17maja 2023 r. o godzinie 19.00 w Planetarium Centrum Nauki Kopernik w Warszawie odbędzie się wykład prof. Bharata Ratrapta zatytułowany "Przyspieszający, rozszerzający się Wszechświat".
To, że ekspansja kosmologiczna przyspiesza, jest jednym z najważniejszych odkryć naukowych ostatniego ćwierćwiecza. Za przyspieszeniem tym stoi najprawdopodobniej ciemna energia. Podczas najbliższego wykładu z cyklu „Prosto z nieba” wybitny fizyk Bharat Ratra przywoła dane astronomiczne, które przekonują kosmologów, że to głównie ciemna energia i ciemna materia (jak dotąd niewykryte) składają się obecnie na bilans energetyczny Wszechświata. Naukowiec przeanalizuje też, w jaki sposób współczesne obserwacje doprowadziły do opracowania „standardowego” ilościowego modelu kosmologii, opisującego ewolucję Wszechświata od wczesnej epoki inflacji do złożonej hierarchii struktur, obserwowanej dzisiaj. Podczas przystępnej i nietechnicznej prelekcji omówi także podstawy fizyki i historię idei, na której opiera się ten model.
Wykład odbędzie się w języku angielskim. Istnieje możliwość pobrania słuchawek z tłumaczeniem na język polski.
100 lat temu astronomowie zrozumieli, że nasza Galaktyka (pisana przez duże „G”) nie jest jedyną galaktyką we Wszechświecie, a stanowi jedną z licznych „wysp Wszechświata”, gdzie skupiają się gwiazdy i inna świecąca materia. Jednak już w latach 70 XX w., analizując ruch gwiazd w naszej Galaktyce, zwanej też Drogą Mleczną oraz w pobliskiej Galaktyce Andromedy, która podobnie jak nasza jest galaktyką spiralną, Vera Rubin dokonała zaskakującego odkrycia. Spodziewała się, że galaktyki wirują wokół swojego centrum podobnie jak planety krążą wokół Słońca, czyli, że prędkość, z jaką gwiazdy obiegają centra swych galaktyk, maleje wraz z ich odległością od centrum. Okazało się jednak że od pewnej odległości od centrum prędkość obiegu gwiazd nie maleje tak, jak można by się spodziewać z prawa powszechnego ciążenia, uwzględniając tylko znaną „widzialną” część galaktyk, a utrzymuje podobne wartości na dużym zakresie odległości od centrum galaktyki. Ponieważ na wykresie prędkości w funkcji odległości wygląda to jak spłaszczenie, nazywamy to problemem płaskich krzywych rotacji i jest to jedna z najistotniejszych przesłanek do tego, że większość materii galaktyk stanowi ciemna materia. Jest to tajemnicza i bardzo rozproszona materia, która nie emituje, nie pochłania, ani nie odbija promieniowania elektromagnetycznego (w tym światła widzialnego), a jej istnienie zdradzają jedynie wywierane przez nią efekty grawitacyjne.
Dziś przyjmujemy, że galaktyki składają się głównie z ciemnej materii, która rozproszona jest też w przestrzeniach międzygalaktycznych. Galaktyki grupują się w grupach i gromadach galaktyk – np. nasza Galaktyka jest częścią Grupy Lokalnej, skupiającej około 100 galaktyk, z których większość to galaktyki karłowate, a najbliższa nam gromada galaktyk, czyli gromada w Pannie (gromada Virgo) jest skupiskiem aż 2000 galaktyk związanych grawitacją w jedno skupisko. Inną znaną gromadą galaktyk jest gromada w Warkoczu Bereniki (gromada Coma). W 1933 r. szwajcarski astrofizyk Fritz Zwicky zauważył, że galaktyki w gromadzie Coma poruszają się zbyt szybko, by można to wyjaśnić, odwołując się tylko do świecącej materii, którą tam widać, co doprowadziło do sformułowania po raz pierwszy hipotezy ciemnej materii.
