Jakiś czas temu, napisałem artykuł pod nieco koślawym tytułem - "W jaki sposób wszechświat się rozszerza". Wyjaśniłem, a przynajmniej próbowałem wyjaśnić zjawisko ekspansji wszechświata. Opisywałem sposób i tempo oddalania się galaktyk. Wyróżniłem te, które są możliwe do obserwacji, oraz takie, które już schowały się za horyzont naszego postrzegania.

Teraz tematyka będzie podobna, tylko ugryziona z drugiej strony. Zastanowimy się jak wyglądają oddalające się galaktyki. Czy dalekie galaktyki różnią się czymś od tych bliższych? Jak wyglądają te, które chowają się za horyzont? W skrócie: nie o tym co widzimy, ale raczej – jak?

Zdaję sobie sprawę, że mało kto tamten artykuł przeczytał (zachęcam, pozwala to na dokładniejsze zrozumienie tematu). Dlatego na początek, krótkie streszczenie.

Ekspansja wszechświata

Wszechświat się rozszerza, znakomita większość galaktyk widocznych na nocnym niebie oddala się od nas. Co więcej, im dalej taka galaktyka się znajduje – tym oddalanie jest szybsze. Nie jesteśmy w szczególnym miejscu we wszechświecie. Każdy obserwator, w dowolnym punkcie, zobaczyłby mniej więcej to samo.

Ekspansja wynika z rozszerzania się samej przestrzeni. Część galaktyk wykonuje ruchy własne, ale dominujący wkład ma tutaj wzrost przestrzeni między nimi. To właśnie dlatego obserwujemy ich ucieczkę. Odległe galaktyki, z naszej perspektywy, mogą oddalać się z prędkością większą niż prędkość światła. Teoria względności nie jest złamana. Ponieważ to nie galaktyki się poruszają, tylko rośnie przestrzeń oddzielająca je od siebie.

Ma to ciekawe konsekwencje dla galaktyk znajdujących się odpowiednio daleko. Ich światło nie jest w stanie do nas dotrzeć. Przestrzeń między nimi, a nami rośnie zbyt szybko. Przypomina to biegacza na automatycznej bieżni - jeśli biegnie zbyt wolno, cofa się. To samo spotyka promień światła zmierzający w naszą stronę. Nigdy nie dotrze do naszych oczu.

Granicę między tym, co możemy zobaczyć, a czego już nie, wyznacza kosmologiczny horyzont zdarzeń. Galaktyka, która w wyniku ekspansji przestrzeni przekroczyła horyzont – jest dla nas stracona. Promień światła, oraz każda wysłana z niej informacja, nigdy do nas nie dotrze. Związek przyczynowo-skutkowy między nami zostaje zerwany.

Po bardziej szczegółowe informacje zapraszam do przytaczanego już artykułu. Tutaj postaram się opisać ważne zjawisko towarzyszące ucieczce galaktyk - przesunięcie ku czerwieni. Jednak najpierw wypada po krótce opisać czym jest światło, oraz dlaczego ma różne kolory.

Promieniowanie elektromagnetyczne

Światło widzialne jest malutkim wycinkiem znacznie szerszego zjawiska – promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie zwykle kojarzy się nam z czymś złym, nienaturalnym: "Panie, to raka powoduje i kury nie chcą się nieść!". Jednak jest to bardzo powszechna rzecz, czasami może być groźna, ale jednocześnie jest niezbędna do życia. Praktycznie wszystko emituje promieniowanie elektromagnetyczne – nawet nasze ciała.

Promieniowanie elektromagnetyczne to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. A mówiąc po ludzku: promieniowanie elektromagnetyczne możemy interpretować jako strumień fotonów - cząstek elementarnych bez masy spoczynkowej. Fotony z ekranu na którym teraz to czytacie, lecą do waszych oczu. To jest promieniowanie elektromagnetyczne.

Fotony, cząstki promieniowania, posiadają właściwości falowe. W zasadzie możemy je interpretować dwojako, jako cząstka, albo jako fala. Nie jest to tylko interpretacja. W rzeczywistości fotony wykazują właściwości falowe i cząsteczkowe. W zależności od okoliczności, użyteczny jest konkretny opis.

W przypadku tego artykułu, skupimy się na właściwościach falowych, nie martwiąc się za bardzo cząsteczkami.

