Kosmos jest bardzo, bardzo stary – jego wiek szacuje się na 13,7 do 14 miliardów lat. To tak długi czas, że często się zastanawiamy, w jaki sposób obliczono ten wiek i dlaczego tak naprawdę raz na jakiś czas okazuje się, że jednak wszechświat ma więcej lat (do lat 90. ubiegłego wieku szacowano jego wiek na... 7 do 20 miliardów lat). Skąd taka ogromna różnica?
Na scenę w tym momencie trzeba wprowadzić kosmiczne dzieci, ale nie gwiazdy ani planety, a obserwatoria astronomiczne! Te „dzieciaki”, za każdym razem coraz młodsze i lepsze, wysyłamy już od roku 1965, kiedy Rosjanie wystrzelili na orbitę okołoziemską satelity Proton-1 i Proton-2, które zapoczątkowały erę „space telescopes”, a słowo teleskop tutaj używane jest w znaczeniu urządzenia do obserwacji ciał niebieskich, niekoniecznie w świetle widzialnym.
Pierwszym naprawdę zaawansowanym teleskopem, który potrafił gromadzić dużo fotonów z odległych miejsc kosmosu, jest teleskop Hubble'a. Nie był on pierwszym takim obserwatorium astronomicznym, ale jako pierwszy miał zaawansowane przyrządy, optykę i elektronikę. To właśnie temu „dziecku” zawdzięczamy uzyskanie najbardziej prawdopodobnego wieku kosmosu, potwierdzonego później za pomocą satelity Hipparcos i projektu WMAP. Ale po kolei.
Każdy z czytelników zna już na pewno pojęcie roku świetlnego i potrafi zrozumieć, że obiekty odległe od nas o wiele milionów kilometrów to również obiekty stare, ponieważ nawet przy prędkości światła w próżni, wynoszącej 299 792 458 metrów na sekundę, fotony potrzebują sporo czasu, by ostatecznie zatrzymać się na siatkówce naszego oka lub lustrze teleskopu.
W latach 20. ubiegłego wieku Edwin Hubble (ten sam, którego imieniem nazwano słynny teleskop) odkrył, że wszechświat się rozszerza, a galaktyki odsuwają się „od nas” tym szybciej, czym dalej są położone.
Źródło: Edwin P. Hubble Papers, Huntington Library, San Marino, Kalifornia
Muszę tutaj dodać, że to nie jest tak, że Ziemia jest pępkiem wszechświata i sobie stoi w miejscu, a wszystko innej od niej ucieka: mówimy tak skrótowo, bo naprawdę to wszechświat rozszerza się jak balonik albo drożdżowe ciasto z rodzynkami, które w miarę pieczenia rośnie we wszystkich kierunkach. Dla wygody zwykle jednak punktem odniesienia jesteśmy „my”.
Wróćmy do Hubble'a. Kiedy trafił on do Mount Wilson Observatory w Kalifornii, dostał do dyspozycji największy w tamtym czasie teleskop optyczny, Hooker Telescope. Uparty, skupiony, doskonale wykształcony Hubble dokonał tam odkrycia, które zrewolucjonizowało postrzeganie wszechświata.
Do tamtego czasu uważano, że cały kosmos to Droga Mleczna, choć astronomowie nieśmiało zastanawiali się nad tym, czy istnieją poza nią inne podobne galaktyki; uznawano jednak, że umiemy zaobserwować tylko to, co znajduje się wewnątrz naszej własnej galaktyki, w tym rozliczne mgławice. I na jednej z nich, zwanej wtedy Mgławicą Andromedy, Hubble skupił swoje wysiłki. W 1923 roku udało mu się wyodrębnić poszczególne gwiazdy w ramach tejże „mgławicy”, w tym pierwszą gwiazdę należącą do cefeid (gwiazd z grupy świec standardowych), które charakteryzują się regularną zmiennością jasności, swego rodzaju pulsowaniem – a dzięki obserwacji tych zmian Hubble odkrył, że gwiazdy te znajdują się znacznie dalej niż jakiekolwiek inne gwiazdy odkryte w Drodze Mlecznej. Stąd blisko było już do uznania, że „mgławice” to w dużej mierze odrębne galaktyki, które następnie sklasyfikował według schematu używanego do dziś i nazwanego oczywiście jego imieniem.
Jego staranne obserwacje, setki godzin przy teleskopie i płytkach z obrazami pomogły też stwierdzić, że światło dochodzące z galaktyk charakteryzuje się przesunięciem ku czerwieni (redshift) tym większym, czym dalej znajduje się taka galaktyka. Pojęcie tego przesunięcia (trochę podobnego do efektu, jaki słyszymy przy mijającej nas karetce z włączonym sygnałem) było znane już na początku XIX wieku, jednak nikt nie podejrzewał, że dotyczy ono galaktyk i rozszerzania się wszechświata. To dość skomplikowane fizyczne pojęcie i na pewno do niego kiedyś wrócę, by je dokładnie wyjaśnić. Na razie musi wystarczyć nam świadomość, że przesunięcie linii widmowych w kierunku podczerwieni oznacza, że dany obiekt nam „ucieka”. Prędkość tej ucieczki mierzymy dzięki prawu Hubble'a-Lemaître’a opartemu na tzw. stałej Hubble'a, H0. A stała ta opiera się z kolei na pomiarze właśnie odległości do cefeid – łatwo więc teraz zrozumieć, dlaczego lepsze teleskopy i dokładniejsze pomiary oraz możliwość znalezienia bardzo odległych gwiazd to wyższa wartość stałej Hubble'a. Do lat 90. ubiegłego wieku szacowano ją na do 50 do 90 (km/s)/Mpc, aby ostatecznie ustalić ją na 71 (km/s)/Mpc z marginesem błędu wynoszącym 10%, a wszystko dzięki pomiarom cefeid w galaktyce spiralnej NGC 4603 w 1999 roku.
NGC 4603. Źródło: NASA
Dzięki teleskopowi Hubble'a zidentyfikowano tam ponad 40 takich gwiazd, zmierzono ich pulsowanie, określając tym samym odległość do galaktyki (108 mld lat świetlnych) i ustalając stałą Hubble'a. Ekstrapolacja danych pozwoliła na ocenę wieku wszechświata na 9 do 14 mld lat, co potwierdziły kolejne projekty (promieniowanie tła i pomiar wieku gwiazd).
Obecnie dysponujemy jeszcze doskonalszym teleskopem, czyli JWST, który jest w stanie potwierdzić te wszystkie obliczenia. To najnowsze „dziecko”, obserwujące kosmos w podczerwieni, jest w stanie wyłapać światło docierające z galaktyk, które powstały 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu, właśnie dlatego, że rejestruje światło podczerwone, charakterystyczne dla bardzo dalekich (i bardzo starych!) obiektów. Ale na pewno są takie, które są jeszcze starsze... tylko by je zaobserwować, będziemy potrzebowali kolejnego, nowszego pokolenia „dzieciaków”.
Źródło: NASA/STScI/CEERS/TACC/S. Finkelstein/M. Bagley/Z. Levay; NASA/STScI/CEERS/TACC/S. Finkelstein/M. Bagley/J. Kartaltepe
Komentarze
Prześlij komentarz