Redakcja: Za co w 2011 r. przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki i na czym polega przyspieszająca ekspansja wszechświata?

Prof. Marek Demiański: Dopiero od wczesnych lat 20. ubiegłego wieku wiemy, że wszechświat jest ogromny. W tej chwili wiadomo, że nasza najbliższa gwiazda jest oddalona od Ziemi o około 4 lata świetlne, czyli sygnał świetlny, który rozchodzi się z prędkością 300 000 km/s, przebiega tę odległość między Słońcem a następną najbliższą gwiazdą w ciągu 4 lat. W latach 20. Edwin Hubble korzystając z największego wówczas optycznego teleskopu, znajdującego się na górze Mount Wilson koło Los Angeles, zauważył, że mgławica, którą uważano za część składową naszej galaktyki składa się w rzeczywistości z gwiazd. Po kilku kolejnych latach obserwacji wykrył tam gwiazdy zmienne, cefeidy, które umożliwiły mu pomiar odległości do tej galaktyki. Wtedy okazało się, że odległość do niej mierzy się nie w latach świetlnych, ale w setkach tysięcy lat świetlnych i nagle z dnia na dzień nasz wszechświat stał się ogromny. W ciągu kolejnych kilkunastu lat obserwacji Hubble odkrył całą masę innych galaktyk, przez co okazało się, że „cegłę”, z której zbudowany jest wszechświat nie stanowią gwiazdy, a właśnie galaktyki.

Hubble odkrył również, że ten ogromny układ fizyczny, największy jaki jesteśmy w stanie obserwować, zmienia się. Galaktyki się od nas oddalają i im dalej położona jest od nas galaktyka, z tym większą prędkością się oddala, przy czym ta zależność, prędkość od odległości jest liniowa. Istnieje współczynnik proporcjonalności, który nazywa się obecnie stałą Hubble’a. Przez pewien okres czasu wydawało się, że rozumiemy, jak ten wszechświat jest zbudowany i jak ewoluuje. Oczywiście skoro wszechświat się rozszerza i będziemy się cofali coraz bardziej wstecz do jego prehistorii, dojdziemy w końcu do takiego momentu czasowego, w którym się to wszystko zaczęło. Zdarzenie nazywa się Wielkim Wybuchem i od niego datowane jest rozpoczęcie rozszerzania się wszechświata. Już w drugiej połowie lat 90. astrofizycy zaczęli myśleć o tym, że wszechświat nie może się rozszerzać cały czas w takim samym tempie, ponieważ galaktyki przyciągają się do siebie grawitacyjnie. Podobnie jak wyrzucany w górę kamień lub piłka hamują, na takiej samej zasadzie powinna też działać ekspansja wszechświata.

A więc dylemat, który pojawił się w połowie lat 90. opierał się na tym, czy tempo rozszerzania się wszechświata jest stałe. Żeby odpowiedzieć na to pytanie trzeba było porównać obiekty bliskie z obiektami bardzo dalekimi, do których można wyznaczyć odległość. Tu zaczyna się historia naszych trzech bohaterów, Saula Perlmuttera, Briana Schmidtta i Adama Riessa, którzy postanowili wykorzystać do pomiaru ekspansji wszechświata pewne dramatyczne wydarzenia zwane wybuchem supernowych typu Ia. Co to takiego? Okazuje się, że we wszechświecie istnieje spory zbiór gwiazd, które nazywamy białymi karłami. Jeżeli znajdują się one w układzie podwójnym, to ze względu na stosunkowo niewielkie rozmiary, porównywalne z rozmiarami Ziemi i masę rzędu 0,6 masy Słońca, ich gęstość jest ogromna. Gęstość ta wynosi około 108, czyli białe karły są mniej więcej 100 mln razy gęstsze od wody. Jeżeli znajdują się w układzie podwójnym z normalną gwiazdą, to przyciągają od tej gwiazdy zewnętrzne otoczki. W ten sposób masa białego karła stopniowo rośnie, ale okazuje się, że istnieje krytyczna granica, przy której biały karzeł jest stabilny. Wynosi ona 1,4 masy Słońca i jeżeli przez ten proces akrecji, czyli przyciągania materii, masa wzrośnie do granicznej wartości, to taki biały karzeł traci stabilność, zapada się i wybucha jako supernowa typu Ia.

Tu następuje ten dramatyczny moment. W bardzo krótkim czasie wybuchająca gwiazda emituje energię w wielu zakresach promieniowania elektromagnetycznego, ale również w postaci strumienia neutrin, porównywalną z energią świecenia wszystkich gwiazd w galaktyce. Przez chwilę jest to więc bardzo jasny obiekt. Ta trójka postanowiła zająć się poszukiwaniem supernowych typu Ia. Zajęło im to sporo czasu, a poza tym problem stanowił fakt, że taka supernowa wybucha we wszechświecie średnio 10 razy na minutę, czyli jest tych wybuchów ogromna ilość. Oczywiście wybuchająca supernowa nie wysyła nam SMS-a o treści „słuchaj ustaw teleskop na takie i takie miejsce, żebyś mnie mógł zaobserwować”. Żeby to zrobić należało więc każdej nocy sprawdzać te same fragmenty nieba i porównywać obrazy rejestrowane przez system zainstalowany w teleskopie. W ten sposób z czasem udało im się zaobserwować dosłownie kilka supernowych.

Wtedy jednak pojawił się kolejny problem. Dzięki jasności supernowych dało się już oszacować natężenia światła rejestrowanego przez teleskop, a z pomiaru odległości do galaktyki, w której następował wybuch, odległość. Okazywało się przy tym, że jasność tej supernowej jest za mała w porównaniu do oczekiwań. Jej jasność nie była taka sama i należało znaleźć sposób na kalibrowanie takich wybuchów. 

Oglądaj całość