Kurgi plečiasi toji Visata?

Visame spaudos pranešimų šurmulyje galima rasti daugybę įvairiausių paaiškinimų, kaip čia ta Visata plečiasi, kodėl ji plečiasi, kodėl greitėja ir taip toliau. Deja, dažnai tie paaiškinimai būna labai per trumpi arba išvis kažkur į lankas nusivažiavę (nors pasitaiko ir tikrai kokybiškų). Taigi, kaip ir ne viena kita mokslinė teorija ar modelis, Visatos plėtimasis dažnai yra blogai suprantamas, tas blogas supratimas veda prie blogų aiškinimų, ir klaidingi įsivaizdavimai plinta toliau. Čia pabandysiu ištaisyti keletą klaidingų idėjų ir papasakoti, kaip išsivystė mūsų dabartinis supratimas apie Visatos raidą ir kur jis gali vystytis toliau.

Nuo ko viskas prasidėjo – Edvinas Hablas

Prieš šimtą metų Amerikoje gyveno astronomas, vardu Edvinas Hablas (Edwin Hubble). Jis labai mėgo žiūrėti į keistus ūkus, kurių buvo žinoma daugybė, tačiau mokslininkai nesutarė, kas tai per dalykai. Tuo metu egzistavo dvi teorijos: viena teigė, kad ūkai yra labai toli, už mūsų Galaktikos ribų, ir kad kai kurie netgi yra kitos galaktikos, panašios į mūsiškę. Antrosios teorijos šalininkai galvojo visiškai priešingai – kad ūkai tėra dujų debesys ar žvaigždžių spiečiai mūsų Galaktikoje, ir nieko daugiau Visatoje nėra.

Trečiojo dešimtmečio pradžioje jaunasis Hablas atliko daugybę ūkų stebėjimų. Kai kuriuose ūkuose jis aptiko kintamųjų žvaigždžių, vadinamų cefeidėmis. Šių žvaigždžių šviesio kitimo periodas labai glaudžiai koreliuoja su jų absoliutiniu ryškiu, taigi išmatavus periodą bei regimąjį ryškį, galima nustatyti ir atstumą iki žvaigždės. Atlikęs šiuos skaičiavimus, Hablas 1925-ųjų metų pradžioje įrodė, jog bent kai kurie ūkai yra per toli, kad galėtų būti Paukščių Tako dalis. Tai buvo galutinis argumentas, privertęs mokslo bendruomenę pripažinti, jog mūsų Galaktika nėra vienintelė Visatoje.

Galaktikų stebėjimus Hablas tęsė ir toliau. Jis nebuvo vienintelis, tuo užsiiminėjantis – daugybė astronomų nukreipė savo teleskopus ir prie jų prijungtus matavimo prietaisus į „ūkus“. Dar gerokai anksčiau kitas amerikietis, Vestas Slaiferis (Vesto Slipher) nustatė, jog daugumos ūkų spektrai yra pasislinkę į raudonąją pusę; tai reiškia, kad ūkai nuo mūsų tolsta. Hablas, pasinaudodamas savo paties galaktikų nuotolių matavimais bei Slaiferio ir kitų mokslininkų surinktais raudonojo poslinkio (t. y. judėjimo greičio) katalogais, aptiko, jog toliau esančios galaktikos tolsta greičiau, nei artimos. Sąryšis tarp atstumo ir tolimo greičio pasirodė besąs tiesinis, t. y. greitis lygus atstumui, padaugintam iš tam tikros konstantos. Ši konstanta bei pats dėsnis pavadinti Hablo vardu.

Kas gi iš tiesų plečiasi?

Hablo atrastasis sąryšis buvo visiškai empirinis, t. y. paremtas stebėjimais, bet neturintis teorinio pagrindo. Hablas tą puikiai suprato, bet interpretuoti atradimo pats nebandė, o paliko šį darbą kosmologams, kurie visai neseniai buvo atradę šį bei tą derančio prie stebėjimų rezultatų. Kosmologija tuo metu buvo tik neseniai užgimusi astronomijos atšaka, prasidėjusi nuo teorinių išvedžiojimų apie bendrąją reliatyvumo teoriją. Pagrindinė šios teorijos lygtis, vadinama Einšteino lauko lygtimi (Einstein field equation; kartais ji aprašoma kaip dešimties lygčių rinkinys, bet tai yra tapatūs dalykai), nusako sąryšį tarp materijos (arba energijos) ir jos sukeliamo erdvės iškreiptumo. Lygties sprendiniai, vadinami erdvėlaikio metrikomis, nusako Visatos erdvės savybes ir evoliuciją, esant skirtingam materijos pasiskirstymui. Bendru atveju lygtis algebriškai yra neišsprendžiama, tačiau atskirais atvejais sprendiniai egzistuoja ir buvo atrasti. Pavyzdžiui Švarcšildo metrika aprašo erdvę aplink sferiškai simetrišką nesisukantį kūną.

Dar vienas dalykas, kurio nevalia pamiršti nagrinėjant FLRW metriką ir iš jos kylantį kosmologinį modelį, yra mastelis, kuriuo jie galioja. Nors pati metrika, kaip jau minėjau, leidžia plėtimąsi bet kokiu masteliu, tai tikrai nereiškia, kad jūsų kojų pirštai tolsta nuo nosies dėl Visatos didėjimo. Čia svarbu tai, kad kosmologinis principas – prielaida, kuria remiasi visas modelis – galioja tik masteliais, didesniais už galaktikų spiečius. Pažvelgus į erdvę mažesniu masteliu, jokio tolygumo nematome: galaktikos buriasi į grupes, pačiose galaktikose tankis taip pat labai nevienodas. Taigi ir modelis netinkamas, o Einšteino lauko lygties sprendinio galaktikų spiečiams ir galaktikoms neturime. Belieka pasitenkinti tuo, kad galaktikų judėjimą pakankamai gerai aprašyti galime Niutono mechanikos dėsniais.

Paskutinė FLRW metrikos įdomybė ateina iš Einšteino lauko lygties. Joje yra vienas narys, paprastai žymimas graikiška raide Λ (lambda) ir vadinamas kosmologine konstanta. Jo įtaka FLRW metrikai pasireiškia tuo, kad priklausomai nuo Λ vertės bei ženklo (t. y. ar jis teigiamas, ar neigiamas), erdvės plėtimasis gali būti greitesnis arba lėtesnis, nei turėtų būti dėl materijos įtakos. Kai Einšteinas išvedė lauko lygtį, buvo manoma, jog Visata yra nejudanti ir nekintama; Λ narys buvo reikalingas tam, kad „palaikytų“ Visatą tokią. Kai buvo atrastas Visatos plėtimasis, kosmologinė konstanta iš lygčių išbraukta kaip fizikinės prasmės neturintis dydis. Einšteinas ankstesnį šio nario įtraukimą yra pavadinęs „didžiausiu liapsusu“. Tačiau po daugiau nei pusšimčio metų pasirodė, kad tas liapsusas nebuvo toks jau didelis.

Nauji matavimai ir supernovos

FLRW metrika davė pagrindą kosmologiniam modeliui, vadinamam Didžiuoju sprogimu. Pagal šį modelį, Visata yra baigtinio amžiaus, atsirado iš vieno begalinės temperatūros ir tankio taško, ir nuo tada plečiasi. Plėtimasis vyksta visomis kryptimis ir visur vienodai. Visatos masė-energija susideda iš materijos (paprastos ir tamsiosios), nykstamai mažą papildomą įnašą duoda fotonai, o kosmologinė konstanta neegzistuoja. Modelis, sukurtas XX a. viduryje, jau septintajame dešimtmetyje išstūmė savo pagrindinę konkurentę „nuolatinio būvio Visatos“ teoriją (steady-state Universe) ir vėliau buvo nagrinėjamos beveik vien tik modelio detalės.

Tačiau teorijoje žiojėjo nemaža skylė – stebėjimų duomenų trūkumas. Tolimiausios galaktikos su išmatuotais ir nuotoliais, ir judėjimo greičiais (šie du matavimai, norint patikrinti Hablo dėsnį ir kosmologinius parametrus, turi būti atlikti nepriklausomai) buvo „vos“ už keleto šimtų megaparsekų, atitinkančios žiūrėjimą į maždaug milijardo metų praeitį. Palyginus su Visatos amžiumi – beveik 14 milijardų metų – tai visai nedaug. Tolimesnėse galaktikose nebebuvo įmanoma įžiūrėti cefeidžių ir daugelio kitų objektų, vadinamųjų „standartinių žvakių“ (standard candles), kurių dėka pavykdavo nustatyti atstumus, nesiremiant spektrine informacija.

XX a. pabaigoje buvo atrasta dar viena standartinė žvakė, kurios šviesio pakako stebėjimams tūkstančių megaparsekų nuotoliu. Tai – Ia tipo supernovos, Saulės masės ir panašių žvaigždžių liekanų, vadinamų baltosiomis nykštukėmis, sprogimai, šioms dvinarėse sistemose „persivalgius“ ir viršijus kritinę masės ribą, lygią 1,4 Saulės masėms. Ribos egzistavimas nulemia, jog kiekviena Ia tipo supernova turėtų išspinduliuoti labai panašų energijos kiekį; stebėjimai rodo, kad taip ir yra. O jei nagrinėjame ne patį šviesį, bet jo koreliaciją su supernovos blausimo greičiu, tai sąryšis tampa dar tvirtesnis. Žinodami objekto šviesį bei išmatavę jo regimąjį ryškį, nesunkiai galime gauti ir atstumą iki objekto. Kosmologijoje šitaip išmatuotas atstumas vadinamas šviesio atstumu (luminosity distance) ir gali būti išreikštas per Hablo konstantą, raudonąjį poslinkį (randamą išmatavus supernovos spektrą) ir Visatos lėtėjimo parametrą.

