśmy że istnieje. Tylko skąd ciemna energia „się wzięła”? Czy jest wynikiem niezrozumiałych dla nas procesów kwantowych?
Dowody na rozszerzanie się Wszechświata mają już jednak charakter empiryczny, a proces ten przypisuje się ciemnej energii, która ma stanowić grubo ponad 90% Wszechświata. Czy zatem, jeśli grawitacja sprzyjała powstaniu i życiu znanego nam Wszechświata, to ciemna energia będzie odpowiadała za jego śmierć? Czy kolejny „nowy” Wszechświat będzie ciemny, zimny i „pusty”? A może nastąpi powrót jego materii do stanu sprzed Wielkiego Wybuchu? Jaka siła to sprawi?
Wróćmy jednak do naszego obecnego Wszechświata. Między galaktykami i grupami galaktyk są kosmiczne pustki. Dlaczego taka nazwa, skoro właśnie tam ma znajdować się rozpychająca Wszechświat ciemna energia. A teraz najciekawsze – okazuje się, że mamy do czynienia z wojną dwóch fantomowych potworów – ciemnej materii i ciemnej energii. Początkowo, dopóki ciemna energia rosła powoli, Wszechświat był zarządzany przez ciemną materię. Astrofizycy i kosmolodzy wysunęli hipotezę, że od 9 mld lat to ciemna energia uzyskała przewagę, o czym ma świadczyć przyspieszenie przestrzennej ekspansji Wszechświata.
Grawitacja ciemnej materii przegrywa z ciśnieniem ciemnej energii, podobnie jak podczas wybuchu supernowej pole grawitacyjne jej jądra przegrywa z energią reakcji termojądrowej. Skoro ta fantomowa ciemna energia dominuje, rodzi się zasadnicze pytanie – jakie jest jej źródło? I jak długo jeszcze ciemna energia będzie rozpychała nasz Wszechświat? A może „rozdymając” go wyczerpie się i nastąpi spadek jej ciśnienia? Wtedy do zarządzania Wszechświatem może powrócić ciemna materia. Czy siłą swojej grawitacji będzie ściągać zwykłą materię do ostatecznej czarnej dziury, aż ściśnie ją do krytycznej osobliwości i niewyobrażalnie małego i niewyobrażalnie gęstego (ciężkiego) „punktu”? Czy nastąpi wtedy jego kolejna eksplozja, kolejny „Wielki Wybuch”, a wg innej hipotezy raczej kolejne „odbicie” i ekspansja materii rodzącej nowy Wszechświat?
Kosmolodzy ukuli dwie teorie (ale to tylko hipotezy) dotyczące końca naszego Wszechświata. Jedna „mówi” o Wielkiej Erze Lodowej, a druga wręcz przeciwnie – o Wielkiej Kuli Ognia. Pierwsza pozostaje w zgodzie z obserwowaną obecnie ekspansją Wszechświata. Patrząc z Ziemi galaktyki zaczną znikać za kosmicznym horyzontem i nastąpi wielkie rozdarcie Wszechświata. Grawitacja przestanie odgrywać swoją dotychczasową rolę. Gdy zabraknie gazowego paliwa (wodoru) gwiazdy rozpadną się, a następnie do cząstek elementarnych rozpadną się ich atomy. Nastanie era czarnych dziur (czas przestanie istnieć?), które ostatecznie również wyparują w postaci cząstek elementarnych. Nastanie era ciemności, totalnego chłodu (zero stopni Kelvina) i nieuporządkowanej„pustki”. O dziwo, jest to zgodne z II zasadą termodynamiki – w systemie zamkniętym zachodzi stały przyrost entropii (nieuporządkowania).
Przy założeniu, że nasz Wszechświat jest systemem zamkniętym, zostanie on całkowicie ogarnięty zasadami mechaniki kwantowej. A to oznaczałoby, że wówczas wydarzyć może się (z niezwykle małym prawdopodobieństwem) wszystko, łącznie z kolapsem (zapaścią) cząstek elementarnych do energetycznego „punktu”. A co dalej? Nowy Wszechświat w akcie Nowego Wielkiego Wybuchu?
A druga hipoteza”końca” naszego Wszechświata? Ta proponuje Wielki Kolaps na samym początku, a jego mechanizm oznaczałby powrót do dominacji siły grawitacji we Wszechświecie. Gwiazdy zaczną pochłaniać swoje planety, a potem łączyć się lub zostaną pochłonięte przez czarne dziury, które pochłoną również resztki kosmicznego gruzu. Procesy kolizji czarnych dziur i ich wzajemnego pochłaniania się doprowadzą do powstania wielkiej kuli ognia. Biblijny Armagedon? Niezależnie od jednej czy drugiej hipotezy, ma to nastąpić w niewyobrażalnym dla nas skali czasowej, przekraczającej skalę czasu istnienia dzisiejszego Wszechświata.
Podsumowanie Należy uznać, że teoria czarnych dziur oraz hipoteza istnienia ciemnej materii i ciemnej energii, podobnie jak hipoteza Wielkiego Wybuchu, jest tylko próbą zamaskowania jakże wielkich „dziur” w naszej wiedzy na temat Wszechświata. Wiedzę o tych enigmatycznych tworach można spuentować podkradzioną Sokratesowi sentencją – „wiem, że nic nie wiem”. Nie jest ważne to, że opisane tu „obiekty” i procesy są niewidzialne i nie można ich istnienia bezpośrednio udowodnić dostępnymi narzędziami fizycznymi. Ważne jest to, że z modeli matematycznych mechaniki Wszechświata wynika, że rządzi nim „coś” potężniejszego niż gwiazdy czy czarne dziury. Dla kosmologów i fizyków teoretycznych stwarza to świetną okazję do wielkich intelektualnych dociekań i eksperymentów myślowych. Takiej okazji nie mogą przepuścić. A że trzeba było to „coś” jakoś nazwać, przyjęto określenia nawet nie tak złe. Dla wierzących w Boga sprawa jest oczywista – naszym Wszechświatem rządzi Bóg. Tylko że nie sposób sobie wyobrazić, na jaki poziomie