Nasz Wszechświat. Wszystko, co wiemy, czego nie wiemy, i jeszcze więcej

“Nasz Wszechświat” to odkrywanie Wszechświata z książką w dłoniach, poznawanie jego największych tajemnic z najlepszym przewodnikiem, jaki można sobie wyobrazić.

Od tego, co widoczne – aż po granice naszych obserwacji, przez najnowsze odkrycia, aż do tego, czego wciąż nie udało nam się odgadnąć; wszystko to w jednej, napisanej z wdziękiem i dreszczykiem emocji książce, którą każdy powinien przeczytać.

Jo Dunkley jest nie tylko wybitną specjalistką w dziedzinie kosmologii, ale i doskonałą pisarką.
Martin Rees, Astronom Królewski Wielkiej Brytanii

Błyskotliwy przewodnik po Wszechświecie.
“Nature”

Jo Dunkley jest profesorem astrofizyki na Uniwersytecie w Princeton. Brała udział w pracach zespołu naukowego, który prowadził badania za pomocą satelity WMAP, a obecnie prowadzi obserwacje za pomocą teleskopu kosmologicznego Atacama, bierze udział w budowie Obserwatorium Simonsów i Wielkiego Teleskopu Przeglądowego. Za swoje prace poświęcone powstaniu i ewolucji Wszechświata zdobyła liczne nagrody, między innymi Medal Maxwella, Nagrodę Fowlera w dziedzinie astronomii, Nagrodę Rosalind Franklin przyznawaną przez Towarzystwo Królewskie i Nagrodę Philipa Leverhulme’a.

Wstęp

W pogodną noc niebo nad nami jest uderzająco piękne, pełne gwiazd i oświetlone przez jasny i zmieniający się Księżyc. Im ciemniejsze jest miejsce, z którego prowadzimy obserwacje, tym więcej gwiazd staje się widocznych – widać ich dziesiątki, setki, a nawet całe tysiące. Możemy odnaleźć znajome kształty gwiazdozbiorów i patrzeć, jak powoli przesuwają się po niebie wraz z obrotem Ziemi. Najjaśniej na nocnym niebie świecą planety, które z nocy na noc zmieniają swoje położenia względem gwiezdnego tła. Ich światło w większości wygląda na białe, ale nawet gołym okiem jesteśmy w stanie dostrzec czerwonawe zabarwienie Marsa i czerwoną poświatę gwiazd takich jak Betelgeza w gwiazdozbiorze Oriona. W najbardziej pogodne noce możemy zobaczyć pasmo światła Drogi Mlecznej, a z półkuli południowej dwie słabo świecące plamy Obłoków Magellana.
Poza tym, że jest piękne, nocne niebo od dawna budzi zaciekawienie ludzi na całym świecie, którzy starają się poznać jego tajemnice i stawiają sobie pytania o to, czym są planety i gwiazdy i gdzie dokładnie się znajdują oraz jak my na Ziemi wpisujemy się w ten większy obraz widoczny na niebie nad naszymi głowami. Znalezieniem odpowiedzi na te pytania zajmuje się nauka zwana astronomią, jedna z najstarszych dyscyplin, która wyłoniła się z dociekań filozoficznych prowadzonych od czasów starożytnych Greków. Astronomia, co dosłownie oznacza „prawa gwiazd”, bada wszystko, co znajduje się poza ziemską atmosferą, starając się zrozumieć, dlaczego te wszystkie obiekty zachowują się właśnie w taki, a nie inny sposób.
Ludzie uprawiają astronomię w różnych formach od tysiącleci, śledząc wzorce i zmiany na nocnym niebie i próbując dostrzec w nich jakiś sens. Przez większą część historii ludzkości astronomia ograniczała się do badania obiektów widocznych gołym okiem: Księżyca, najjaśniejszych planet w Układzie Słonecznym, pobliskich gwiazd i niektórych przejściowych zjawisk, takich jak przelot komety. Dopiero w ciągu ostatnich 400 lat ludzie mogli posługiwać się teleskopami, aby głębiej zajrzeć w przestrzeń kosmiczną, dzięki czemu otwarły się przed nami nowe horyzonty badań: możemy obserwować księżyce wokół innych planet, gwiazdy dużo słabsze niż widoczne gołym okiem czy obłoki gazu, w których rodzą się gwiazdy. W ciągu ostatniego stulecia nasz horyzont przesunął się poza galaktykę Drogi Mlecznej, co pozwoliło na odkrycie i badanie wielu innych galaktyk. Dopiero kilkadziesiąt lat temu dzięki postępowi technicznemu w budowie teleskopów oraz skonstruowaniu kamer do zapisu otrzymywanych z nich obrazów astronomom udało się przesunąć nasz kosmiczny horyzont jeszcze dalej.
Obecnie możemy śledzić miliony galaktyk, badać zjawiska takie jak wybuchające gwiazdy, zapadające się czarne dziury czy zderzające się galaktyki oraz odkrywać zupełnie nowe planety wokół innych gwiazd. Robiąc to wszystko, współczesna astronomia nadal poszukuje odpowiedzi na stare pytania o to, jak znaleźliśmy się na Ziemi, jakie jest nasze miejsce w tym większym domu, jaki będzie los Ziemi w odległej przyszłości i czy istnieją inne planety, na których rozwija się życie w jakiejś postaci.

Najstarsze zapisy astronomiczne liczą ponad 20 000 lat i mają postać rzeźbionych kawałków kości zawierających dane dotyczące faz Księżyca, które były używane jako pierwsze kalendarze w Afryce i Europie. W krajach takich jak Irlandia, Francja i Indie archeologowie odkryli mające pięć tysięcy lat malowidła naskalne, które stanowiły zapis niezwykłych zdarzeń dziejących się na niebie, między innymi zaćmień Księżyca i Słońca oraz nagłego pojawiania się jasnych gwiazd. Istnieją również starożytne budowle pochodzące z tego czasu, m.in. Stonehenge w Anglii, które mogły być używane jako obserwatoria astronomiczne do śledzenia Słońca i gwiazd. Najstarsze zapiski astronomiczne pochodzą od Sumerów, a później Babilończyków w Mezopotamii, która znajdowała się na terenie dzisiejszego Iraku. Obejmowały one na przykład pierwsze katalogi gwiazd, zapisane na tabliczkach glinianych w XII stuleciu przed naszą erą. Kilka stuleci przed naszą erą astronomia rozwijała się również w starożytnych Chinach i Grecji.
Chociaż dla tych pierwszych astronomów jedynym dostępnym przyrządem był ich własny wzrok, już kilkaset lat przed naszą erą Babilończycy rozpoznawali poruszające się planety, odróżniając je od stałych gwiazd tła, i noc w noc starannie notowali ich położenie. Zaczęli tworzyć systematyczne dzienniki obserwacji astronomicznych, które umożliwiły im odkrycie prawidłowości w ruchach planet i występowaniu pewnych zdarzeń na niebie, takich jak zaćmienie Księżyca. Nikt nie wiedział tak naprawdę, jaka jest natura tych obiektów i zdarzeń na nocnym niebie, ale starożytni uczeni potrafili stworzyć modele matematyczne, które pozwalały przewidzieć, gdzie w trakcie kolejnych nocy pojawią się planety i Księżyc.
Mimo tego znaczącego postępu ciągle nie było pewności, w jaki sposób ciała niebieskie znalazły się w obserwowanej konfiguracji ani z czego się składają. Co znajduje się w centrum wszystkiego: Ziemia czy Słońce? Uświadomienie sobie, że w istocie żadne z nich – że Wszechświat nie ma środka – miało nastąpić dopiero wiele lat później. W IV wieku przed naszą erą grecki filozof Arystoteles zaproponował model oparty na ideach wcześniejszych greckich astronomów i filozofów, takich jak Platon, w którym umieścił Ziemię w centrum Wszechświata. Słońce, Księżyc, planety i gwiazdy znajdowały się na niezmiennych, obracających się koncentrycznych sferach o środku w Ziemi. Arystoteles założył, że niebo jest czymś innym niż Ziemia, zarówno jeśli chodzi o skład, jak i zachowanie, i wyobrażał sobie, że sfery niebieskie są zbudowane z piątego, przezroczystego pierwiastka znanego jako „eter”.
W III wieku p.n.e. grecki astronom Arystarch z Samos zaproponował alternatywne wyjaśnienie, stwierdzając, że w rzeczywistości to Słońce może się znajdować w środku wszystkiego i że to pochodzące od niego światło oświetla Księżyc. Model ze Słońcem w środku, czyli heliocentryczny, lepiej wyjaśniał obserwowany ruch planet i zmiany ich jasności. Chociaż obecnie wiemy, że ten model jest właściwy, przynajmniej jeśli chodzi o Układ Słoneczny, idee astronomiczne Arystarcha zostały w trakcie jego życia odrzucone i musiały poczekać na akceptację jeszcze ponad tysiąc lat. Obrońcy geocentryzmu, czyli modelu z Ziemią w środku, mieli po swojej stronie na pozór silne argumenty. Na przykład jeśli Ziemia się porusza, to dlaczego gwiazdy nie zmieniają wzajemnego położenia wraz ze zmianą punktu widzenia, z jakiego obserwujemy je na poruszającej się Ziemi? Okazuje się, że zmieniają, ale ruchy te są niezwykle małe, ponieważ gwiazdy znajdują się bardzo daleko. Arystarch podejrzewał, że tak jest, ale nie miał możliwości udowodnienia tego.
Błędny model z Ziemią w środku obowiązywał nadal w czasach, kiedy działał Klaudiusz Ptolemeusz, wysoko poważany uczony z podbitego przez Rzym Egiptu, żyjący w II wieku naszej ery. Ptolemeusz jest autorem Almagestu, jednej z pierwszych książek poświęconych astronomii, w której wymienił czterdzieści osiem konstelacji znanych ówcześnie gwiazd. Zamieścił w niej również tablice, dzięki którym można było wyznaczać zarówno przeszłe, jak i przyszłe położenia gwiazd na nocnym niebie. Wiele z tych danych pochodziło z wcześniejszego katalogu opisującego prawie tysiąc gwiazd, stworzonego przez greckiego astronoma Hipparcha. W Almageście Ptolemeusz stwierdził, że Ziemia musi być środkiem wszystkiego, a ponieważ cieszył się ogromnym autorytetem, pogląd ten dominował jeszcze przez wiele stuleci. Almagest był przez wiele lat najważniejszym tekstem astronomicznym, rozwijanym przez kolejne pokolenia astronomów.
W średniowieczu większość postępów w astronomii dokonywała się z dala od Europy i basenu Morza Śródziemnego, głównie w Persji, Chinach i Indiach. W roku 964 perski astronom Abd ar-Rahman as-Sufi napisał książkę pod tytułem Księga gwiazd stałych, pięknie ilustrowany tekst po arabsku, w którym wymieniono gwiazdy w poszczególnych konstelacjach. Katalog gwiazd i gwiazdozbiory z Almagestu Ptolemeusza zostały połączone z tradycyjnymi arabskimi przedstawieniami wymyślonych przedmiotów lub zwierząt, z którymi kojarzyły się układy gwiazd. W księdze znalazła się również pierwsza wzmianka o naszej sąsiadce, Galaktyce Andromedy, którą uważano za smugę światła różniącą się wyglądem od zwykłej gwiazdy. W tym samym stuleciu jego rodak, Abu Sa’id al-Sijzi, wysunął przypuszczenie, że Ziemia obraca się wokół swojej osi, wykraczając nieco tym samym poza Ptolemeuszową ideę niezmiennej Ziemi. W Persji znajdowało się również wspaniałe obserwatorium Maraghe, stworzone przez wszechstronnego uczonego Nasira ad-Dina at-Tusiego w 1259 roku na wzgórzach Azerbejdżanu, w którym zarówno miejscowi, jak i napływowi astronomowie z Syrii, Anatolii i Chin prowadzili szczegółowe obserwacje ruchów planet i położenia gwiazd.

Szesnaste i siedemnaste stulecie przyniosły wielką rewolucję w astronomii. W 1543 roku polski astronom Mikołaj Kopernik opublikował dzieło De revolutionibus orbium coelestium, w którym twierdził, że Ziemia nie tylko obraca się wokół swej osi, lecz także musi wraz z innymi planetami obiegać Słońce. Idee te zostały zdecydowanie potępione przez Kościół katolicki, który uznał je za heretyckie, i trzeba było usilnej kampanii ze strony wielu wpływowych osób, a także zbierania przez wiele lat nowych obserwacji, aby zostały ostatecznie zaakceptowane. Kluczowy postęp nastąpił wraz z wynalezieniem teleskopu na początku XVII wieku.
Widzenie jest możliwe dzięki światłu. Im więcej światła udaje nam się zebrać, tym dalej możemy zajrzeć w kosmos. Teleskop jest w pewnym sensie naczyniem do zbierania światła, dużo większym niż ludzkie oko, dzięki czemu pozwala nam zajrzeć znacznie dalej w czeluść przestrzeni kosmicznej i zobaczyć jej własności z większą dokładnością. Galileusz pierwszy skierował teleskop w niebo w 1609 roku. Posłużył się dość prostym urządzeniem własnej konstrukcji, które pozwalało mu powiększyć widoczny fragment nieba około dwudziestu razy. To jednak wystarczyło, by mógł zobaczyć, że Jowisz ma własne księżyce, widoczne jako plamki światła po obu jego stronach, które zmieniają położenie, okrążając planetę. Bez teleskopu albo współczesnej lornetki księżyce Jowisza pozostają ukryte przed naszym wzrokiem, świecą bowiem zbyt słabo, by można je było dostrzec.
W 1610 roku Galileusz opublikował słynny traktat Gwiezdny posłaniec, w którym zamieścił swoje obserwacje księżyców Jowisza oraz szczegółów nierównej powierzchni Księżyca, opisał w nim też odkrycie gwiazd zbyt słabych, by można je było zobaczyć gołym okiem. W Gwiezdnym posłańcu wyraził również swoje poparcie dla poglądów Kopernika, wsparte odkryciem księżyców Jowisza: stanowiły one niezbity dowód istnienia ciał niebieskich, które nie krążą wokół Ziemi. Niestety, argumenty Galileusza nie przekonały Kościoła katolickiego, który pozostawał w silnej opozycji do kopernikańskiego opisu kosmosu. Galileusz stanął przed trybunałem inkwizycji i został skazany na areszt domowy, w którym pozostał do śmierci.
Mimo sprzeciwu Kościoła astronomowie dokonywali dalszych postępów w badaniach kosmosu. Niemiecki astronom Johannes Kepler, który popierał idee Kopernika i Galileusza, wykazał w 1609 roku, że wszystkie planety okrążają Słońce po torach w kształcie elipsy, czyli spłaszczonego okręgu. Stwierdził również, że ruch ten odbywa się w sposób, który łączy ze sobą ich odległość od Słońca z czasem obiegu orbity. Im dalej od Słońca znajduje się dana planeta, tym dłużej trwa pokonanie pełnej orbity, ale odległość i czas nie rosną w takim samym tempie: planeta znajdująca się dwa razy dalej od Słońca potrzebuje niemal trzykrotnie dłuższego czasu na obiegnięcie orbity. Później w tym samym stuleciu, w 1687 roku, brytyjski fizyk Isaac Newton zaproponował w swoich słynnych Matematycznych zasadach filozofii naturalnej prawo powszechnego ciążenia, które wyjaśnia tę prawidłowość. Jego prawo stwierdza, że wszystko, co ma masę, przyciąga ku sobie inne ciała, im zaś masywniejszy jest dany obiekt i im bliżej niego się znajdujemy, tym silniejsze jest jego przyciąganie. Gdy znajdziemy się dwa razy bliżej, odczujemy czterokrotnie silniejsze przyciąganie, a obiegnięcie orbity zajmie nam mniej czasu. Prawo to wyjaśniło prawidłowości dostrzeżone przez Keplera w ruchu planet i Słońca względem ich wspólnego środka masy i pokazało, że prawa przyrody działają tak samo na niebie i na Ziemi. Obserwacje zgadzały się teraz z teorią i nowy model kosmosu, alternatywny wobec ptolemejskiego, zaczął być w końcu traktowany poważnie. Ziemia rzeczywiście krąży wokół Słońca.
W XIX wieku dokonała się kolejna rewolucja w astronomii, wywołana wynalezieniem fotografii przez Louisa Daguerre’a w 1839 roku. Wcześniej rysunki astronomiczne trzeba było wykonywać ręcznie, co oczywiście było niedokładne. Aparat fotograficzny nie tylko pozwala zmierzyć położenie i jasność ciał niebieskich, lecz także można go ustawić na długą ekspozycję, co umożliwia zebranie dużo więcej światła niż za pomocą ludzkiego oka. W 1840 roku urodzony w Anglii amerykański uczony John William Draper wykonał pierwszą fotografię Księżyca w pełni, a w roku 1850 William Bond i John Adams Whipple z Obserwatorium Harvarda zrobili pierwsze zdjęcie gwiazdy, którą była Wega. W 1850 roku wynaleziono spektroskop, urządzenie używane do rozszczepiania światła widzianego przez teleskop na różne długości fali (powiemy o tym więcej w rozdziale 2). Wynalazki te pozwoliły astronomom stworzyć duże katalogi gwiazd Drogi Mlecznej, zawierające ich położenie, jasność i barwę.
Wraz z nadejściem XX stulecia astronomowie zaczęli budować większe teleskopy, które umożliwiły im zaglądanie coraz dalej w głąb kosmosu. Towarzyszył temu postęp w naszym rozumieniu fizyki, do którego przyczyniły się ogólna teoria względności Alberta Einsteina i mechanika kwantowa opracowana przez Maxa Plancka, Nielsa Bohra, Erwina Schrödingera, Wernera Heisenberga i innych. Te nowe idee pozwoliły astronomom dokonać znacznego postępu w zrozumieniu własności ciał w kosmosie i samej natury przestrzeni. Przełomowe pod tym względem było odkrycie Edwina Hubble’a z 1923 roku, który stwierdził, że Droga Mleczna jest tylko jedną z wielu galaktyk, oraz Cecilii Payne-Gaposchkin z 1925 roku, która ustaliła, że gwiazdy składają się głównie z gazowego wodoru i helu (dowiemy się o tym więcej w rozdziałach 1 i 2).
Na szczególną uwagę zasługują dwa wynalazki techniczne XX stulecia, oba pochodzące z Laboratoriów Bella, firmy badawczo-rozwojowej z New Jersey w Stanach Zjednoczonych. Pierwszy z nich wykorzystuje odkrycie dokonane w 1932 roku przez Karla Jansky’ego, który zauważył, że możemy obserwować fale radiowe pochodzące z obiektów astronomicznych w kosmosie, co otworzyło nam zupełnie nowe okno na Wszechświat. Okno to zostało jeszcze szerzej otwarte w latach sześćdziesiątych dzięki włączeniu do obserwacji innych rodzajów światła spoza zakresu widzialnego. Drugim przełomowym wynalazkiem było skonstruowanie przez Willarda Boyle’a i George’a Smitha w 1969 roku matrycy CCD (od ang. charge–coupled device – urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym). Używając układu elektrycznego do zamiany światła na sygnał elektryczny, urządzenie to wytwarza obraz cyfrowy zupełnie tak samo, jak robią to aparaty w naszych telefonach komórkowych. Kamery CCD są bardziej czułe niż klisze fotograficzne, co pozwala astronomom rejestrować obrazy słabszych i bardziej odległych obiektów w kosmosie.
W ciągu zaledwie kilku ostatnich dziesięcioleci dokonał się olbrzymi postęp zarówno w technikach astronomicznych, jak i w teorii oraz metodach obliczeniowych, które doprowadziły nas do obecnego stanu wiedzy. Udało nam się zajrzeć aż na skraj obserwowalnego Wszechświata, odkryć miliony galaktyk i stworzyć spójny opis tego, jak powstały Układ Słoneczny i Droga Mleczna. Aby osiągnąć nasze obecne rozumienie Wszechświata, musieliśmy pokonać długą drogę, odkrywając przy okazji wiele wspaniałych i niezwykłych faktów na temat jego funkcjonowania, i właśnie o tym wszystkim opowiada ta książka.