Viskas, ką žinome apie visatą – ir keli nežinomi dalykai

Koks visatos amžius?

Jei prieš šimtą metų kosmologo būtumėte pasiteiravę apie visatos amžių, tikriausiai išgirstumėte „begalinis“. Tai buvo būdas apeiti klausimą, kaip ji formavosi, o 1917 metais ši idėja įsitvirtino, Albertui Einšteinui pristačius savo bendrojo reliatyvumo teorija paremtą statiškos visatos modelį.Bendrasis reliatyvumas aprašo gravitaciją, jėgą, kuri formuoja visatą, mase lankstydama erdvėlaikį. Trečiojo dešimtmečio viduryje astrofizikas George'as Lemaître parodė, kad remiantis šia teorija, visata ne statiška, o plečiasi – tad anksčiau ji turėjo būti mažesnė. Lemaître’o idėja, kad kadaise viskas buvo sutelkta „pirminiame atome“, buvo transformuota septintajame dešimtmetyje, kai astronomai atrado seniausią visatos šviesą, kosminį mikrobangų foną. Tai rodė, kad viskas prasidėjo iš karštos, tankios būsenos: Didžiojo Sprogimo.

Dabar dauguma kosmologų yra įsitikinę, kad tai nutiko prieš maždaug 13,85 mlrd. metų. Šis skaičius paremtas visatos plėtimosi vertinimu, kuris nėra visiškai užtikrintas, kadangi skirtingi jo nustatymo metodai rodo skirtingas vertes (žr. „Kaip greitai plečiasi visata“). Galimas jos amžiaus spektras yra nuo 12 milijardų iki 14,5 mlrd. metų.

Galime tai patikrinti, remdamiesi kitu šaltiniu – seniausia žinoma žvaigžde. Aišku, kad HD140283, dar vadinama Matuzalio žvaigžde, yra itin sena, nes sudaryta praktiškai vien iš vandenilio ir helio, pagrindinių po DS susidariusių elementų. Dabar astronomai mano, kad visatai 14,46 ±0,8 mlrd. metų. Tad, ji gali būti šiek tiek senesnė, nei visata.

Bet faktas, kad seniausios rastos žvaigždės amžius toks artimas mūsų prielaidoms apie visatos amžių rodo, kad standartiniam kosmologijos modeliui – bendruoju reliatyvumu pagrįstam visatos vystymosi modeliui, kuriuo remdamiesi, gavome tokius vertinimus – niekas negresia. Kosmoso egzistavimo trukmė abejonių iš tiesų nekelia. Daugelio kitų visatos savybių atžvilgiu tokie užtikrint būti negalime.

Kokio dydžio yra visata?

Žvelgiant į naktinį dangų, nejučia kyla klausimas, kiek toli jis driekiasi. Didžiąją žmonijos istorijos dalį manyta, kad visata yra kažkas atskiro nuo Žemės ir ją supančių žvaigždžių – savotiška niekieno žemė tarp mūsų ir dangaus. Tačiau po XVII amžiaus mokslo revoliucijos astronomai sugalvojo ne vieną būdą, matuoti atstumus iki dangaus kūnų.

Šie metodai bendrai vadinami „kosminių atstumų kopėčiomis“. „Tai iš esmės vienas iš kito sekantis dalykas,“ sako Jamesas Schombertas iš Oregono universiteto. Kiekviena kopėčių pakopa statoma ant žemesnės, kol galiausiai pasiekiami dangaus kūnai, kurių šviesio pakanka įžiūrėti per didžiausius kosminiu tolius: galaktikos ir sprogstančios žvaigždės, vadinamosios supernovos.

Tai reiškia, kad galime išmatuoti visatą ar bent jau pamėginti. Tolimiausia žinoma galaktika yra GN-z11. Jos šviesa iki mūsų sklido 13,4 mlrd. metų – didžiąją visatos egzistavimo dalį. Per tą laiką erdvėlaikis išsiplėtė. Remiantis standartinio modelio numatomu plėtimusi, ši galaktika dabar yra už maždaug 32 milijardų šviesmečių nuo mūsų. Ekstrapoliuodami tai visai regimai visatai, astronomai jos diametrą įvertina 93 mlrd. šviesmečių, arba labai grubiai, 10²⁶ metrų (100 milijonų milijardų milijardų kilometrų).

Tačiau tai tėra atstumas iki tolimiausių dalykų, kuriuos galime matyti. „Nėra taip, kad nužingsniuoji 10²⁶ metrų ir atsimuši į plytų siena,“ sako Tony Padilla iš Nottinghamo universiteto, JK. „Visata driekias ir toliau.“

Kas yra už kosmologinio horizonto, negalime pamatyti, todėl keliame prielaidas, remdamiesi standartiniu kosmologijos modeliu. Dauguma kosmologų sutaria, kad iš karto po Didžiojo Sprogimo visata labai staigiai plėtėsi, vyko kosminė infliacija. Tai geriausiai paaiškina, kodėl po didžiojo sprogimo visatą didžiausiu mastu matome kaip glotnią ir tolygią, – homogenišką, nes pagal kvantinę teoriją, be infliacijos mažos energijos fluktuacijos įvairiose vietose būtų sukėlusios netolygų materijos pasiskirstymą. Be infliacijos šie netolygumai per visatos gyvavimo laiką nebūtų spėję susilyginti.

Jei vyko infliacija, tuomet visata turi būti daug didesnė, nei galime matyti. Nors infliaciją sukėlęs numanomas daug platesnės visatos „infliacijos“ laukas mūsų regione sustojo, kitur jis ir toliau turėtų kelti vis naujas infliacijas. „Tokiuose [amžinos infliacijos] scenarijuose visatos būna labai didelės, iš tiesų nesuvokiamai milžiniškos,” sako Padilla.

Ar tai mūsų visatos dalys, ar atskiri vieniai – požiūrio klausimas (žr. „Kiek yra visatų?”). Tačiau aišku, kad norint suprasti už kosmologinio horizonto esančios visatos dydį, turime geriau perprasti pirmuosius visatos momentus.

„Jei vyko infliacija, tuomet visata turi būti daug didesnė, nei galime matyti.”

Kokiu greičiu visata plečiasi?

Erdvėlaikis visada didėja, kaip orkaitėje kylanti tešla. Stebėjimais tai įrodyta 1929 m., kai astronomaas Edwinas Hubble'as pademonstravo, kad tolimos galaktikos nuo mūsiškės tolsta greičiau, nei artimos. Netgi pavyko išmatuoti plėtimosi tempą – greitį, kuriuo per sekundę išsiplečia kiekvienas milijonas parsekų erdvės, – matuojant atstumus iki tolimų galaktikų ir lyginant šiuos atstumus su raudonuoju poslinkiu – kiek pailgėja tolimų galaktikų skleidžiamos šviesos bangų ilgis dėl visatos plėtimosi.

Šio amžiaus pradžioje Hubble kosminiu teleskopu išmatuotas dabartinis plėtimasis buvo beveik 75 kilometrai per sekundę megaparsekui. Kosmologai manė pagaliau užtikrintai nustatę šį rodiklį. Tereikėjo išmatuoti, kiek ši sparta lėtėja dėl visatos materijos ir energijos traukos. Gautas atsakymas viską sugriovė.

Praėjusio amžiaus gale buvo atrasta, kad plėtimasis ne tik nelėtėja, o spartėja ir dabartinė fizika to paaiškinti negali. Vienintelis dalykas, kuriuo buvo galima bandyti aiškinti, buvo Einšteino į BRT lygtis įtrauktas faktorius, kai jis manė, kad visata yra statiška. Pareguliuota „kosmologinė konstanta“, gravitacijos sukeliamą plėtimosi lėtėjimą galėjo apsukti ir sukelti spartėjantį plėtimąsi. Taip gimė paslaptingas standartino kosmologijos modelio priedas – tamsioji energija.

2013 metais Europos kosmoso agentūros (ESA) palydovu Planck sudarytas tiksliausias kosminio mikrobangų fono vaizdalapis kortas sumaišė dar labiau Palydovo duomenis pateikus standartiniam modeliui, paaiškėjo, kad visata turėtų plėstis 68 km/s/mpc sparta – lėčiau, nei sparta, gauta iš supernovų stebėjimų.

Siekdami šiuos du rezultatus sulyginti, fizikai perpatikrino visus skaičiavimus ir peržiūrėjo galimus klaidų šaltinius, tačiau neatitikimas ne tik neatsitraukė, o padidėjo. Tokia įtampa reiškia, kad standartiniu modeliu negalime apibūdinti regimos visatos. Kai kurie kosmologai svarsto, ar nereikėtų peržiūrėti modelio kertinio akmens – bendrojo reliatyvumo.

O čia vietos judėti yra. Tessa Baker, kosmologė iš QMUL, sako, kad nors gravitacijos testai, atlikti Saulės sistemoje ir kitose specifinėse situacijose, yra nepaprastai tikslūs, didžiausiu kosmologiniu masteliu dar gravitacija gali veikti kitaip, nei numatyta Einsteino teorijoje. „Gravitacijos veikimo megaparsekų eilės mastu eksperimentų ribos išties silpnos,” – sako ji. „Tikėtina, kad gravitacija tokiu mastu 10 – 20% stipresnė.“

Fizikos teoretikams, tai, aišku, vienas smagumėlis. Bet Chrisas Van Den Broeckas iš Nyderlandų Nacionalinio subatominės fizikos instituto Amsterdame standartiniam modeliui mirties nuosprendžio skelbti dar neskuba. „Įtempimas yra, bet dar nesu įsitikinęs, kad reikėtų panikuoti,“ sako jis.

Kiek sveria visata?

Kosmologai jau seniai bando suskaičiuoti, kiek visokio gėrio yra visatoje, kas visai nėra lengva – labiausiai dėl to, kad didžioji jo dalis nematoma.

Tarkime, nesąveikaujanti su šviesa tamsioji materija. Šis paslaptingasis masės šaltinis turėjo paaiškinti stebimą galaktikų ir galaktikų spiečių elgesį, kai paaiškėjo, kad vien regimos masės gravitacinės traukos tam negana. Nuo tada jis tapo gyvybiškai svarbiu standartinio modelio komponentu, savo nematoma ranka lipdančiu kosmoso struktūrą.

Tamsiosios materijos vis dar neaptikome. Tačiau iš materijos ir energijos sąveiką ankstyvojoje visatoje rodančių temperatūros fluktuacijų pėdsakų kosminiame mikrobangų fone fizikai gali įvertinti jos santykį su įprasta materija.Pasirodo, tamsiosios materijos masė persveria normalią, [barioninę] materiją santykiu, didesniu, nei 5 su 1. Visata sudaryta iš maždaug 5% įprastos materijos, 27% tamsiosios materijos, o likę 68 procentai – kita paslaptinga masės/energijos forma – tamsioji energija. Tai žinoma tvirtai – bent jau kol kas.

Tačiau neseniai kilo neaiškumų, matuojant galaktikų tarpusavio trauką 8 kiloparsekų atstumu. Šios savybės, vadinamos sigma-8, vertė priklauso nuo visatoje esančios masės, nes tai gravitacija, kurią sukelia šiuos spiečius sutelkianti masė. Ją galime išmatuoti, remdamiesi stebėjimais arba numatyti, remdamiesi standartiniu modeliu. Ir vėl tikslūs matavimai rodo nerimą keliantį neatitikimą.

Remiantis nustatytais skirtingų materijos rūšių santykiais ir bendrosios reliatyvumo teorijos aprašomu gravitacijos elgesiu, pagal standartinį modelį sigma-8 turėtų būti 0,81. Bet 2017 metais Hendriko Hildebrandto iš Ruhro universiteto Bochume, Vokietijoje su kolegomis išmatuota reikšmė buvo kitokia. Jis su komanda panaudojo vadinamąjį silpnąjį gravitacinį lęšiavimą, kuriuo matuojamas tolimų galaktikų šviesos iškraipymas, sukeliamas tarp jų ir mūsų esančių masyvių objektų. Jų gauta sigma-8 reikšmė buvo 0,74, kas rodo, kad visatoje mažiau materijos, nei numato standartinis modelis.

Būsimuose stebėjimuose antžemine Vera Rubin observatorija ir ESA kosminė Euclid misija numatyta skirti laiko šiam rodikliui patikslinti. Jei neatitikimas liks, jį reikės paaiškinti. Jeigu jo paaiškinti nepavyks, tai bus dar viena priežastis susimąstyti apie būtinybę peržiūrėti standartinį kosmologijos modelį.

„Naujausi matavimai rodo, kad visatoje mažiau materijos, nei tikėtasi“

Kokia visatos forma?

Kalbėdami apie visatos formą, kosmologai omenyje turi visą erdvėlaikio formą. Besiplečiančioje visatoje iš esmės yra dvi galimybės. Jei visos materijos sukeliama gravitacija stipresnė už plėtimąsi, ji galiausiai viską sutrauks į vieną vietą. Šiuo atveju, mes gyvename „uždaroje“, arba „sferiškoje“visatoje. Tačiau jeigu plėtimąsi sukelianti jėga nugalės gravitaciją, tuomet visata yra „atvira“, arba nuolatos besiplečianti, balno formos visata (žr. „Cosmic contours“, žemiau).

Bet visata atrodo tiksliai įsiterpusi tarp šių dviejų reikšmių. Kosminės infliacijos teorija padeda paaiškinti šį neatitikimą, išlygindama erdvėlaikio išlinkimo suvokimą, ir plokščios visatos idėja įsišaknijusi kosmologijos standartiniame modelyje. Tačiau įtarimų esama.

Alessandro Melchiorri iš Sapienza universiteto Romoje yra komandoje, tiksliausiu lygiu analizavusioje KMF temperatūros fluktuacijas užfiksavusius naujausius Plancko misijos duomenis. Vienas iš tyrėjų analizuotų dalykų buvo KMF spinduliavimo iškraipymas gravitaciniu lęšiavimu. Jie aptiko daugiau lęšiavimo, nei prognozuoja standartinis kosmologijos modelis – nebent atmestume prielaidą, kad visata yra plokščia. „Paderinus modelį, kad kreivumas varijuotų, aiškėja, kad geriausias sprendimas yra uždara visata su daugiau tamsiosios materijos,“ sako Melchiorri.

Bet kaip Melchiorri su kolegomis pademonstravo vėlesnėje studijoje, uždara visata padidina kitus kosmologų stebimus standartinio modelio neatitikimus, tarp kurių ne menkiausias ir tas faktas, kad visata atrodo besiplečianti greičiau, nei rodo prognozės. Tai paaiškinti tampa dar sunkiau, jei visata sferiška, o ne plokščia.

Praktiškai visi kiti matavimai rodo, kad visata plokščia. Gali būti, kad šis naujausias stebėjimas yra statistinis nukrypimas, išnyksiantis, pavyzdžiui, kai pasirodys nauji kosmologiniai duomenys iš Vera Rubin teleskopo ar Euclid palydovo.

O jeigu ne, tuomet protingiausia bus pasitelkti geresnius duomenis apie tikrąją didžiojo sprogimo prigimtį ir kosminę infliaciją. Tam pasitarnaus gravitacinės bangos. Šie erdvėlaikio raibuliai, geriausiai žinomi kaip tolimų juodųjų bedugnių susidūrimų rezultatas, gali atverti langą ir ankstyvosios visatos pažinimą – jei aptiksime atsklidusius iš toliausių kosmoso pakraščių. „Yra nemažai [kosmologinių] mechanizmų, kurie, nuo didžioji sprogimo praėjus menkai sekundės daliai, galėjo sukelti gravitacinio spinduliavimo blyksnį,“ sako Van Den Broeck – tokie mechanizmai, kaip infliacija.

Pirminės gravitacinės bangos dabar būtų matomos kaip iš visur sklindantis foninis raibuliavimas. Dėl visatos plėtimosi tokių bangų ilgis būtų daug didesnis, nei užfiksuojamų juodųjų bedugnių susidūrimų. Geriausi antžeminiai gravitacinių bangų detektoriai veikia pernelyg dideliu dažniu, kad galėtų užfiksuoti pirmines gravitacines bangas. Bet ESA planuojamas kosminis jutiklis, Laser Interferometer Space Antenna (LISA), galėtų.

„Jei galėtume matyti ir pirmines gravitacines bangas, tai būtų išties nuostabu,“ sako Padilla. „Tuomet išties pradėtume daug ką suprasti apie visatą.“ Kas tikriausiai dar svarbiau, galėtume išsiaiškinti, ar infliacija iš tiesų įvyko – ir ar visata iš tiesų plokščia.

Kiek yra visatų?

Kaip jau minėta, sugalvoję greito ankstyvosios visatos išsiplėtimo – infliacijos – idėją, kosmologai suprato gavę daugiau, nei prašė. „Infliacija gali nutikti bet kur erdvėlaikyje,“ sako Padilla, „Seniai ji nutiko mūsų visatos lopinėlyje ir išplėtė jį, bet kitose visatos dalyse ji gali tebevykti.“

Šis, vadinamasis amžinos infliacijos scenarijus sukuria skirtingų, susibūrusių ir vis besirandančių naujų visatų „burbulų“ panteoną. Už tai reikėtų dėkoti kvantinei mechanikai, pademonstravusiai, kad tai įmanoma.

Nors kitų visatų stebėti žmonės negali, nuo spekuliacijų apie visatų skaičių ir ypatybes tai jų nesulaiko.

„Vargiai pastebėtume visatos pabaigą. Mirkt – ir baigta “

Standartinių problemų infliacijos multivisatoje visatų yra be galo daug. Kiekviena iš jų gali neatpažįstamai skirtis nuo mūsiškės. Ši kosminės asorti idėja išsivystė, bandant paaiškinti gravitacijos sąveiką taip, kaip kitas tris paaiškina stygų teorija, taškines daleles pakeisdama plonomis vibruojančiomis gijomis, egzistuojančiomis daugelyje matmenų – įprastai 10 ar 11, nelygu, kuri versija jums labiau patinka – ir numatančioje mažiausiai 10⁵⁰⁰ skirtingų fizikos galimybių tuntuose infliacinės multivisatos burbulų. Kiekvienoje būtų kitokie fizikos dėsniai ir skirtingos gamtos konstantų vertės.

O gal tėra viena kita visata, ir jau užfiksavome jos egzistavimo įrodymus. 2016 metais ANITA aptiko didelės energijos dalelę, kuri, atrodė atskriejusi ne iš kosmoso, o iš Žemės pusės. Po poros metų šia antena užfiksuotas antras toks atvejis. Vienas iš paaiškinimų – tokia dalelė galėjo atskrieti iš paralelinės visatos, sukurtos kartu su mūsiške, kurioje laikas teka atgal.

Kada visata baigsis?

Prieš atrandant tamsiąją energiją, paslaptingą jėgą, kaip manoma, plečiančią erdvėlaikį, visatos ateitis priklausė nuo jos geometrijos. Jei kosmosas uždaras, galiausiai jis pats į save sukris, o jei atviras – plėsis amžinai. Tačiau dabar standartiniame kosmologijos modelyje tariama, kad gyvename plokščioje visatoje, kurią tamsioji energija plės amžinai.

Jei tamsioji energija tėra kosmologinė konstanta, tai yra, bėgant laikui nekinta, tuomet ir pats visatos plėtimasis galiausiai taps konstanta, vieną nuo kito skraidinančia galaktikų spiečius. „Liksime vieniši visatoje,“ sako Baker. Pagal šį scenarijų, dar vadinamo visatos šilumine mirtimi ar didžiuoju sušalimu, galiausiai visos žvaigždės užges, juodosios bedugnės didės, o likusios Visatos materijos temperatūra vienodės. Be temperatūros skirtumo energija sklisti negali ir visata pamažu sens, joje nieko nebevyks.

Alternatyva – didysis plyšimas. Pagal šį scenarijų, tamsioj energija stiprės ir visatos plėtimasis spartės. „Tai labiau jaudina,“ sako Baker. Tamsiajai energijai persvėrus dangaus objektus kartu laikančią gravitaciją, „netgi gravitaciškai susieti objektai, tokie, kaip galaktikos, galiausiai gali būti išardytos“.

Kuris iš šių scenarijų teisingas, paaiškės tik išsiaiškinus tamsiosios energijos prigimtį. Bet kad nesijaustumėte pernelyg patogiai, manydami, kad visa tai bus nesuvokiamai tolimoje ateityje, ir dėl to neverta nerimauti, yra galimybė visatai baigtis ir rytoj. Ji remiasi stygų teorijos idėja apie skirtingus fizikos dėsnius turinčias visatas. Jei taip, mūsų visatai gali įvykti kvantinis tuneliavimo reiškinys, kai ji staiga transformuotųsi į kitokių fizikos dėsnių visatą. Gamtos konstantos ir gal net fizikos dėsniai būtų nepanašūs į žinomus.

Švelniai tariant, tai nebūtų idealu, nes atomų struktūra priklauso subtilios sąveikų balanso. Jį sutrikdžius, viską sudarantys atomai akimirksniu suirtų. „Jei toks fazių pokytis įvyktų rytoj, nieko nepastebėtumėte,“ sako Baker. „Blykst – ir baigta.“

Tad, esminis kosmologijos klausimas galėtų būti, ar jie spės išsiaiškinti savo mylimo standartinio modelio teisingumą prieš ištinkant kvantinei nežinomybei. Stebėkime savo erdvėlaikį.