Článok v pdf

„Niektorí tvrdia, že svet skončí ohňom, druhí, že ho zničí ľad. To, čo poznám z vášne, ma prinútilo k ohňu sa prikláňať. Avšak keď oheň svet nezmrzačí, poznám natoľko aj nenávisť, aby som si bol istý, že ľad by to dokázal, že na to stačí.“

Takto začal príhovor predseda Nobelovho výboru k udeleniu Nobelovej ceny za fyziku v roku 2011 citujúc dielo Roberta Frosta Oheň a ľad. Pokračuje veľkou otázkou, na ktorú už poznáme odpoveď: „Aký je osud vesmíru? Pravdepodobne skončí ako ľad, ak chcete veriť tohtoročným nositeľom Nobelovej ceny.“ Pozorovanie explodujúcich hviezd, takzvaných supernov, vo vzdialených galaxiách ich priviedlo k objavu, že sa rozpínanie vesmíru zrýchľuje. Tento nečakaný záver prekvapil aj samotných nositeľov Nobelovej ceny a prirovnávajú ho k tomu, akoby ste vyhodili loptu a namiesto toho, aby spadla späť na zem, začne sa od zeme vzďaľovať stále rýchlejšie a prekvapene sledujete, ako mizne na oblohe. Niečo podobné sa deje v celom vesmíre. Zrýchlené rozpínanie vesmíru znamená, že ho musí rozpínať akási neznáma forma energie, mysticky nazvaná tmavá energia. Podľa odhadov tvorí viac ako 70 % energie celého vesmíru a napriek jej dominancii o nej nevieme vôbec nič. Preto je najväčšou otázkou súčasnej fyziky.

Veľkú väčšinu energie vesmíru tvorí tmavá energia, ktorá poháňa rozpínanie vesmíru.
Menší podiel má tmavá hmota – ďalšia záhada, ktorá drží galaxie pohromade. Poznáme len zostávajúci malý diel tejto skladačky.

Vesmír sa rozpína. Ako to vieme?

Najprv nahliadneme do histórie, ako sa prišlo na to, že sa vesmír rozpína. Albert Einstein a jeho súčasníci považovali vesmír za stacionárny, čiže nemenný, bez začiatku a konca, čo bola vtedy všeobecne prijímaná hypotéza. Túto predstavu narušila jeho všeobecná teória relativity publikovaná v roku 1916. Teória nevyhnutne viedla k tomu, že stacionárny vesmír by skolaboval v dôsledku gravitácie medzi galaxiami. Einstein sa pokúsil situáciu zachrániť tak, že do rovníc zaviedol kozmologickú konštantu, čo síce znie sofistikovane, ale ide o učebnicový príklad „bulharskej konštanty“. Jej účelom bolo zmenšiť gravitačnú silu presne o toľko, aby galaxie v stacionárnom vesmíre na seba nespadli. Alexander Friedmann navrhol pripustiť rozpínajúci sa vesmír, čím vyriešil Einsteinove rovnice bez ťahania za vlasy. Fyzik a kňaz Georges Lemaître mal pre toto riešenie ešte jeden špeciálny argument – rozpínajúci sa vesmír počnúc z „niečoho veľmi malého, až takmer ničoho“ by viac zapadal do biblickej predstavy o stvorení sveta. Okolo roku 1920 Edwin Hubble vykonal pozorovania, ktoré potvrdili rozpínanie vesmíru. Podľa meraní z teleskopu na vrchu Mount Wilson v Kalifornii sa vesmír rovnomerne rozpína, pričom vzdialenejšie galaxie sa od nás vzďaľujú rýchlejšie ako bližšie galaxie. Keďže zrejme nemáme postavenie špeciálneho bodu vo vesmíre, od ktorého by všetko lietalo preč, očakávame, že rovnaké tvrdenie platí z ľubovoľného iného miesta. Aby sme pochopili, čo to znamená,
predstavme si nafukujúci sa balón.

Všetky body na povrchu balóna sa od seba vzďaľujú, pričom vzdialenejšie body sa vzďaľujú od seba rýchlejšie. Vzájomná rýchlosť dvoch bodov je priamo úmerná ich vzdialenosti a táto konštanta úmernosti dostala pomenovanie Hubblova konštanta. Toto číslo vyjadruje, ako rýchlo sa rozpína náš vesmír. V tých časoch si pozorovatelia nemohli všimnúť, že rozpínanie vesmíru nie je rovnomerné, ale dokonca zrýchlené, napokon na to nebol ani rozumný dôvod (ten nie je ani teraz). Hubblova „konštanta“ teda časom stále rastie, ale jej zmena bude nezanedbateľná až o niekoľko miliárd rokov.

