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”.
Tekst i układ html: K. Rochowicz