Dawno
temu, w latach siedemdziesiątych ub. wieku,
prowadziłem zajęcia w Młodzieżowym Towarzystwie Naukowym przy Pałacu Młodzieży
w Szczecinie. Na prośbę uczestników zająłem się masą Wszechświata. Zajęcia te
dały mi asumpt do głębszych przemyśleń w tej kwestii.
Nie jest trudno to zrobić w odniesieniu
do obiektów obserwowalnych. Masa kuli ziemskiej równa jest 6·10^24kg, masa Słońca jest 333000 razy większa od masy
Ziemi, czyli równa jest około 2·10^30kg. Masę przeciętnej galaktyki szacuje się na
sto miliardów mas słonecznych, a liczbę łączną galaktyk szacuje się
identycznie. Ostatecznie masę świecących obiektów Wszechświata oszacować można
na 2·10^52kg. Oszacowanie przeprowadzić możemy też w inny
sposób. Otóż obserwacyjne zliczenia galaktyk dają ich uśrednione zagęszczenie.
Okazuje się, że średnio jedna galaktyka przypada na 1Mps sześcienny (megaparsek)*. Jeśli przyjmiemy, że
najdalsze obiekty świecące znajdują się w odległości 15 miliardów lat
świetlnych, przyjmując, że Wszechświat stanowi kulę o tym promieniu i jest
jednorodny, otrzymujemy łączną jego masę, równą: 8,2·10^52kg. Wynik ten nieźle
zgadza się z poprzednim oszacowaniem (ten sam rząd wielkości). Można nawet
„wyjaśnić”, że jest większa, gdyż uwzględnia masę materii, która jeszcze nie
świeci gwiazdami, materii zbyt na to młodej, materii zalegającej gdzieś w
pobliżu horyzontu. „O naiwności! To przecież przypadek”.
W naszym wstępnym oszacowaniu braliśmy pod
uwagę jedynie obiekty świecące, manifestujące swą obecność emisją
promieniowania, w szczególności światła. Należałoby wziąć też pod uwagę masę
materii zalegającej w pobliżu horyzontu (jak wyżej wspomniałem kursywą),
materii zbyt młodej, by mogła już świecić światłem gwiazd. Z badań wiarygodnych
wynika, że materia świecąca pierwszych protogalaktyk pojawiła się około półtora
miliarda lat** po
Wielkim Wybuchu. Czas ten stanowi około 10% dzisiejszego wieku Wszechświata.
Można przypuszczać więc, że masa jego niedostrzegalnej części stanowi dość
istotny składnik masy łącznej (rzędu 10%).
Najprawdopodobniej
istnieje też materia nie świecąca – w galaktykach i ich zbiorowiskach i być
może także w rozległych obszarach międzygalaktycznych. Jej masa nawet
przewyższa masę materii świecącej. Według dzisiejszych oszacowań nawet
pięciokrotnie. O istnieniu tej ciemnej materii świadczyłyby dane obserwacyjne.
Już w latach trzydziestych ub. wieku zauważono „nadmiernie” szybkie ruchy galaktyk w gromadach, jakie tworzą (gromada w Warkoczu Bereniki – Fritz Zwicky;
gromada w Pannie – Sinclair Smith), a mimo to nie widać, aby gromady te
rozpadały się. Widocznie masa łączna gromady jest znacznie większa. Zauważono
też, że rotacja licznych galaktyk jest zbyt szybka, by spora liczba gwiazd
tworzących je, mogła stanowić układ stabilny. Wniosek: rzeczywista masa
galaktyk jest znacznie większa, większa dzięki masie ciemnej materii.
Tu warto (i wypada) wspomnieć o próbie stworzenia
alternatywy dla ciemnej materii. W latach osiemdziesiatych ub. wieku, Moti
Milgrom, profesor Instytutu Weizmanna w Izraelu opracował teorię stanowiąca
modyfikację drugiej zasady dynamiki Newtona, o nazwie MOND (Modified Newtonian
Dynamics). Wnikliwe badania w latach następnych nie potwierdziły słuszności tej
teorii.Można jednak zmodyfikować teorię newtonowską inaczej. Przekonacie sięo tym
później.
