Fizyk Kai Schmitz oferuje wgląd w ewolucję wszechświata i zagadnienia kosmologii
Kai SchmitzObszar pracy ‘s leży na styku fizyki cząstek i kosmologii; jego ulubionym tematem są fale grawitacyjne z wczesnego wszechświata. W wywiadzie dla Krystyna Hoppenbrock, Kierownik grupy badawczej w Instytucie Fizyki Teoretycznej dostarcza informacji na temat ewolucji wszechświata, metod badawczych i wciąż nierozwiązanych kwestii dotyczących kosmologii.
Chciałbym porozmawiać z tobą o ewolucji, ale nie w sensie darwinowskim…
Termin ewolucja jest również bardzo powszechny w kosmologii. Opisuje rozwój wszechświata od bardzo wczesnego, pierwotnego stanu do dnia dzisiejszego – lub innymi słowy: sekwencje procesów fizycznych na kosmologicznych skalach wielkości, długości i czasu.
„Ewolucja wszechświata” – brzmi to jak ogromna dziedzina badań.
Kosmologia jako dyscyplina naukowa znacznie się rozwinęła w ciągu ostatnich lat i dekad. Projekty badawcze na dużą skalę gromadzą setki, a nawet tysiące naukowców. Współczesna kosmologia próbuje odtworzyć ewolucję od najwcześniejszego możliwego punktu w czasie. Badamy procesy fizyczne, które miały miejsce w gorącej pierwotnej zupie 13,8 miliarda lat temu. Robiąc to, mamy silne nakładanie się z fizyką cząstek elementarnych i jądrową. Następnie śledzimy rozwój wszechświata w pierwszych ułamkach sekundy, pierwszych sekundach, minutach i latach. 380 000 lat po Wielkim Wybuchu wyemitowano tak zwane kosmiczne promieniowanie tła, które jest poświatą Wielkiego Wybuchu. Ważne odkrycia z fizyki atomowej odgrywają rolę w zrozumieniu tych procesów.
A co wydarzyło się później?
Dzięki naszym teoriom fizycznym możemy opisać, jak struktury uformowały się z gorącej pierwotnej zupy. Powstały skupiska, z których wyłoniły się pierwsze gwiazdy, pierwsze galaktyki i pierwsze gromady galaktyk. Dzisiaj widzimy sieć galaktyk i gromad galaktyk we wszechświecie, które nie są rozmieszczone losowo. W tej „kosmicznej sieci” istnieją połączenia krzyżowe, a pomiędzy nimi znajdują się duże wnęki, w których istnieje mniej galaktyk.
Jak można badać coś, co wydarzyło się 13,8 miliardów lat temu?
Nasza koncepcja ewolucji wszechświata opiera się na trzech filarach. Pierwszym z nich są obserwacje Edwina Hubble’a, który na początku XX wieku zdał sobie sprawę, że galaktyki poza naszą Drogą Mleczną oddalają się od nas. Prawidłowo zinterpretował to jako ekspansję wszechświata, która rozpoczęła się od Wielkiego Wybuchu. Patrząc wstecz w czasie, oznacza to, że wszechświat musiał być gęstszy i gorętszy w przeszłości.
Drugim filarem jest kosmiczne promieniowanie tła, o którym już wspomniałem. 380 000 lat po Wielkim Wybuchu pierwotna zupa ostygła do tego stopnia, że cząstki światła – fotony – mogły po raz pierwszy swobodnie się poruszać. Niektóre z nich zostały wyemitowane w naszym kierunku. Dzisiaj odbieramy ten sygnał świetlny, innymi słowy „dziecięce zdjęcie” wszechświata. Zawiera ono mnóstwo informacji. Na przykład możemy zobaczyć, że pierwotna zupa nie była jednolicie gorąca – prekursor dzisiejszej kosmicznej sieci. Takie obserwacje możemy opisać statystycznie i porównać z naszymi modelami teoretycznymi.
A po trzecie?
Teoria Wielkiego Wybuchu formułuje również konkretne przewidywania dotyczące stosunku, w jakim lekkie pierwiastki chemiczne, np. wodór i hel, powstały w pierwszych kilku minutach Wielkiego Wybuchu. Możemy to zweryfikować poprzez obserwacje astrofizyczne i znaleźć bardzo bliskie korelacje aż do ostatniego szczegółu.
Twoje badania skupiają się na ewolucji wczesnego wszechświata. Co szczególnie Cię w nich interesuje?
Fale grawitacyjne z Wielkiego Wybuchu. Istnieje wiele teorii fizycznych, które przewidują powstawanie fal grawitacyjnych w Wielkim Wybuchu. Gdyby to było prawdą, we wszechświecie istniałoby tło fal grawitacyjnych oprócz fal elektromagnetycznych, tj. sygnałów świetlnych, które powstały w wyniku Wielkiego Wybuchu. Podstawowe teorie opierają się na fizyce wykraczającej poza standardowy model fizyki cząstek elementarnych – jest wiele otwartych pytań, na które chcielibyśmy znaleźć odpowiedzi. Moja grupa bierze udział w projekcie „Nanograv Pulsar Timing Array Collaboration”. Obserwujemy pulsary w Drodze Mlecznej, aby wykryć szum fal grawitacyjnych. …
Pulsary to pozostałości jąder masywnych gwiazd.