Na dôkaz rozpínania vesmíru bolo potrebné zistiť dve veci – vzdialenosť nejakých objektov vo vesmíre a rýchlosť, akou sa tieto objekty od nás vzďaľujú. Na prvý pohľad sa meranie vzdialenosti alebo rýchlosti akéhokoľvek veľmi vzdialeného objektu zdá byť neprekonateľným problémom. Obe veci naozaj vyžadujú sofistikovaný prístup. Kľúčovými objektmi sa stali cefeidy, čo sú zvláštne hviezdy, ktorých svietivosť pulzuje. Vieme bez problémov odmerať, ako rýchlo hviezda pulzuje. Z toho sa dá na základe istých známych fyzikálnych vlastností cefeíd vypočítať, ako jasno hviezda svieti. Vzdialenejšie hviezdy síce vidíme svietiť slabšie a bližšie silnejšie, ale my poznáme skutočnú, nie zdanlivú jasnosť hviezdy. Na základe rozdielu medzi skutočnou a zdanlivou jasnosťou teda vieme vypočítať, ako ďaleko od Zeme sa hviezda nachádza.

Na určenie rýchlosti hviezdy použijeme to, že vzďaľujúcu sa hviezdu (ľubovoľný zdroj svetla) vidíme viac sfarbenú do červena v porovnaní s tým, keď stojí. Ak by ste sa v bielom tričku rozbehli smerom ku hviezdam rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla, z pohľadu stojacich pozorovateľov budete mať na sebe červené tričko (keď sa budete vracať späť, tričko bude modré). Tento jav nazývaný červený posun má pôvod vo vlnovej povahe svetla.

Ak sa zdroj vzďaľuje, vlny svetla vidíme roztiahnutejšie, čo
zodpovedá posunu smerom k červenej farbe spektra

Čím sa hviezda javí červenšia, tým rýchlejšie sa vzďaľuje od Zeme. Kto by to bol povedal, že rýchlosť hviezdy určíme na základe jej farby. Tu sa natíska otázka: Poznáme skutočnú farbu hviezdy, aby sme tú červenšiu mali s čím porovnať? Odpoveďou je áno a stojí za ňou svetelné spektrum.

Jeden filozof povedal, že existujú otázky, na ktoré nikdy nebudeme poznať odpoveď, a ako príklad uviedol chemické zloženie hviezd. Ak by bolo nutné prísť k Slnku a odobrať z neho vzorku, nemali by sme odpoveď dodnes. Ale aby sme to nemali také ťažké, príroda nám úlohu zjednodušila a hviezdy samé vysielajú informácie o svojom chemickom zložení. Po rozklade svetla na spektrum farieb vznikne dúha od červenej po fialovú a na niektorých miestach sa objavia tmavé čiary – chýbajúce farby. Výskyt týchto čiar jednoznačne závisí od chemického zloženia hviezdy, takže popri tejto informácii sa dozvieme aj to, kde by sa čiary mali nachádzať, ak ide o nepohyblivú hviezdu. Červený posun je vnímaný ako posun tmavých čiar vo svetelnom spektre hviezdy. Každá hviezda je takto vybavená tachometrom. O koľko sa čiary posunú smerom k červenej, o toľko rýchlejšie sa od nás hviezda vzďaľuje.

Zistenie polohy a rýchlosti cefeíd tak umožnilo zistiť, že vesmír sa rozpína podobne ako povrch balóna. Pre pozorovanie zrýchlenia však bol potrebný ešte dômyselnejší experiment.

Rozpínanie vesmíru sa zrýchľuje

Nobelova cena sa rozdelila medzi dva konkurenčné tímy, ktoré publikovali podobné výsledky v roku 1995. Prvú polovicu dostal Saul Perlmutter, vedúci tímu Supernova Cosmology Project, a druhú polovicu dostali Brian P. Schmidt a Adam G. Riess z tímu High-z Supernova Search Team. Ich pôvodným cieľom bolo vykonať precízne merania nového druhu, ktoré by potvrdili hypotézu, že sa vesmír rozpína stále pomalšie, a teda jeho konečný osud je rovnováha medzi „ohňom a ľadom“. Namiesto toho sa dočkali prekvapenia – ich merania ukázali, že sa rozpínanie vesmíru zrýchľuje.

Aby bolo možné vykonať ďalšie merania, ktoré by presnejšie odhalili povahu rozpínania vesmíru, bolo potrebné vidieť ešte ďalej. Vzdialenejšie cefeidy svietia tak slabo, že pomocou súčasných prístrojov ich nevidno. Za touto hranicou však ešte môžeme vidieť explodujúce supernovy, a to boli práve objekty, na ktoré sa oba tímy zamerali s pomocou moderných teleskopov a výkonných počítačov. Supernovy môžu byť malé ako Zem a pritom jasnejšie než celá galaxia. Jeden zo spôsobov, ako tieto žiarivé explózie vznikajú, pochádza z dvojice hviezd, ktoré sa točia v kruhu (obiehajú okolo spoločného ťažiska).

