Poznáme veľkosť vesmíru

Preklad článku BBC It took centuries, but we now know the size of the Universe.

Je ťažké predstaviť si celkové rozmery vesmíru a ešte ťažšie je nájsť to správne číslo. Vďaka vynachádzavej fyzike však dnes máme celkom dobrú predstavu, aký je veľký.

„Poďme sa túlať vesmírom.“ Tak znela pozvánka amerického astronóma Harlowa Shapleyho, ktorú adresoval publiku vo Washingtone D. C. v roku 1920. Zúčastňoval sa takzvanej Veľkej debaty po boku vedca Hebera Curtisa, ktorá sa týkala váhy vesmíru.

Shapley veril, že Mliečna cesta má priemer 300 000 svetelných rokov. Podľa posledných zistení je zhruba trikrát menšia, ale jeho výpočty boli vzhľadom na dobu pomerne presné. Konkrétne v tom, že vypočítal správne proporčné vzdialenosti v Mliečnej ceste – napríklad pozíciu Slnka vzhľadom na stred galaxie.

Začiatkom 20. storočia sa však Shapleyho súčasníkom zdal údaj 300 000 svetelných rokov absurdne obrovský. Rovnako myšlienka, že špirálové galaxie podobné Mliečnej ceste, ktoré sa dali zamerať teleskopmi, by mohli byť rovnako veľké, sa im zdala šialená.

Shapley skutočne veril, že Mliečna cesta je výnimočná. „Ak by aj špirály boli plné hviezd, nedajú sa veľkosťou porovnať s naším hviezdnym systémom,“ povedal svojim poslucháčom.

Curtis nesúhlasil. Správne si myslel, že vo vesmíre jestvuje množstvo ďalších galaxií ako tá naša. Východiskovým bodom jeho teórie bola viera v to, že Mliečna cesta je omnoho menšia, než Shapley vyrátal. Podľa výpočtov, ktoré použil Curtis, Mliečna cesta by mala mať priemer len 30 000 svetelných rokov – čo je zhruba trojnásobne menej, než hovoria súčasné výpočty.

Trikrát väčšia, trikrát menšia: keď sa bavíme o takých obrovských vzdialenostiach, je pochopiteľné, že astronómovia, ktorí viedli tieto rozpravy pred takmer storočím, sa mohli trochu pomýliť.

Dnes sme si pomerne istí, že Mliečna cesta má priemer medzi 100 000 a 150 000 svetelnými rokmi. Pozorovateľný vesmír je, samozrejme, omnoho väčší. Podľa súčasných pozorovaní má priemer zhruba 93 miliárd svetelných rokov. Ako si môžeme byť istí? A ako sme vôbec prišli na takéto výpočty priamo zo Zeme?

Objavili sme spôsoby, ako merať vzdialenosť objektov vo vesmíre

Zdá sa, že ľudstvo vždy s ťažkosťami prepisovalo svoje predstavy o podstate vesmíru a jeho veľkosti, prinajmenšom odkedy Kopernik tvrdil, že Zem nie je stredom Slnečnej sústavy. Dokonca i dnes získavame nové dôkazy o tom, že vesmír je zrejme omnoho väčší, než sme si doposiaľ mysleli.

Caitlin Caseyová, astronómka z univerzity v texaskom Austine, sa zaoberá vesmírom a poznamenáva, že astronómovia si vytvorili množstvo dômyselných nástrojov a meracích systémov v snahe vypočítať nielen vzdialenosť Zeme od ostatných objektov v Slnečnej sústave, ale aj rozpätie medzi galaxiami či dokonca veľkosť pozorovateľného vesmíru.

Tieto kroky na ceste k meraniu všetkých týchto údajov sa nazývajú „rebrík kozmických vzdialeností“. Na prvý stupienok rebríka poľahky stúpime – v súčasnosti závisí na moderných technológiách.

„Dokážeme odraziť rádiové vlny od susedných planét v Slnečnej sústave – Venuše a Marsu – a zmerať čas, za ktorý sa vrátia späť na Zem,“ vraví Caseyová. „Tak získame veľmi presné meranie.“

Veľké rádiové teleskopy ako Arecibo v Puerto Ricu to dokážu – dokážu však aj oveľa viac. Napríklad, Arecibo dokáže zamerať asteroidy, ktoré poletujú Slnečnou sústavou, a vytvoriť ich snímky na základe toho, ako sa rádiové vlny odrazia od ich povrchu.

Využívanie rádiových vĺn na meranie vzdialeností za hranicami Slnečnej sústavy je však nepraktické. Ďalším stupienkom rebríka kozmických vzdialeností je takzvané paralaktické meranie.

Je to niečo, čo robíme stále, dokonca bez toho, aby sme si to uvedomovali. Ľudia dokážu, podobne ako mnohé zvieratá, intuitívne rozoznávať vzdialenosti medzi sebou a určitými objektmi vďaka tomu, že majú dve oči.

Teleskop Arecibo

Ak pred sebou držíte v ruke určitý predmet a pozriete sa naň iba jedným okom, potom to oko zavriete a pozriete sa naň druhým, vaša ruka sa bude mierne posúvať nabok. To sa nazýva paralaxa. Vzdialenosť medzi týmito dvomi pozorovaniami sa dá využiť pri vypočítavaní vzdialenosti daného predmetu.