O istnieniu
ciemnej materii, tym razem w przestrzeniach międzygalaktycznych, świadczyć by
mogły, choć niekoniecznie, także intensywne ruchy własne galaktyk nie
uzasadnione niczym innym, a przede wszystkim wynik analizy ilościowej efektu
soczewkowania grawitacyjnego, zaobserwowany podczas badania odległych gromad
galaktyk. [Na istnienie ciemnej materii wskazują badania ostatnich lat,
przeprowadzone z pomocą teleskopu Hubble. Okazuje się, że galaktyki
rozmieszczone są tak, iż tworzą jakby strukturę piany. Metodą soczewkowania
grawitacyjnego przebadano obszary zajęte przez galaktyki. Właśnie w tych
obszarach znaleziono ciemną materię.] Na możliwość istnienia ciemnej materii
zwróciłem uwagę już wcześniej. Można oczekiwać, że ciemna materia w
przestrzeniach międzygalaktycznych, a także w samych galaktykach, stanowi
relikt wczesnego stadium Wybuchu, jeszcze zanim pojawiła się materia dzisiejsza
wraz z oddziaływaniami elektrosłabymi i silnymi, które ją ukształtowały, zanim
ekspansja zyskała cechy dzisiejsze.
Tam, w materii tej, nie utworzyły się atomy,
pozostały być może układy i cząstki nam nie znane, nie mogące świecić nawet
jeśli skupiają się w twory zagęszczone, wypełniające i otaczające obiekty
widoczne. Być może właśnie fraktale ciemnej materii skupiały wokół siebie
materię, która dała początek najpierw gwiazdom (wodór, hel i lit), a potem, w
większej skali, galaktykom. Być może właśnie ciemna materia przyczyniła się do
fragmentacji materii (w pierwszym miliardzie lat po Wybuchu), co pociągnęło za sobą utworzenie
się gromad galaktyk, a także dzielących je obszarów międzygalaktycznej
„pustki”. Aktualnie, choć uznaje się istnienie
ciemnej materii za niewątpliwy fakt przyrodniczy, jej cechy strukturalne, nawet
jej materialna istota, to zagadka na przyszłość... Wskazówkę
co do charakteru i natury tej reliktowej
materii dać może treść eseju poświęconego grawitacji
dualnej. Warto też zajrzeć do eseju, w którym opisałem
powstawanie galaktyk. Tam wyjaśniłem, jaką rolę
odegrała ciemna materia w tworzeniu się galaktyk, a także to, dlaczego
zawartość materialna wszystkich galaktyk jest zbliżona. Na fakt ten, jak dotąd, nawet
nie zwracano uwagi. Tutaj jednak podążam w nieco innym kierunku, rozważając
Wszechświat bardziej całościowo.
Uwzględniając obecność ciemnej materii
o masie pięciokrotnie większej, niż masa materii świecącej i bazując na naszym
wstępnym oszacowaniu, możemy przyjąć, że masa Wszechświata wynosi 10^53kg.
Wielkość ta w zasadzie akceptowalna jest przez znaczną część astronomów (nawet
jeśli zajmowanie się masą Wszechświata, ich zdaniem, mija się z celem). Chodzi oczywiście o rząd wielkości, a nie o liczbę
sprecyzowaną. Czy to masa całego Wszechświata, czy też jego części widocznej?
Raczej to pierwsze, już zważywszy na to, jaka jest
temperatura promieniowania reliktowego.
*) Megaparsek to milion
parseków. 1 parsek równy jest 3,26 lat świetlnych
**) Zgodnie z przypuszczeniami
sygnalizowanymi w literaturze przedmiotu, już po 200 milionach lat. Chodzi tu o
gwiazdy powstałe z fluktuacji gęstości w bardzo ograniczonej skali, jeszcze
zanim wyodrębniły się układy mające przekształcić się w galaktyki – obiekty,
które możemy zobaczyć. Powinny to być gwiazdy o skrajnie niskiej zawartości
metali (pierwiastków cięższych, niż lit). Zdecydowana ich większość, z tych,
które do dziś przetrwały, to gwiazdy z całą pewnością zaawansowane pod względem
ewolucyjnym. Zauważmy, że w tych odległych czasach koncentracja materii była bardzo duża. Powstawało więc wiele
gwiazd. Podana w tekście liczba 1,5 miliarda lat dotyczy obiektów
pregalaktycznych, których dostrzeżenie jest możliwe za pomocą środków, jakimi
dziś dysponujemy. Chodzi przede wszystkim o kwazary, widoczne dzięki bardzo
intensywnym przemianom energetycznym, zachodzącym w nich.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz