Kiedy naukowcy mówią, że kosmos ma jednorodną budowę, w pierwszym odruchu chcemy zaprzeczyć. Wystarczy rozejrzeć się po naszej planecie: są tu tropikalne morza i sięgające powyżej chmur szczyty górskie, tętniące życiem lasy deszczowe i niegościnne pustynie, plujące lawą wulkany i ogromne połacie lodu na Antarktydzie. Jeśli zmienimy skalę, widzimy nie mniejszą różnorodność: planety spieczone Słońcem jak Merkury i olbrzymiego Jowisza, zbudowanego głównie z gazów; mgławice rodzące młode gwiazdy i wsysające wszystko czarne dziury; jasne galaktyki i dzielące je mroczne, niemal puste przestrzenie.
Jak wielki jest wszechświat, w którym się znajdujemy?
Trudno to pojąć, dlatego spróbujmy wyobrazić sobie, że startujemy z Ziemi i oddalamy się od niej coraz bardziej. Gdy docieramy do pobliskich gwiazd, odległości zaczynamy liczyć w latach świetlnych (jeden rok świetlny to ok. 9,5 biliona – czyli tysiąc miliardów – kilometrów).
Gdzie ta jednorodność? Z teorii, którym początek dały prace Alberta Einsteina, wynika, że pojawia się ona, ale dopiero w naprawdę dużej skali, liczonej w miliardach lat świetlnych (dla porównania – nasza Galaktyka ma średnicę zaledwie 100 tys. lat świetlnych). Wówczas kosmos staje się naprawdę bardzo podobny – grupy galaktyk rozsiane równomiernie w przestrzeni. W którąkolwiek stronę byśmy spojrzeli, powinniśmy zobaczyć to samo. Wróćmy na chwilę na Ziemię: gdziekolwiek byśmy się udali, zawsze trafimy na bardzo podobne warunki. Na całej planecie mamy ziemskie powietrze, ziemskie skały i wodę oraz ziemskie temperatury.
Nietrudno wyobrazić sobie, w jakim szoku bylibyśmy, gdybyśmy odkryli, że w którymś z zakątków naszej planety panują upały przekraczające 400 stopni Celsjusza, tak jak na zwróconej ku Słońcu powierzchni Merkurego. Albo że atmosfera w jakimś miejscu nie zawiera azotu i tlenu, ale głównie wodór i hel – tak jak na Jowiszu. Taki właśnie wstrząs przeżywają obecnie naukowcy, widząc w kosmosie wielkie struktury, niepasujące do przewidywań teoretycznych.
Nasz Wszechświat narodził się z bardzo małej, niewyobrażalnie ściśniętej kuleczki mieszczącej całą materię i energię. W czasie trwającej blisko 14 mld lat ekspansji osiągnęła ona gigantyczne rozmiary. Astronomowie policzyli, że ta część Wszechświata, którą możemy dziś obserwować, ma średnicę ok. 92 mld lat świetlnych (zakładamy przy tym, że Ziemia znajduje się w jej środku). Wydawałoby się, że wartość ta nie powinna przekraczać 28 mld lat świetlnych, bo tylko taki dystans mogłoby pokonać światło biegnące w kosmosie od momentu, w którym udało mu się oddzielić od materii. Moment ten nastąpił 378 tys. lat po narodzinach Wszechświata. Wiadomo jednak, że sama przestrzeń kosmiczna rozszerzała się – i robi to nadal – w bardzo szybkim tempie.
Dlatego Wszechświat tak spuchł, a zarazem właśnie dlatego powinien być tak monotonny w dużej skali. Kuleczka, z której powstał, była na początku bardzo jednorodna – to wynika z praw fizyki kwantowej. Jej szybka ekspansja sprawiła, że struktura kosmosu powinna być wszędzie taka sama. Nieregularności, które dały początek galaktykom, gwiazdom itd., pojawiły się później, w mniejszej już skali. Owe anomalie nie powinny dziś być większe niż 1,2 mld lat świetlnych. Tymczasem astronomowie zaobserwowali już kilka struktur, które zdecydowanie przekraczają ten limit.
1. Duża pustka
Wszechświat praktycznie nie zawiera czystej próżni. Nawet z daleka od galaktyk trafiają się pojedyncze gwiazdy, nawet w międzygwiezdnej pustce błąkają się atomy wodoru czy drobinki pyłu. Do tego całą przestrzeń kosmiczną wypełnia promieniowanie tła (CMB). To pierwsze światło w dziejach Wszechświata – swoiste echo Wielkiego Wybuchu, które kiedyś było bardzo gorące, ale przez miliardy lat ochłodziło się. Dziś średnia temperatura tego promieniowania jest większa od zera absolutnego o niecałe 3 stopnie.
CMB od dawna interesowało fizyków. Podobnie jak cały Wszechświat, wydawało się ono bardzo jednorodne. Jednak coraz dokładniejsze pomiary wykazywały, że temperatura promieniowania w różnych obszarach może być nieznacznie wyższa lub niższa. Dopóki te różnice były malutkie, pasowały do obowiązujących teorii fizycznych. Jednak w 2004 r. okazało się, że w CMB zieje dziura. Był to rejon chłodniejszy niż pozostałe i większy, niż ktokolwiek się spodziewał.