Jedna z hviezd je navyše bielym trpaslíkom, čo je vyhasnutá hviezda, ktorej sa vyčerpalo všetko palivo a skolabovala do veľmi hustého objektu menšieho ako naša planéta. Biely trpaslík svojou silnou gravitáciou vysáva od suseda palivo, až sa jeho vnútorná teplota zvýši natoľko, že spustí jadrovú fúziu a následnú explóziu. Takáto udalosť sa stane v jednej galaxii raz za niekoľko tisíc rokov, takže pozorujúc jednu galaxiu by sa vedci načakali. Tu pomohla relatívne nová technológia – snímanie obrazu pomocou CCD snímača. Dve snímky toho istého miesta boli urobené s trojtýždňovým odstupom. Ak sa porovnaním snímok zistilo, že na druhej je o svetlú bodku navyše, mohlo to byť spôsobené buď šumom, alebo práve na tom mieste vybuchla supernova. Po dôslednom eliminovaní rôznych efektov sa odfiltrovali supernovy potrebné na zistenie povahy rozpínania vesmíru.

Akonáhle na snímke objavili potenciálnu supernovu, rýchlo zmobilizovali tím pozorovateľov za teleskopmi, aby o nej získali ďalšie údaje skôr, než svetelná stopa po výbuchu zmizne. Nie vždy išlo o skutočnú hľadanú supernovu, ale rozhodla o tom charakteristika, ako sa mení jej jasnosť po výbuchu. Niektoré vzdialenejšie supernovy sa však vymykali očakávaniam. Verili, že sa rozpínanie vesmíru spomaľuje, a podľa toho očakávali istú jasnosť supernovy. Supernovy však svietili slabšie, a to ešte slabšie, než by sa dalo očakávať podľa modelu rovnomerného rozpínania vesmíru. Svietili tak slabo, že sa rozpínanie vesmíru musí zrýchľovať.

Návrat kozmologickej konštanty

Einstein sa nie bezbolestne vzdal predstavy stacionárneho vesmíru a kozmologickú konštantu označil za svoj veľký omyl. Dnes by sa k nej vrátil. Kozmologická konštanta, pôvodne navrhnutá pre zlý predpoklad, sa znovu ukazuje ako možná cesta, ako sa vyrovnať s novým faktom. Idea je taká, že vo väčších meradlách by mohla platiť iná fyzika a gravitácia by bola odpudivá. Pripomeňme, že kozmologická konštanta bola zavedená za účelom zmenšiť gravitačné pôsobenie medzi galaxiami. Ak by sme gravitáciu zmenšili natoľko, že sa z nej stane „antigravitácia“, galaxie sa budú od seba odpudzovať, a to je práve model, ktorý pozorujeme. Túto myšlienku zatiaľ nie je možné dokázať ani vyvrátiť.

Konečný osud vesmíru

Odhliadnuc od tmavej energie existujú tri možné osudy vesmíru v závislosti od toho, koľko je v ňom hmoty, alebo presnejšie, aká je priemerná hustota hmoty vo vesmíre. Ak je hustota hmoty dostatočne veľká, gravitácia prevládne nad jeho rozpínaním, čím sa jeho rozpínanie postupne spomalí, zastaví a nakoniec skolabuje do bodu, z ktorého vznikol, čo je v spomenutých metaforách označené ako „oheň“. Ak je naopak hmoty málo, gravitácia medzi vzďaľujúcimi sa galaxiami nestačí udržať pokope rozbehnuté galaxie a vesmír sa bude večne rozpínať, rednúť a ochladzovať sa, čo symbolizuje „ľad“. Medzi týmito situáciami môže nastať rovnováha, čiže rozpínanie vesmíru bude stále pomalšie, až sa takmer zastaví.

Hľadanie odpovede na osud vesmíru sa tak zredukovalo na hľadanie všetkej hmoty vo vesmíre. Nový objav však ukázal, že gravitácia je bezmocná voči akejsi neznámej sile, ktorá poháňa rozpínanie vesmíru. Kým o tejto sile nevieme viac (napríklad, že by si jedného dňa zmyslela obrátiť kabát), môžeme povedať, že vesmír sa bude rozpínať večne a „skončí ako ľad“. Kým niektoré veci nám príroda prekvapujúco uľahčila, inde prichystala poriadny hlavolam. Vesmír vznikol asi pred 14 miliardami rokov. Prvých 4 až 5 miliárd rokov expanzia spomaľovala, ale od istého okamihu prebrala kontrolu tmavá energia.

Vidieť širší svet, v ktorom žijeme, vždy vyžaduje dosiahnuť istú hranicu intelektuálneho poznania. Potrebovali sme základy matematiky na to, aby sme si vôbec všimli, že Zem je guľatá. Všimnúť si, že sa vesmír okolo nás rozpína, už vyžadovalo hlbšie fyzikálne poznanie. Zrýchlené rozpínanie vesmíru stojí na samej hranici súčasného poznania a niekde za touto hranicou je odpoveď, prečo sa rozpína zrýchlene, čo je tmavá energia.

Andrej Osuský