O kształcie Wszechświata i ciemnej energii

opowiada prof. Boud Roukema z Centrum Astronomii UMK

Kosmolog Boudewijn Roukema jest związany z UMK od 2002 r. W roku 2013, jako pierwszy uczony z toruńskiego uniwersytetu został nagrodzony w prestiżowym konkursie esejów naukowych. Konkurs, w którym startował, organizuje Gravity Research Foundation. Esej napisany przez kosmologa dotyczy ciemnej energii, o której zwykło się mawiać, że jest przyczyną przyspieszenia ekspansji Wszechświata. W swojej pracy Roukema podważył to twierdzenie, stosując teorię względności Einsteina. Pokazał, że przyspieszenie ekspansji można wytłumaczyć samą strukturą Wszechświata zdominowanego przez ogromne pustki oraz poprzez konsekwentne stosowanie teorii Einsteina do ich opisu. Od lat zajmuje się też badaniami kształtu (topologii) Wszechświata. Postaramy się wspólnie z nim przybliżyć oba tematy.




Kształtem Wszechświata zaczęto się interesować mniej więcej sto lat temu, kiedy Karl Schwarzschild zauważył, że Wszechświat mógłby być skończony i płaski, ale bez granic. Gdyby Wszechświat miał granice, byłoby to sprzeczne z zasadą kopernikańską, która wymaga, by Wszechświat w żadnym miejscu nie był wyróżniony. Granice sprawiają, że natrafiamy na miejsce odmienne od pozostałych. Riemann wskazał, że przestrzeń może być jednocześnie skończona i bez granic (np. jak powierzchnia kuli).

Einstein wprowadził model skończony z przestrzenią zakrzywioną dodatnio. Friedmann i Lemaitre dyskutowali o przestrzeni skończonej, nie tylko z krzywizną dodatnią, ale także zerową lub ujemną.

Dziś posługujemy się modelem standardowym, na który złożyli się Friedmann, Lemaitre, Robertson i Walker. Współcześnie Janna Levin z USA proponuje takie rozumowanie: elektrony, atomy, planety, gwiazdy, galaktyki mają skończoną masę i rozmiary – więc i ze Wszechświatem powinno być podobnie. Model skończony bez granic wydaje się bardziej naturalny. Na dzień dzisiejszy nie możemy jednak wykluczać, że Wszechświat jest nieskończony.

Kształt, jaki został nadany Wszechświatowi w pierwszych ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu, jest prawdopodobnie tym samym kształtem, który ma on dzisiaj. Stąd tak dużą wagę kosmologowie przywiązują do analizy mikrofalowego promieniowania tła. Chcą na tym zdjęciu niemowlęcego Wszechświata zobaczyć odbicia, regularności albo nieregularności charakterystyczne dla ugiętej przestrzeni. 

Nowa strategia szukania najlepszego modelu kształtu Wszechświata przez analizę map kosmicznego promieniowaniu tła była zaproponowana przez toruńską grupę kosmologiczną w 2008 r.  Pierwsze wyniki grupy toruńskiej faworyzują model dwunastościanu Poincarego, natomiast wyniki grupy z Ulm w Niemczech popierają model torusa. Do rozstrzygnięcia poprawności wspomnianych modeli, stanowiących alternatywę dla modelu płaskiego nieskończonego Wszechświata, konieczna jest analiza map nieba wykonanych przez teleskop WMAP  oraz przygotowanie strategii analizy map nieba wykonanych teleskopem Planck Surveyor. Badania są w toku, szczegółowe opracowanie można znaleźć w pracy licencjackiej Tomasza Kazimierczaka pt. „Testowanie modelu przestrzeni dwunastościennej Poincare jako topologicznego modelu Wszechświata”.

Postarajmy się teraz zrozumieć, jaka idea przyświeca Roukemie, gdy próbuje wyjaśnić, skąd bierze się pojęcie ciemnej energii.

Czy Ziemia i galaktyki istnieją? Oczywiście, że tak! To ewidentnie oznacza, że Wszechświat jest NIE-jednorodny! Podstawowe założenie Ogólnej Teorii Względności Einsteina, mówiące że krzywizna czasoprzestrzeni równa jest gęstości materii, jest bardzo prostą ideą. Niestety rozwiązanie równań dla naszego niejednorodnego Wszechświata jest trudne matematycznie. Prostsze jest założenie, że Wszechświat jest jednorodny (co jest równoznaczne z założeniem, że galaktyki i Ziemia nie istnieją!). W takim przypadku interpretacja obserwacji odległych supernowych według teorii Einsteina prowadzi do wniosku, że Wszechświat przyśpiesza swą ekspansję dzięki ,,ciemnej energii". Za odkrycie tego ,,przyspieszania" dwie grupy kosmologów otrzymały w roku 2011 nagrodę Nobla z dziedziny fizyki. Jednak, czy nie byłoby lepiej przyznać, że galaktyki i nasza Ziemia istnieją? Czy ,,ciemna energia'' to tylko artefakt sposobu obliczania i zbyt uproszczonych założeń?

Praca wyjaśniająca to zagadnienie i punkt widzenia toruńskiego kosmologa ukazała się z datą 30 marca 2013 r. pod tytułem „Dark energy with rigid voids versus relativistic voids alone”.


Zachęcamy do obejrzenia i wysłuchania wykładu prof. Roukemy, wyjaśniającego podstawy teorii względności (pierwszy film), podstawy współczesnych modeli kosmologicznych (drugi film), skąd wziął się pomysł napisania pracy o ciemnej energii (film trzeci) oraz na czym polega jej istota (film czwarty). Prof. Boud Roukema opowiada w języku angielskim, ale pracujemy już nad tłumaczeniami tych materiałów.

 

Tekst i układ html: K. Rochowicz







© GK