Od niedawna mamy dowody na to, że ta dziura odpowiada wielkiej kosmicznej pustce, mającej prawie 2 mld lat świetlnych średnicy i znajdującej się o 3 mld lat świetlnych od nas. „W jej wnętrzu jest o 10 tys. galaktyk mniej niż wynosi średnia dla Wszechświata” – wyjaśnia András Kovács z węgierskiego uniwersytetu Eötvös Loránd, jeden z odkrywców tej struktury. Naukowcy podkreślają, że prawa fizyki nie wykluczają istnienia takiej kosmicznej anomalii, ale powinna być wyjątkiem. Tymczasem wszystko wskazuje na to, że nie jest.
2. Wielka ławica
Kwazary to bardzo jasno świecące galaktyki, które widać w kosmosie z ogromnych odległości. Uczonym wydawało się, że są one równomiernie rozsiane po Wszechświecie. Jednak w 2012 r. astronomowie odkryli grupę liczącą 73 kwazary i układającą się w ogromne pasmo długości 4 mld lat świetlnych. To już dwa razy więcej niż wielka pustka (patrz punkt 1).
„Naszą pierwszą reakcją było ogromne zdziwienie. Wiedzieliśmy od razu, że trafiliśmy na coś niezwykłego” – mówi dr Roger Clowes z University of Central Lancashire, szef zespołu, który zaobserwował dziwny twór. Nazwano go Huge-LQG – od Huge Large Quasar Group, co można przetłumaczyć jako „wyjątkowo wielka grupa kwazarów”. Naukowcy wciąż spierają się, czy pomiary pro-wadzące do tego odkrycia wykonano prawidłowo. Wiadomo już jednak, że Huge-LQG nie jest największą kosmiczną strukturą, jaką zaobserwowano.
3. Ogromny pierścień
Innym widocznym z daleka kosmicznym zjawiskiem są rozbłyski gamma (GRB). Najczęściej powstają one wtedy, gdy bardzo masywna gwiazda kończy swój żywot. Zapada się wówczas pod wpływem grawitacji, tworząc czarną dziurę lub gwiazdę neutronową. Podczas tego gwałtownego procesu uwalniane są ogromne ilości energii w formie promieniowania gamma. Taki błysk może do nas dotrzeć nawet z odległych galaktyk. Także i w tym przypadku astronomowie nie spodziewali się, że GRB mogą ułożyć się w jakąś konkretną strukturę. A jednak zdaniem węgiersko-amerykańskiego zespołu badaczy rozbłyski gamma tworzą w pewnym miejscu pierścień, którego średnica przekracza 5 mld lat świetlnych. To blisko pięć razy więcej niż górny limit wynikający z teorii, według której Wszechświat jest jednorodny.
4. Gigantyczna ściana
Największym obiektem znanym człowiekowi jest Wielka Ściana w Herkulesie-Koronie Północnej, oddalona od nas o 10 mld lat świetlnych. To grupa galaktyk wykryta – podobnie jak pierścień z punktu 3 – dzięki obserwacjom rozbłysków gamma. Także i w tym przypadku odkrycia dokonał zespół z Węgier i USA, wywołując sensację w świecie naukowym. Tym razem bowiem mówimy o czymś, co ma wielkość od 6 do 10 mld lat świetlnych. Jeśli kolejne obserwacje potwierdzą istnienie tej zbudowanej z galaktyk ściany, będziemy mieli do czynienia ze strukturą zajmującą około 1/10 znanego nam Wszechświata.
Skąd to się wszystko wzięło?
Nad odpowiedzią na to pytanie głowią się dziś uczeni z całego świata. Oto trzy hipotezy, które wydają się najciekawsze.
Być może to tylko złudzenie
Możliwe, że po dokładniejszym zbadaniu okaże się, że wielkie struktury jednak nie istnieją. Pomiary w przypadku tak odległych obiektów są obarczone ryzykiem błędu. Wielkie obiekty mogą składać się z mniejszych, niełamiących zasady jednorodności kosmosu (choć w przypadku pustki z punktu 1 na razie nie widać takiej alternatywy).
Widzimy „Błąd matriksa”
Prof. Leon Lederman w książce „Boska cząstka” zadał prowokacyjne pytanie: czy Bogini stwarza to wszystko w miarę postępu naszych badań? Chodziło mu o to, że im dokładniej badamy zjawiska fizyczne w skali subatomowej, tym więcej zagadek napotykamy. Dzieje się to skokowo, tak jakby ktoś w pewnym momencie decydował, że pokaże badaczom coś nowego, żeby mieli zajęcie. Podobnie można myśleć o obserwacjach Wszechświata. Jeśli założylibyśmy, że jest on gigantyczną symulacją komputerową, taką jak filmowy „Matrix”, to może jakiś Wielki Programista popełnił parę błędów podczas jej tworzenia? Pytanie jest retoryczne, bo nawet jeśli tak się stało, raczej nigdy nie uda nam się tego sprawdzić na drodze doświadczalnej. Z takiego „Matriksa” nie moglibyśmy uciec.
Inne wszechświaty zderzają się z naszym
Fizycy od dawna podejrzewają, że otaczający nas kosmos ma więcej niż tylko trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy. Najnowsze teorie zakładają, że istnieją dodatkowe wymiary. Tworzą one coś w rodzaju wielkiego morza, w którym pływa ogromna liczba wszechświatów. Nasze czterowymiarowe uniwersum jest tylko jednym z nich. Prof. Rainer Dick z kanadyjskiego University of Saskatchewan uważa, że wszechświaty mogą się ze sobą zderzać. Śladami takich kolizji miałyby być złudzenia optyczne, wyglądające jak gigantyczne struktury kosmiczne. Taką tezę można sprawdzić za pomocą dalszych obserwacji astronomicznych. „To może być pierwszy dowód na to, że nasz Wszechświat nie jest samotny” – mówi prof. Dick.