Lėtėjimo parametras – vienas iš svarbiausių kosmologinį modelį aprašančių skaičių. Jis parodo, kaip smarkiai lėtėja Visatos plėtimasis. Lėtėjimas, o ne greitėjimas, parametrui įvardinti pasirinktas neatsitiktinai; ilgą laiką buvo manoma, jog Visata, užpildyta vien materija, dėl gravitacijos turėtų plėstis vis lėčiau, galų gale sustoti ir pradėti trauktis atgal. Buvo teorinių paskaičiavimų, kokia galima parametro vertė, tačiau stebėjimais jų patvirtinti ar paneigti nepavyko iki pat Ia tipo supernovų panaudojimo.

Nuodugniais kosmologiniais tyrimais, naudojant Ia tipo supernovų duomenis, praeito amžiaus paskutiniame dešimtmetyje užsiėmė dvi tyrėjų grupės: Supernovų kosmologijos projektas (Supernova Cosmology Project, SCP) ir Didelio raudonojo poslinkio supernovų paieškos komanda (High-z Supernova Search Team, Hi-zSST). Abi komandos yra tarptautinės, nors joms vadovauja JAV dirbantys mokslininkai. Per keletą metų, maždaug nuo 1994-ųjų iki 1998-ųjų, įvairių teleskopų pagalba buvo atrastos kelios dešimtys supernovų, nutolusių nuo mūsų per daugiau nei 100 megaparsekų, bei išmatuoti jų spektrai. Remdamiesi gautais duomenimis, ir vienos, ir kitos grupės atstovai nepriklausomai priėjo prie išvados, jog lėtėjimo parametras yra... neigiamas. Tai reiškia, kad Visatos plėtimasis iš tikro greitėja, ir tai prasidėjo maždaug prieš 5 milijardus metų (tai atitinka raudonąjį poslinkį z = 0.5). Tyrimai, besiremiantys vien artimesnėmis supernovomis, negalėjo nustatyti Visatos raidos pokyčių tokiais dideliais laiko tarpais, o per paskutinį milijardą metų plėtimosi greitis pakito tiek mažai, kad jo neįmanoma išskirti iš matavimų paklaidų.

Bet ar tikrai?

Nauji rezultatai privertė suklusti viso pasaulio kosmologus. Visatos plėtimosi greitėjimas buvo statistiškai reikšmingas atradimas, t.y. tikrai ne stebėjimų paklaidos išdava. Tačiau, kaip ir beveik prieš šimtą metų Edvino Hablo atrastas Visatos plėtimasis, tai buvo empirinis rezultatas – stebėjimais paremtas dalykas, kurio fizikinė priežastis nežinoma. Įvairaus plauko tyrinėtojai kibo į darbą bandydami nustatyti, kur gali slypėti spartėjančio plėtimosi priežastis.

Viena galima rezultatų interpretacija yra labai konservatyvi. Galbūt iš tiesų Visatos plėtimasis nespartėja, o rezultatas gautas dėl nepakankamo supratimo apie supernovų sprogimus arba dėl kokio nors neįvertinto, bet gerai žinomo, fizikinio efekto? Pirmame teiginyje yra daug tiesos – apie supernovų sprogimus kol kas žinome tikrai nepakankamai daug, kad galėtume tvirtinti, jog ir ankstyvojoje Visatoje jie turėtų būti tokie patys, kaip ir dabar. Dėl antrojo dauguma mokslininkų sutaria, kad stebėjimų analizė atlikta pakankamai gerai; be to, ji buvo atlikta dar ne vieną kartą, gavus daugiau duomenų apie tas pačias ir kitas supernovas, ir rezultatai beveik nepakito. Be to, kitokio pobūdžio tyrimai – kosminės foninės spinduliuotės struktūrų matavimai, galaktikų būriavimosi į spiečius nagrinėjimas – patvirtina šią išvadą. Taigi šiuo metu jau beveik niekas neabejoja, kad greitėjantis Visatos plėtimasis yra realus.

Kas tempia Visatą?

Pagrindinė greitėjantį plėtimąsi aiškinanti teorija, tapusi kosmologinio modelio dalimi, teigia, jog didžiąją Visatos masės-energijos dalį sudaro ne materija, o paslaptingas darinys, vadinamas tamsiąja energija. Svarbiausias tamsiosios energijos bruožas – ji veikia taip, tarsi turėtų neigiamą slėgį, t.y. jos poveikis yra atvirkščias, nei gravitacijos. Taigi tamsioji energija „tempia“ Visatą į šalis, kai tuo tarpu materija bando ją sulaikyti. Bet Visatai plečiantis, mažėja materijos tankis, todėl jos trauka taip pat silpsta. O tamsiosios energijos kiekis, taigi ir tankis, nekinta – tai dar viena svarbi jos savybė. Taigi tamsiosios energijos poveikis, laikui bėgant, tampa vis reikšmingesnis, todėl ir Visatos plėtimasis greitėja ir greitės visada.