Od Kopernika do inflacji kosmicznej cz. 2

Czego dowiedzieliśmy się o Wszechświecie po Koperniku?

Od czasów Kopernika uświadomiliśmy sobie, że w samej naszej galaktyce są setki miliardów gwiazd. My sami widzimy tylko bardzo jasne gwiazdy, będące fragmentem naszej galaktyki. Znajdują się kilkaset lat świetlnych od Ziemi, czyli stosunkowo blisko naszej planety. Przeważają gwiazdy, których nie możemy obserwować inaczej jak tylko za pomocą teleskopu.

Sama tylko nasza galaktyka od jednego do drugiego końca jest rozległa na 100.000 lat świetlnych. Możemy jednak kierować nasze teleskopy także w kierunku innych galaktyk. Zdać sobie sprawę, że cały Wszechświat jest ich pełen, zaś w tej jego części, którą możemy zobaczyć, znajdują się setki miliardów galaktyk. A w każdej z nich setki miliardów gwiazd. Od czasów Kopernika stale uzmysławiamy sobie, że nasze jedno Słońce jest gwiazdą jakich wiele w całym Wszechświecie.

Jaki jest wkład polskich naukowców w astronomię?

Na przełomie XX i XXI wieku astronomowie zastanawiali się czy planety w naszym Układzie Słonecznym są jedynymi planetami we Wszechświecie. A skoro Słońce okazało się typową gwiazdą, zaczęto przypuszczać, że Wszechświat powinien być pełen planet. Zagadnieniem tym zainteresowali się polscy badacze. Szczególnie prof. Aleksander Wolszczan, nasz słynny astronom, który na Pennsylvania State University zajmuje się między innymi obserwacją egzoplanet, czyli planet znajdujących się poza układem słonecznym. Jako pierwszy odkrył planety spoza Układu Słonecznego, krążące wokół martwej gwiazdy nazywanej gwiazdą neutronową.

Niestety nagrodę Nobla przyznano naukowcom, którzy odkryli pierwsze egzoplanety poruszające się wokół „zwykłej”, podobnej do naszego Słońca, gwiazdy, a nie znacznie bardziej nietypowej - wymarłej formy gwiazdy. Niezrozumiałe jest pominięcie badacza, który dokonał przełomowego odkrycia, wykazując, że egzoplanety w ogóle istnieją. Od tamtej chwili odnaleźliśmy już tysiące egzoplanet. Mamy też mocne argumenty na potwierdzenie przypuszczeń, że wokół każdej gwiazdy we Wszechświecie krąży przynajmniej jedna egzoplaneta.

Szukanie planet poza Układem Słonecznym to zresztą wciąż, mimo skromnych środków, polska specjalność. Jest naprawdę mnóstwo gwiazd i planet we Wszechświecie, co stawia kolejne pytania na temat ewentualnego bogactwa życia. Od czasów Kopernika, który zastanawiał się nad otaczającym go światem i sposobami mogącymi go opisać, rozumiemy więcej.

Rozumiemy, jak wygląda Wszechświat i dlaczego tak właśnie wygląda. Zrobiliśmy wielki krok naprzód i kolejne eksperymenty w astronomii, astrofizyce, kosmologii, pozwolą nam, może już wkrótce, zrozumieć, jak wszechświat powstał, jakie mechanizmy nim rządzą i jaka może być jego przyszłość. Spodziewam się w czasach, w których żyjemy, wielkich naukowych rewolucji, nie mniejszych niż kopernikańska.

Skąd się wzięło Pańskie zainteresowanie kosmologią jako nauką opisującą powstanie i ewolucję wszechświata? Czego dokładnie dotyczą Pańskie badania?

Już jako dziecko byłem zafascynowany astronomią, w czasie studiów zorientowałem się jednak, że dużo bardziej niż sama możliwość obserwacji, interesuje mnie odpowiedź na pytanie: dlaczego? Zajmuję się głównie ewolucją wczesnego Wszechświata i ciemną energią (hipotetycznie istniejącą energią, mającą wpływ na rozszerzanie się Wszechświata). Staram się zrozumieć jakiego typu nowe prawa fizyki są nam potrzebne do rozwiązania problemów współczesnej kosmologii i fizyki cząstek elementarnych. Jakie jest dokładne pochodzenie struktury Wszechświata, jaki był jego początek i co było przed nim.
 
Jesteśmy bliżej odpowiedzi na te pytania?

Tego wciąż nie wiemy, choć staramy się dowiedzieć. Teoria wielkiego wybuchu, mówiąca o momencie zero i Wszechświecie ściśniętym do jednego punktu, kładła nacisk na sam początek. Dziś wiemy na pewno, że objętość Wszechświata stale rośnie. Tak, jakbyśmy żyli na powierzchni balona, który jest ciągle napompowywany. Gdybyśmy cofnęli się w czasie, doszlibyśmy do wniosku, że kiedyś Wszechświat był bardzo mały, gęsty i gorący.

Przy wystarczająco małym Wszechświecie, cała maszyneria matematyczna teorii względności Einsteina załamuje się. Nie opisuje poprawnie tej rzeczywistości, bo ona prostu nie działa w tych warunkach. Zastanawiamy się, jak zmodyfikować prawa fizyki, by opisywały poprawnie bardzo młody, wczesny Wszechświat. Być może był on pełen materii, która rządziła się zupełnie innymi prawami niż ta, która występuje teraz we Wszechświecie.

Niewykluczone, że i grawitacja miała wówczas inną formę. Wciąż zastanawiamy się, jaki mógł być mechanizm powstania Wszechświata. Jedna z najpopularniejszych jest dziś teoria inflacji kosmicznej. Zakłada ona, że zanim powstała znana nam materia, Wszechświat musiał rosnąć coraz szybciej. To hipoteza, częściowo potwierdzona licznymi obserwacjami astronomicznymi.

Tłumaczyłaby wiele zagadek, których znana nam fizyka nie jest w stanie rozwiązać. Dlaczego na przykład Wszechświat jest jednorodny, homogeniczny, tak samo gęsty w każdym miejscu? Taki sam, niezależnie od miejsca, z jakiego jest obserwowany. Kosmologia czerpie zresztą z wyników obserwacji astronomów czy astrofizyków. Wszystkie te trzy dziedziny doskonale się uzupełniają.

Gwiazdy w mieście z trudnością się obserwuje. Trudno o szczelną ciemność. Trzeba znaleźć się tam, gdzie nie ma sztucznych źródeł światła.

Najlepsze warunki są w suchych, wysoko położonych miejscach, znajdujących się z dala od cywilizacji. Wtedy światło gwiazd musi się przebijać przez cieńszą warstwę atmosfery. Stąd na przykład Andy są bardzo dobrym miejscem, a jedno z polskich obserwatoriów znajduje się w Chile. Astronomia rozwija się dziś dzięki, wysyłanym na orbitę okołoziemską, teleskopom.

Pozwalają one obserwować Wszechświat bez bariery, jaką jest atmosfera ziemska i pozyskiwać cenne informacje. Teleskop kosmiczny Hubble’a, który był symbolem astronomii czasów mojej młodości, został zastąpiony przez teleskop Jamesa Webb’a. Dzięki temu cudowi techniki możemy się spodziewać jeszcze wielu przełomowych odkryć. Być może dowiemy się jeszcze niejednego chociażby o składzie atmosfery planet, które krążą wokół innych gwiazd niż nasze Słońce i będziemy w stanie powiedzieć czy na innych planetach może istnieć życie. Czy Giordano Bruno miał rację.

Rozmawiała Joanna Herman

Dr Michał Artymowski, adiunkt w Instytucie Nauk Fizycznych, na Wydziale Matematyczno-Przyrodniczym UKSW. Jego zainteresowania badawcze dotyczą kosmologii. Pracował w Chinach, Izraelu, UJ i UW. Od roku akademickiego 2020/2021 na UKSW prowadzi przedmioty „Kosmos dla humanistów" i, po angielsku, „Beginner's Guide to the Universe", które mają przybliżyć kosmologię studentom kierunków humanistycznych i społecznych.

Dzień Nauki Polskiej jest obchodzony od 2020 r. Przypada 19 lutego, w dniu urodzin Mikołaja Kopernika w uznaniu jego wybitnych zasług w dziedzinie astronomii. Ma stanowić inspirację dla polskich badaczy i wzmocnić zainteresowanie społeczeństwa nauką.