A więc - promieniowanie elektromagnetyczne jest falą. Fala posiada długość. Często rysuje się ją jako coś w rodzaju wężyka, jak na rysunku poniżej. Długość fali, to odcinek między dwoma szczytami, bądź dwiema dolinami.

Rysunek przedstawiający sposób mierzenia długości fali promieniowania elektromagnetycznego

Od długości fali zależy rodzaj promieniowania. Przykładem promieniowania o krótkiej długości fali jest promieniowanie gamma, natomiast długiej - promieniowanie radiowe.

Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego

Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego

Promieniowanie radiowe, mikrofalowe, podczerwone, światło widzialne, ultrafioletowe, rentgenowskie, gamma to wszystko przejawy tego samego zjawiska. Różnią się tylko długością fali. Ludzkie oko, w toku ewolucji, przystosowało się do odbierania promieniowania z zakresu światła widzialnego. Długości fali interpretujemy jako kolory. Długość 400nm widzimy jako światło niebieskie, wpadające w fiolet. 700nm to już światło czerwone.

Fotony światła przenoszą energię, im fala krótsza, tym energia przez nie przenoszona większa. Analogicznie, większej długości towarzyszy mniejsza energia pojedynczego fotonu. Foton promieniowania gamma, czy ultrafioletowego przenosi dużą energię. Może być ona potencjalnie niebezpieczna. Między innymi dlatego, przed wyjściem na ostre słońce, należy użyć kremu chroniącego przed promieniowaniem ultrafioletowym. Promieniowanie podczerwone, czy radiowe, jest zdecydowanie mniej destrukcyjne…

Zanim przejdziemy do tytułowego tematu, podsumujmy najważniejsze rzeczy:

  • Galaktyki oddalają się od siebie
  • Te które przekroczą nasz kosmologiczny horyzont zdarzeń, stają się dla nas niedostępne
  • Światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym
  • Promieniowanie elektromagnetyczne jest falą
  • Fala posiada długość
  • Krótszej długości fali towarzyszy większa energia pojedynczej cząstki promieniowania (fotonu)

I to właściwie wszystko co warto zapamiętać

Na czerwono

Spróbujmy prześledzić drogę promienia światła, jaki wysyła w stronę Ziemi galaktyka, oddalona o 100 milionów lat świetlnych. Nie uwzględniamy na razie ekspansji wszechświata.

Droga promienia światła, w statycznym wszechświecie

Nie dzieje się nic ciekawego. Promień przez sto milionów lat, spokojnie leci w naszym kierunku. W końcu dociera do Ziemi, a potem do naszych oczu. Obraz jaki widzimy przedstawia galaktykę przed stu milionów lat. Nie wiemy nawet, czy w momencie obserwacji ta galaktyka nadal istnieje. Spoglądając na niebo obserwujemy przeszłość. Odległości między galaktykami są kosmicznie duże (dosłownie), a światło zbyt wolne.

Jest to raczej powszechna wiedza i nie ma tutaj nic niezwykłego. Niemniej, obraz ten nie przedstawia rzeczywistego wszechświata. Przestrzeń się rozszerza. A galaktyki oddalają się od siebie.

Droga promienia światła, w prawdziwym wszechświecie

Galaktyka emituje światło. To zmierza w naszym kierunku. W tym samym czasie, z powodu rozszerzającej się przestrzeni, galaktyka się oddala. Kiedy dokonujemy obserwacji, możemy być prawie pewni, że znajduje się już o wiele dalej niż w momencie gdy wyemitowała fotony światła.

Ekspansja przestrzeni ma też wpływ na samo światło. Długość jego fali rośnie.

Im dłużej trwa droga światła przez wszechświat, tym coraz większa staje się długość jego fali. Rozszerzająca się przestrzeń „rozciąga” fotony światła, podobnie jak odległości między galaktykami. Widać to na animacji powyżej.

Światło, w przeciwieństwie do konwencjonalnej materii, nie jest związane jakimiś więzami. Nie opiera się ekspansji przestrzeni. A rozszerza się wraz z nią. Przykładowo, opuszczając galaktykę miało długość 500nm, co odpowiada światłu niebieskiemu. Po długiej podróży mogło ulec rozciągnięciu do 700nm, a to już światło czerwone. Oczywiście mogło tez rozszerzać się dalej, w przypadku wyjątkowo długiej drogi. Może wyjść poza zakres światła widzialnego i stać się promieniowaniem podczerwonym a nawet mikrofalowym

Analogicznie, coś co początkowo miało zbyt krótką długość fali by być interpretowane jako światło widzialne, podczas drogi przez pustą przestrzeń rozszerzyło się, umożliwiając obserwację przez nieuzbrojone oko.

