Czy cały Wszechświat też się obraca? Dziś wiemy znacznie więcej

Od tysiącleci wiemy, że niebem ponad Ziemią rządzą obroty. Zdawał sobie z tego sprawę już w III wieku p.n.e. grecki astronom Arystarch z Samos, prawdopodobnie pierwszy znany twórca modelu heliocentrycznego. Choć dopiero Mikołaj Kopernik w XVI wieku, a kilkadziesiąt lat później także Johannes Kepler, znacznie lepiej opisali i usystematyzowali obserwowane ruchy obrotowe ciał niebieskich, samo ich istnienie nie było tajemnicą i dla wielu innych starożytnych uczonych. Powszechnie wiedziano na przykład wieki, że Księżyc obiega Ziemię.

Dziś wiemy znacznie więcej. Wiadomo, że planety (nie tylko te obecne w naszym Układzie Słonecznym, ale i znalezione w ponad czterech tysiącach innych układów planetarnych!) także okrążają swoje gwiazdy, obracając się jednocześnie wokół własnych osi, podobnie jak Ziemia. Można zresztą powiedzieć, że kosmos obrotami stoi. Gwiazdy, które tworzą większe układy zwane galaktykami, okrążają centra tych układów. Słońcu (wraz z Ziemią i pozostałymi siedmioma planetami) jeden obieg wokół środka naszej Galaktyki, czyli rok galaktyczny, zajmuje przy tym ponad dwieście milionów lat. Gwiazdy wirują też same – Słońce obraca się wokół swojej osi blisko miesiąc. To właśnie dlatego słyszymy czasem, że plama słoneczna zachodzi za brzeg tarczy Słońca: nasza gwiazda się obraca, więc po paru dniach często tracimy taką plamę z pola widzenia. Wokół swoich osi wirują też egzotyczne gwiazdowe pozostałości, w tym pulsary i… czarne dziury.

Wiemy zatem, że planety, gwiazdy i galaktyki się obracają, a co z całym Wszechświatem? Czy i w nim można – przynajmniej teoretycznie – wskazać jakąś wyróżnioną oś obrotu, wokół której, dosłownie i przenośni, wszystko się kręci? A może odległe galaktyki wcale nie oddalają się od nas, tylko poruszają się ruchem obrotowym względem środka kosmosu, symulując tak zwaną ucieczkę galaktyk? Przy dzisiejszych technologiach, w tym teleskopach zaglądających głęboko w odległy Wszechświat i wykonujących wielkie mapy rozkładu i ruchów zawartej w nim materii, powinniśmy być już w stanie to dostrzec.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

W 1949 roku słynny matematyk Kurt Gödel jako pierwszy przedstawił współczesne, naukowe sformułowanie takiego obracającego się Wszechświata. Wykorzystał w tym celu aparat matematyczny pochodzący z samej teorii względności Alberta Einsteina, nawiasem mówiąc swojego dobrego przyjaciela z Uniwersytetu w Princeton. Obliczenia Gödla doprowadziły go do niespodziewanych i niekoniecznie pożądanych wówczas wniosków: zgodnie pewnymi rozwiązaniami równań Einsteina cały Wszechświat może się obracać. Co więcej, kosmos taki nie rozszerza się, tak jak w znanym nam dobrze Modelu Standardowym, czyli mamy wówczas do czynienia z jednorodną czasoprzestrzenią i Wszechświatem stacjonarnym, wypełnionym materią i wykonującym jako całość ruch obrotowy ze stałą prędkością kątową względem lokalnie inercjalnego układu odniesienia. Prościej rzecz ujmując, wszyscy obserwatorzy obecni w takim Wszechświecie uważaliby się za wyróżnione centrum jego obrotu.

Życie w obracającym się Wszechświecie Gödla byłoby bardzo dziwne. Gdziekolwiek nie znaleźlibyśmy się, będąc nieruchomymi, moglibyśmy obserwować cały Wszechświat kręcący się wokół nas. Załóżmy, że poruszamy się i przemieszczamy w nim do innej, odległej galaktyki. Po dotarciu do niej również zobaczylibyśmy kosmos obracający się wokół naszej nowej pozycji. Jest to trudne do wyobrażenia i zwizualizowania, ale w zasadzie nie różni się bardzo od popularnej i dobrze już zakorzenionej w nas koncepcji, zgodnie którą w rozszerzającym się Wszechświecie wszyscy obserwatorzy postrzegają siebie jako punkt centralny jego ekspansji – również niezależnie od swojej pozycji.

W modelu obracającego się Wszechświata Gödla dzieją się zresztą jeszcze dziwniejsze rzeczy. Im dalej od pojedynczego obserwatora, tym większe jest tempo obrotu całego świata. Przypomnijmy, że nie jest to po prostu obrót materii, na przykład gromad galaktyk, wokół jakiegoś punktu czy osi, ale obrót samej czasoprzestrzeni. Oznacza to, że światło, które zawsze podąża za krzywizną czasoprzestrzeni, odbywa w tym przypadku bardzo nietypowe podróże. Wiązka światła, wysłana z pewnego miejsca przez jakiegoś obserwatora, w takim Wszechświecie zakrzywi się, bo sama zostanie wciągnięta w rotację czasoprzestrzeni. W pewnym odległym punkcie rotacja ta będzie mieć już tak duży wpływ na wiązkę, że światło zawróci i dosłownie powróci do obserwatora, który ją wyemitował.

Oznacza to również, że istnieje ograniczenie co do odległości, z jakiej w ogóle można dostrzec coś w obracającym się Wszechświecie. Dalej wszystko, co można w nim zaobserwować, to zduplikowane obrazy przeszłości. To szokujące zjawisko zdaniem fizyków nie odnosi się tylko do światła: gdybyśmy wsiedli do rakiety i wystartowali w obracający się kosmos, również zostalibyśmy wciągnięci w rotację. Moglibyśmy w ten sposób wraz z rotującą czasoprzestrzenią poruszać się i okrążyć cały Wszechświat, a na koniec znaleźć się z powrotem w punkcie rozpoczęcia naszej podróży. Problem w tym, że nie tylko powracamy w ten sposób do punktu wyjścia, ale i docieramy do niego w czasie, zanim w ogóle z niego wyruszyliśmy. Co oczywiście wydaje się sprzeczne z naszą intuicją.

Fizycy mówią wprost: w takiej rotującej czasoprzestrzeni istnieją zamknięte krzywe czasopodobne. Oznacza to, że gdyby Wszechświat się obracał, możliwe byłyby podróże w czasie do przeszłości. Gödel – chcąc czy nie chcąc – wyprowadził więc rozwiązania równań Einsteina dopuszczające cofanie się w czasie. A to wcale mu się nie podobało.

Zacznijmy od tego, że w jego czasach tego typu możliwości powszechnie uznawano za poważną wadę teorii fizycznej. Sam Einstein miał nieco później wyznać, że zdawał sobie sprawę z istnienia takich rozwiązań swojej teorii, ale ukrywał je, zakładając, że współcześni mu fizycy od razu odrzuciliby teorię pozwalającą na podróże w czasie. Mogły one świadczyć o tym, że teoria względności jest nie w pełni dopracowana, a może nawet całkiem błędna. Skąd tak silna niechęć do idei przemieszczania się wstecz w czasie? Żadna dobra teoria nie powinna na to pozwolić, argumentowano, bo podróże do przeszłości naruszają pojęcie przyczynowości i wprowadzają nieprzyjemne paradoksy związane z podróżami w czasie. Tym sposobem fakt, że teoria względności nie wykluczała możliwości tych podróży, sygnalizował, że teoria Einsteina jest niekompletna.

Nie trzymając dalej w niepewności, możemy dziś śmiało powiedzieć, że zgodnie z wszelkim prawdopodobieństwem nie żyjemy w wirującej czasoprzestrzeni Gödla. Zarówno w dalszym, jak i bliższym kosmosie nie widać po prostu oznak, że Wszechświat się obraca. Gdyby tak było, światło dochodzące do nas na Ziemi z przeciwnych kierunków nieba byłoby przesunięte ku czerwieni w jednym kierunku i tak samo przesunięte ku błękitowi w drugim. Podobnego rodzaju test naukowcy zastosowali zresztą nie tylko w przypadku światła odległych galaktyk, ale i do obserwacji mikrofalowego promieniowania tła, które jest pozostałością po bardzo wczesnym etapie istnienia kosmosu. Wniosek z tych badań jest taki, że jeśli nawet nasz Wszechświat wiruje, to ekstremalnie powoli, bo w tempie mniejszym niż 10^-17 stopnia na stulecie.

Tymczasem z punktu widzania samej fizyki mogliśmy znaleźć się w obracającym się Wszechświecie równie łatwo, jak w dobrze nam znanym, czyli rozszerzającym się. Wydaje się, że nie istnieje nic, co z punktu widzenia nauki uniemożliwiałoby zaistnienie wirującej wersji kosmosu. A zatem i podróże w czasie. Co więcej, problem z nimi wciąż jest aktualny, bo później odkryto i inne rozwiązania równań ogólnej teorii względności dopuszczające cofanie się w czasie, w tym hipotetyczne tunele czasoprzestrzenne nazywane też mostami Einsteina-Rosena (jak dotąd nie obserwowane, a jeśli faktycznie gdzieś istnieją, to najprawdopodobniej są wysoce niestabilne jako struktury) czy równie hipotetyczny napęd kosmiczny typu warp, pozwalający na podróże w przestrzeni i czasie z prędkością większą niż prędkość światła.

Jeśli więc nasz kosmos nie wiruje, pozostaje tylko trochę mniej fascynujące pytanie o to, jakie są największe z obracających się w nim struktur. Czy na pewno są to galaktyki? Wiemy, że grupują się one w gromady i supergromady galaktyki, które z kolei tworzą ogromne włókna kosmicznej sieci.

W 2021 roku astronomowie z Leibniz Institute for Astrophysics w Poczdamie oraz Chin i Estonii ogłosili wykrycie największej jak dotąd rotacji zachodzącej we Wszechświecie. Czegoś takiego wcześniej nie obserwowano: okazało się, że gdy patrzymy na kosmos w największej skali, badając ruchy galaktyk w składających się z nich, ogromnych włóknach, możemy dostrzec powolne ruchy obrotowe tych włókien. Kosmiczne włókna są zasadniczo pomostami wypełnionymi galaktykami. Można zapytać, skąd i dokąd one prowadzą? Największe skupiska galaktyk znajdują się w węzłach, czyli punktach połączeń kosmicznej sieci. Każde włókno rozciąga się na ogromne odległości między tymi węzłowymi skupiskami galaktyk, łącząc je ze sobą. To jak gdyby cienkie cylindry o proporcjach porównywalnych do sznurków, długie na setki milionów lat świetlnych, ale o średnicy "zaledwie" kilku milionów lat świetlnych.

Włókna nie są statyczne. Galaktyki poruszają się w nich, kierując ku większym zagęszczeniom materii obecnym na ich końcach, czyli bardziej masywnym gromadom galaktyk. Jednak, jak wiemy od niedawna, nie przepływają po prostu po najkrótszej drodze, ale poruszają się po spiralnych trajektoriach, krążąc wokół centralnej osi włókna podczas przemieszczania się wzdłuż niego. Zatem same włókna obracają się. I nie bardzo wiemy, dlaczego tak jest. Naukowcy podejrzewają, że musi istnieć nieznany jeszcze mechanizm fizyczny odpowiedzialny za skręcanie się włókien kosmicznej sieci.

Skąd to wszystko wiemy? Zakładając, że galaktyki we włóknach przesuwają się po torach śrubowych do wieńczących je gromad, dla nas na Ziemi światło tych galaktyk wpadających w korkociąg wydaje się przesunięte ku czerwieni, gdy w swoim ruchu obrotowym tymczasowo oddalają się one od nas, i przesunięte ku błękitowi, gdy poruszają się w naszym kierunku. Astronomowie mogą zmierzyć takie przesunięcia ku czerwieni i błękitowi, na przykład wykorzystując w tym celu obszerne dane z przeglądu nieba Sloan Digital Sky Survey. Pomiary takie muszą być wykonane na masową skalę – krótko mówiąc, trzeba było dokładnie przeanalizować przesunięcia w widmie światła dla setek tysięcy galaktyk, aby uzyskać wyraźny obraz sytuacji. Wysiłek jednak się opłacił, bo dzięki niemu odkryto nieznaną wcześniej własność włókien kosmicznej sieci: ruch wirowy.

Co więcej, obrót włókien pojawia się też jako wynik w niektórych symulacjach komputerowych obrazujących wielkoskalowe rozkłady i ruch materii w kosmosie. To dla astronomów dodatkowe potwierdzenie, że coś jest na rzeczy. Nadal jednak nie wiemy, dlaczego włókna się skręcają, a w zasadzie w jaki sposób generowany jest ich moment pędu. Jak piszą sami autorzy przytaczanej pracy, struktury obserwowane we Wszechświecie tworzą się w wielu różnych skalach, od małych galaktyk po duże supergromady złożone z tysięcy galaktyk, ale powstawanie momentu pędu (wartości fizycznej związanej z ruchem obrotowym) w tych skalach jest nadal słabo poznane. Astronomowie zwracają też we wstępie uwagę na fakt, że im bardziej masywne są skupiska materii położone na obu końcach danego włókna, tym silniejsza jest jego rotacja.

Dalsze badania wykazały ponadto, że ruchy obrotowe włókien można powiązać z pewnymi warunkami początkowymi panującymi we Wszechświecie. Może należy więc zadać inne, bardziej ogólne pytania: co sprawiło, że galaktyki i ich gromady łączą dziś kosmiczne włókna? Dlaczego w ogóle kosmos ma postać kosmicznej sieci?

Bibliografia

• Possible observational evidence for cosmic filament spin (Możliwe obserwacyjne dowody na wirowanie kosmicznych włókien), Wang, P., Libeskind, N.I., Tempel, E. et al. Possible observational evidence for cosmic filament spin. Nat Astron 5, 839–845 (2021). https://doi.org/10.1038/s41550-021-01380-6
• Spin conservation of cosmic filaments, Ming-Jie Sheng, Sijia Li, Hao-Ran Yu, Wei Wang, Peng Wang, and Xi Kang, Phys. Rev. D 105, 063540
• Astronomers spot largest rotation in the universe (earthsky.org)
• Do we live in a rotating universe? If we did, we could travel back in time (space.com)
• How a rotating universe makes time travel possible (phys.org)

Twórz treści i zarabiaj na ich publikacji. Dołącz do WP Kreatora