… W zeszłym roku opublikowaliśmy wyniki pokazujące, że takie sygnały rzeczywiście istnieją. Ale skąd się biorą? Popularnym wyjaśnieniem jest to, że fale grawitacyjne powstają w czarnych dziurach w centrach galaktyk. Nas interesuje mniej prawdopodobna, ale bardziej ekscytująca alternatywa: wykryte fale grawitacyjne mogą być „echem” Wielkiego Wybuchu.
Istnieje więc nadal wiele pytań bez odpowiedzi na temat ewolucji wszechświata…
Istnieją obserwacje, które są praktycznie niepodważalne. Na przykład możemy z całą pewnością stwierdzić, że wszechświat znajdował się w gorącym, gęstym stanie 13,8 miliarda lat temu. Ale jeśli chodzi o jego strukturalne formowanie, istnieją zjawiska, których dokładnie nie rozumiemy, nazywamy je ciemną energią i ciemną materią. Znamy wiele ich właściwości i możemy je wykorzystać w komputerowych symulacjach ewolucji wszechświata – wszystko jak dotąd pasuje. Niemniej jednak ciemna energia i ciemna materia są raczej symbolami zastępczymi zjawisk fizycznych, których sposobu działania i natury jeszcze dokładnie nie znamy. Ciemna energia ma właściwości, które przyczyniają się do coraz szybszej ekspansji wszechświata. Ciemna materia oddziałuje z otoczeniem poprzez siłę grawitacji i w ten sposób przyczynia się do powstawania struktur. Galaktyki, na przykład, są zazwyczaj zlokalizowane w centrum dużych skupisk ciemnej materii. Ale nie wiemy, co za tym stoi. Czy są to na przykład wcześniej nieznane cząstki elementarne? Jest wielu kandydatów, ale wciąż nie wiemy.
W biologii proces ewolucji można symulować w eksperymentach laboratoryjnych. Czy działa to również w fizyce?
Próbujemy odtworzyć niektóre z wczesnych stadiów wszechświata w laboratorium, na przykład w eksperymentach akceleratorowych, w których zachodzą zderzenia cząstek. Poza tym mamy różne możliwości w fizyce i kosmologii, aby zrekonstruować ewolucję. Używamy do tego satelitów i teleskopów. Na przykład promieniowanie tła kosmicznego jest precyzyjnie mierzone za pomocą satelitów. Satelity i teleskopy są, że tak powiem, „oczami” kosmologii. A ostatnio pojawiły się również „uszy”, przez które rozumiemy eksperymenty mające na celu wykrywanie fal grawitacyjnych.
W astrofizyce i kosmologii współczesnej podejmowane są próby rekonstrukcji pewnych zjawisk, procesów i zdarzeń nie tylko za pomocą pojedynczego posłańca, ale poprzez różne źródła, tzw. obserwacje wieloposłańcowe. Oprócz wspomnianych sygnałów istotne są również neutrina: cząstki elementarne o bardzo małej masie, które pochodzą ze wszechświata. Mamy zatem różnych posłańców z kosmosu: sygnały świetlne, sygnały fal grawitacyjnych i neutrina.
Czy możemy formułować przewidywania dotyczące ewolucji wszechświata?
Możemy z pewną pewnością przewidzieć, czego możemy się spodziewać w ciągu najbliższych kilku milionów lat, być może nawet kilku miliardów lat. Ale to, jak będzie wyglądał stan końcowy za setki miliardów lat lub dłużej, jest jedynie spekulacją. Jeśli spojrzymy w przyszłość za pomocą naszego obecnego modelu, w pewnym momencie we wszechświecie zapanuje wielka pustka. Wszystko będzie się od siebie oddalać, nie powstaną żadne nowe gwiazdy. Na końcu pozostaną tylko czarne dziury, które następnie będą się powoli rozpadać w niewyobrażalnie długich okresach czasu.
W obecnym standardowym modelu kosmologii opisujemy ciemną energię za pomocą stałej kosmologicznej Einsteina. Jednak w ostatnich miesiącach pojawiły się przesłanki, że ciemna energia może być wielkością zależną od czasu, która z czasem staje się słabsza. Czy tak jest naprawdę, okaże się dopiero w przyszłości, gdy inne obserwacje dojdą do tego samego wniosku. Jeśli jednak obecne przesłanki okażą się prawdziwe, będziemy musieli dokonać znaczących korekt w naszych przewidywaniach dotyczących ewolucji wszechświata.