Wskaźnik przesunięcia ku czerwieni (wydłużenia fali) oznacza się literką z. Galaktyka o przesunięciu ku czerwieni z = 0.5 ma długość fali o 50% dłuższą niż w momencie emisji. Z = 1.5 to już różnica o 150%. Wszystko z parametrem o takiej wartości lub dłuższym, oddala się od nas w tej chwili szybciej niż światło. Najdalsza wykryta galaktyka to GN-z11[1]. Jej przesunięcie to z = 11.1. Światło wyemitowane przez nią, potrzebowało aż 13.4 miliardów lat by do nas dotrzeć. Było to 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Galaktyka ta, znajduje się teraz 32 miliardy lat świetlnych stąd.

To nic w porównaniu do promieniowania mikrofalowego tła, o którym więcej możecie przeczytać w tym artykule. Rozeszło się ono 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, w jego przypadku: z = 1090![2] Jest to też największe możliwe kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni. Promieniowanie mikrofalowe tła jest najwcześniejszym rodzajem promieniowania elektromagnetycznego, które mogło swobodnie rozchodzić się we wszechświecie. Nic wcześniejszego nie znajdziemy. Oczywiście w miarę upływu czasu i ekspansji wszechświata, długość fali promieniowania mikrofalowego tła będzie się zwiększać, wyznaczając kolejną granicę.

Galaktyka GN-z11

Niektórzy mogą kojarzyć przesunięcie ku czerwieni z zjawiskiem Dopplera. Jest to podobny efekt, tylko wynikający z prędkości obiektu emitującego światło względem obserwatora. Natomiast nie wolno go mylić z kosmologicznym przesunięciem ku czerwieni. To są dwa różne zjawiska. Co prawda galaktyki wykonują ruchy własne, które nie są efektem ekspansji przestrzeni. Wtedy zjawisko Dopplera ma zastosowanie. Jednak ma znaczenie tylko dla pobliskich galaktyk. Na dłuższych dystansach, rzędu kilkudziesięciu milionów jego wpływ jest zaniedbywalnie mały.

Zabawy z czasem

Przesunięcie ku czerwieni to jeden z efektów, wynikających z ekspansji wszechświata. Niezbyt imponujący. Znacznie ciekawiej wygląda sprawa z czasem. Obserwując wydarzenia w odległej galaktyce, moglibyśmy zauważyć, że dzieją się nienaturalnie długo.

Załóżmy że mamy doskonały teleskop. Z łatwością możemy obserwować tarczę zegara na planecie w odległej galaktyce. Zegar został przywieziony z Ziemi, więc odmierza czas dokładnie tak samo jak nasze ziemskie egzemplarze.

Zaglądamy przez teleskop. Patrzymy na tarczę odległego zegara. Wydaje się dziwnie spowolniony. Kiedy na naszym ziemskim zegarze, wskazówka sekundowa wykona pełny obrót, na drugim - ledwo doszła do połowy tarczy.

Wygląda na to, że czas w odległej galaktyce płynie wolniej, wydarzenia dzieją się wyjątkowo długo, a ruchy jej mieszkańców są ospałe, rozciągnięte w czasie. Coś wyjątkowo dziwnego dzieje się z naszym obrazem. Co jest tego przyczyną?

Wyobraźmy sobie, że na obserwowanej galaktyce znajduje się nadajnik, który co jedną sekundę wysyła do nas foton światła. Foton leci przez pustą przestrzeń stając się coraz bardziej czerwony (co wiemy z poprzedniego rozdziału). Zaraz za nim, porusza się wystrzelony sekundę później partner, a za nimi kolejny. I tak dalej.

Długość fali fotonu uległa wydłużeniu (poczerwienienie). Ale co równie ważne - odległości między fotonami także ulegają wydłużeniu. Wszystko to, na wskutek ekspansji przestrzeni. Dlatego docierają do naszych oczu rzadziej, niż co początkową jedną sekundę.

Lepiej to widać na animacji.

Pozorne wydłużenie czasu spowodowane ekspansją wszechświata

Cały pakiet fotonów, wraz z przemierzaniem wszechświata ulega wydłużeniu. Odległości miedzy fotonami się zwiększają. Skutek jest oczywisty, informacje z odległej galaktyki docierają do nas rozciągnięte w czasie.

Coś co zostało nadane w jednosekundowych interwałach, może docierać do nas co dwie sekundy. Tak się dzieje w przypadku obiektu ze współczynnikiem z = 1 (długość fali światła przesunięta o 100%).

Powoduje to, że obrazy odległych galaktyk są poważnie zaburzone. Nie dość, że wydają się dziwnie czerwone, to jeszcze wszystkie wydarzenia dzieją się na nich nienaturalnie długo.

Oczywiście jest to tylko złudzenie widoczne dla odległego obserwatora. Mieszkańcy takiej galaktyki nie zauważyliby u siebie nic nadzwyczajnego. Co więcej, gdyby zechcieli spojrzeć w naszą stronę – zobaczyliby, że to u nas wszystko jest bardzo spowolnione. Perspektywa zależy od miejsca obserwacji.

Teoria ciekawa, czy są jakieś dowody na to rozciągnięcie czasu? Naturalnie. Co prawda naukowcy nie obserwują tarcz zegarów na krańcu wszechświata, ale mają inne, równie użyteczne narzędzie.

Supernowe typu Ia, to największe eksplozje obserwowane we wszechświecie. Dwie gwiazdy, orbitujące wokół siebie zderzają się, kończąc swój żywot w spektakularnie wybuchowy sposób. Widoczny nawet z krańców obserwowalnego wszechświata.

Animacja przedstawiająca wybuch supernowej typu Ia.

Dwa białe karły zderzają się z sobą, wywołując gigantyczną eksplozję

Wybuch przebiega w bardzo zbliżony sposób dla każdej supernowej typu Ia. Ma podobną jasność oraz czas trwania. Może posłużyć jak dość dokładny zegar do obserwacji pozornego spowolnienia czasu odległych obiektów.

I rzeczywiście, naukowcy zmierzyli czas wybuchu wielu supernowych typu Ia. Wyniki okazały się jednoznaczne – im dalej supernowa się znajduje, tym pozornie dłużej trwa jej eksplozja[3].

Spowolnienie czasu widoczne w odległych obiektach zostało potwierdzone.

Na krawędzi

Mamy więc dwa zjawiska wpływające na obraz odległych galaktyk. Przesunięcie ku czerwieni, oraz spowolnienie czasu. Choć różne, źródła obu należy szukać w rozszerzającej się przestrzeni. Uzbrojeni w tę wiedzę, możemy spróbować opisać wygląd galaktyki, która właśnie opuszcza nasz horyzont postrzegania. Z uwagi na względną ucieczkę z prędkością wyższą niż prędkość światła, znika z naszego pola widzenia. Ale czy aby na pewno zniknie? Uprzedzę fakty i napiszę, że tak. Ale sprawa nie jest tak trywialna, jak się pozornie wydaje.

W pierwszej kolejności przeanalizujmy obraz oddalającej się galaktyki z perspektywy pozornego spowolnienia czasu.

Galaktyka się oddala, w miarę wzrostu odległości fotony przez nią wysyłane docierają do nas coraz rzadziej. Obserwator interpretuje to jako spowolnienie czasu. Im dalej galaktyka się znajduje, tym wolniej wydaje się w niej płynąć czas.

Z biegiem lat galaktyka oddala się coraz bardziej, aż w końcu przekroczy granicę naszego kosmologicznego horyzontu zdarzeń. Od tej pory, żaden foton, a tym samym żadna informacja nie będzie w stanie do nas dotrzeć. Aby łatwiej sobie to wyobrazić, warto spojrzeć na poniższą animację.

Fotony wysyłane przez galaktykę, podczas przekraczania horyzontu zdarzeń

Nie jest ona do końca realistyczna, bo niesamowicie trudno to zilustrować. Jednak mam nadzieję, że ogólny sens tego zjawiska jest zrozumiały. Należy także uświadomić sobie, że w przeciwieństwie do animacji, fotony emitowane są z ogromną częstotliwością. Nawet po ich rozciągnięciu, obraz jaki do nas dociera jest spójny i ciągły. A wzrost przestrzeni między obserwowanymi fotonami interpretujemy tylko jako spowolnienie czasu.

Czas spowalnia coraz bardziej i bardziej, aż w końcu, kiedy obserwowany obiekt zbliża się do horyzontu zdarzeń – czas wydaje się zamierać. Obraz przykładowej galaktyki zostaje utrwalony w bezruchu na nocnym niebie. Tracimy fizyczną możliwość sprawdzenia co stało się z galaktyką po przekroczeniu przez nią kosmologicznego horyzontu zdarzeń. A wszystkie fotony, które zostały wyemitowane na krótko przed tym momentem – mają wyjątkowo długą drogę do naszych oczu. Przy samej granicy, różnice pomiędzy fotonami wyemitowanymi nawet zaraz po sobie, mogą być ogromne. Droga, a tym samym spowolnienie czasu rośnie wykładniczo. Niektóre mogą lecieć nawet przez dziesiątki czy setki miliardów lat. Kawał czasu, a to nie jest wcale wartość graniczna, bo jest nią nieskończoność.

No dobra, ale coś tutaj nie gra. Wszystkie najpopularniejsze teorie dotyczące odległej przyszłości wszechświata, zakładają że będzie on ciemny i zimny. Natomiast tutaj, wychodzi na to, że nocne niebo będą rozświetlały zamarznięte w czasie galaktyki. Których fotony przez miliardy, czy biliony lat samotnie przemierzały pustą przestrzeń.

Pozorny paradoks da się rozwikłać, dodając do naszego modelu zjawisko przesunięcia ku czerwieni.

Wieki ciemne

Rzeczywiście, obraz odległej galaktyki może być bardzo spowolniony, nawet pozornie zamrożony w czasie. Ale jednocześnie przesunięcie ku czerwieni takiego obiektu, będzie gigantyczne. Każdy foton, z pewnością dawno już przekroczy zakres światła widzialnego. Stanie się promieniowaniem radiowym, niewidzialnym dla ludzkiego oka. A z czasem, niewykrywalnym nawet dla najbardziej zaawansowanych detektorów. Wraz ze wzrostem długości fali (nawet większej niż Układ Słoneczny!), energia pojedynczego fotonu promieniowania maleje. Staje się tak słabe, że praktycznie niemożliwe do detekcji. Po przekroczeniu długości obserwowalnego wszechświata, niewykrywalne także teoretycznie.

Nie zobaczymy zatem zamarzniętych galaktyk na nocnym niebie. Oddalająca się galaktyka będzie coraz bardziej czerwona, a potem wykrywalna tylko przez ogromne anteny. W końcu jej wykrycie przekroczy nasze możliwości i każdej innej zaawansowanej cywilizacji.

Smutny wniosek z tego jest taki: w odległej przyszłości wszechświat będzie ciemnym i pustym miejscem. Zresztą, do tego czasu Słońce wybuchnie, ponieważ zostało mu około 5 miliardów lat. Natomiast galaktyki spoza naszej gromady staną się niewykrywalne za mniej więcej 2 tryliony lat…[4] Ich przesunięcie ku czerwieni przekroczy skromne z = 1053. Ale tym martwić się już raczej nie będziemy.

No właśnie, wszystko to jest bardzo, bardzo odległa przyszłość. Przypominam, galaktyka z najdalszym przesunięciem ku czerwieni (oraz spowolnieniem czasu), obecnie wykryta ma z = 11.1. To śmiesznie małe wartości. Nie należy się spodziewać niczego więcej przez najbliższe miliardy lat. Galaktyka, która właśnie teraz przekracza kosmologiczny horyzont zdarzeń, znajduje się 15.46 miliardów lat świetlnych stąd [5]. Minie szmat czasu, zanim światło od niej do nas dotrze (wcale nie 15 miliardów lat, tylko z uwagi na ekspansje wszechświata, wielokrotnie później).

Więc wszystkie te rozważania, o znikających galaktykach to pieśń odległej przyszłości. Wszechświat jest jeszcze młody (niecałe 14 miliardów lat), dużo przed nim. Obecnie, możliwe do obserwacji są tylko stosunkowo małe przesunięcia i niewielkie spowolnienia czasu.

  1. Ilustracja tytułowa, centrum galaktyki widziane w podczerwieni. NASA, ESA, Q.D. Wang (University of Massachusetts, Amherst), and STScI
  2. Galaktyka GN-z11. NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)
  3. Animacja eksplozji supernowej. ESO/L. Calçada