Choć obserwowalny Wszechświat w skali milionów i miliardów lat świetlnych rozszerza się w każdym kierunku, to galaktyki z tych samych grup i gromad niekoniecznie muszą się oddalać od siebie (np. Droga Mleczna i Galaktyka Andromedy się do siebie zbliżają). Astronomowie zastanawiali się, czy ekspansja Wszechświata, odkryta w 1929 r. przez Edwina Hubble’a, nie mogłaby zostać zatrzymana również w skali całego Wszechświata, a nie tylko gromad galaktyk, co doprowadziłoby do Wielkiego Kolapsu – przeciwieństwa Wielkiego Wybuchu, od którego ta ekspansja Wszechświata się zaczęła przed kilkunastoma miliardami lat. Było jasne, że przyszłość ekspandującego Wszechświata zależy od bilansu jego masy i energii, w tym przede wszystkim – jak się wydawało – niewidocznej ciemnej materii. Jednak kluczem do zrozumienia przyszłości Wszechświata był także pomiar tempa jego ekspansji.
Ze względu na skończoną prędkość światła obserwacje dalekiego Wszechświata to swoisty wehikuł czasu. Przykładowo, obserwując galaktyki z gromady Coma, widzimy je takimi, jakie były około 320 milionów lat temu, możemy więc badać tempo rozszerzania się Wszechświata w ciągu ostatnich 320 milionów lat. A co gdybyśmy sięgnęli dalej? Używając najpotężniejszych teleskopów, przystąpiono pod koniec XX w. do pomiarów odległości dalekich galaktyk, którą można oszacować m.in. z obserwowanej jasności wybuchających gwiazd, tzw. supernowych Ia. Wiadomo, że w danym momencie im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej się od nas oddala, a jednocześnie spodziewano się, że to tempo oddalania się równo odległych galaktyk w różnych momentach dziejów Wszechświata powinno stale spadać w czasie w wyniku hamowania wywołanego grawitacją. Ku zaskoczeniu astronomów okazało się, że jest inaczej.
Mechanizm wybuchu supernowych Ia jest taki, że eksplodują one z jednakową mocą (są niczym „świece standardowe” – każda tak samo jasna, jeśli obserwujemy je z tej samej odległości), zatem ich obserwowana jasność powinna zależeć od odległości. Tymczasem „świece standardowe” w dalekim Wszechświecie, jakimi są supernowe Ia, były nadspodziewanie słabe w stosunku do tego, czego można by oczekiwać z tego, co już było wiadomo o odległościach ich macierzystych galaktyk wyznaczanych inną metodą – z przesunięcia ku czerwieni w widmach galaktyk. Wcześniejsze dane dość dobrze opisywały tempo oddalania się bliższych galaktyk, ale ekstrapolacja tego tempa (opisywanego tzw. stałą Hubble’a) wyraźnie nie działała na większych skalach, sugerując, że ekspansja Wszechświata przyspiesza od około 5 miliardów lat. Wygląda więc na to, że w dającej się przewidzieć przyszłości Wszechświatowi nie tylko nie grozi Wielki Kolaps, ale i będzie rozszerzał się coraz szybciej, a nie coraz wolniej, jak sądziła większość astronomów jeszcze do 1998 r.
Pod koniec lat 90 było to dość zaskakujące odkrycie dla obserwatorów, za które przyznano Nagrodę Nobla z fizyki w 2011 r. Jednak dwaj profesorowie fizyki – James Peebles (Noblista z fizyki w 2019 r.) i Bharat Ratra – byli mniej zaskoczeni tym odkryciem. Już dekadę wcześniej – w 1988 r. – zaproponowali model Wszechświata z ciemną energią, która może być wyjaśnieniem fenomenu przyspieszającej ekspansji Wszechświata. Teraz modele Wszechświata z ciemną energią przeżywają swój renesans, a prof. Bharat Ratra opowie w środę o 19:00 w naszym Planetarium, jaki jest aktualny stan badań ekspansji Wszechświata i przyczyn tego, dlaczego ona przyspiesza.
Bharat Ratra to wybitny profesor fizyki, specjalizujący się w kosmologii i fizyce cząstek. Prowadzi badania nad strukturą i ewolucją Wszechświata. Obecnie koncentruje się przede wszystkim na opracowywaniu modeli wielkoskalowych rozkładów materii i promieniowania we Wszechświecie oraz testowaniu tych modeli poprzez porównywanie przewidywań z danymi obserwacyjnymi. W 1988 roku, wraz z Jamesem Peeblesem, zaproponował pierwszy dynamiczny model ciemnej energii.
Krzysztof Kowalczyk,
Planetarium Centrum Nauki Kopernik
Więcej informacji:
Źródło: CNK
Publikacja: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: galaktyki w gromadzie Coma, odległej o około 320 milionów lat świetlnych, złożenie obrazów w świetle widzialnym i w podczerwieni. Fot. NASA/JPL-Caltech/L. Jenkins (GSFC)