Naše mozgy to robia prirodzene, keďže majú k dispozícii informácie z oboch našich očí – a astronómovia robia to isté s blízkymi hviezdami, ibaže využívajú iné senzory: teleskopy.

Predstavte si, že vo vesmíre sa vznášajú dve oči a dívajú sa na Slnko. Vďaka obežnej dráhe Zeme presne to i máme a touto metódou môžeme pozorovať posuny hviezdy vzhľadom na objekty v pozadí.

„Zmeriame, kde sa nachádzajú na oblohe určité hviezdy, trebárs v januári, a potom čakáme pol roka a zmeriame rovnaké hviezdy v júli, keď sú na opačnej strane Slnka,“ vraví Caseyová.

Vždy však prídeme k bodu, keď sú objekty priďaleko – je to zhruba 100 svetelných rokov –, takže pozorovaný posun je primalý na to, aby sa dal použiť pre relevantné výpočty. V takejto vzdialenosti sme sa však ešte ani nepriblížili k okraju našej vlastnej galaxie.

Ďalším stupienkom po rebríku je technika zvaná „príslušnosť k hlavnej postupnosti“. Závisí na našej znalosti toho, ako sa hviezdy určitej veľkosti – zvané hviezdy hlavnej postupnosti – vyvíjajú v čase.

V prvom rade menia farbu a stávajú sa čoraz červenšími. Presným meraním ich farby a žiarivosti a následným porovnaním s poznatkami ohľadom vzdialeností bližších hviezd hlavnej postupnosti, ktoré možno merať prostredníctvom paralaxy, dokážeme odhadnúť pozície tých vzdialenejších hviezd.

Tieto výpočty podporuje princíp, ktorý hovorí, že hviezdy rovnakej hmotnosti a veku by vyzerali rovnako žiarivo, ak by sa nachádzali v rovnakej vzdialenosti od nás. Keďže to tak však často nebýva, môžeme využiť rozdiely v týchto meraniach na to, aby sme zistili, ako ďaleko skutočne sú.

Naše Slnko je hviezdou hlavnej postupnosti

Hviezdy hlavnej postupnosti sa považujú pri takejto analýze za jeden typ „štandardných sviečok“ – čo značí teleso, ktorého magnitúdu (jasnosť) dokážeme matematicky vypočítať. Tieto „sviečky“ blikajú v priestore ako bodky a osvetľujú vesmír predvídateľným spôsobom. Hviezdy hlavnej postupnosti však nie sú ich jediným príkladom.

Bez pochopenia toho, ako sa jasnosť viaže na vzdialenosť, neprídeme na to, aká je vzdialenosť ešte vzdialenejších objektov – napríklad hviezd v iných galaxiách. Príslušnosť k hlavnej postupnosti tu nebude fungovať, pretože svetlo z takýchto hviezd (ktoré sú vzdialené milióny svetelných rokov) nedokážeme analyzovať dostatočne presne.

Ešte v roku 1908 prišla vedkyňa Henrietta Swan Leavittová z Harvardu s úžasným objavom, ktorý nám pomohol merať také obrovské vzdialenosti. Swan Leavittová zistila, že existuje špeciálna trieda hviezd, zvaná cefeidy.

„Pozorovaním zistila, že určitý typ hviezd sa v jasnosti postupom času líši – a táto premena ich jasnosti, ich „pulzácia“, sa priamo viaže na ich skutočnú jasnosť,“ hovorí Caseyová.

Inými slovami, jasnejšia cefeida bude „pulzovať“ pomalšie (vlastne v priebehu viacerých dní) než temnejšia cefeida. Keďže astronómovia dokážu merať pulz cefeíd relatívne jednoducho, dokážu predpovedať jasnosť hviezd. Vďaka sledovaniu toho, aká jasná sa hviezda javí, potom dokážu vypočítať jej vzdialenosť.

Tento princíp sa podobá príslušnosti k hlavnej postupnosti, pretože kľúčom je opäť jasnosť. Kľúčovým bodom je však to, že vzdialenosť možno merať rozličnými spôsobmi. A čím viac spôsobov poznáme, tým lepšie dokážeme pochopiť skutočné rozpätie nášho kozmického „dvora“.

RS Puppis je cefeida

Práve detekcia takýchto hviezd v našej galaxii presvedčila Harlowa Shapleyho o jej obrovskej veľkosti.

Začiatkom 20. rokov zameral Edwin Hubble cefeidy v neďalekej galaxii Andromeda a vypočítal, že je vzdialená ani nie milión svetelných rokov.

Naším dnešným najpresnejším odhadom je, že galaxia je vzdialená 2,54 milióna svetelných rokov. Hubblove merania to však nijako nezahanbuje; v skutočnosti sa stále len snažíme presne vypočítať vzdialenosť Andromedy. Údaj 2,54 milióna svetelných rokov je iba priemerom viacerých nedávnych výpočtov.

Práve preto je rozpätie vesmíru stále pre nás takým ťažkým orieškom. Dokážeme pomerne dobre odhadovať, ale vlastne je nesmierne ťažké zmerať vzdialenosti medzi galaxiami s dostatočnou presnosťou. Vesmír je vážne až taký veľký. A tu sa to nekončí.

Hubble zmeral aj jasnosť vybuchujúcich bielych trpaslíkov – supernov typu 1A. Dajú sa pozorovať vo veľmi vzdialených galaxiách, ktoré sa nachádzajú miliardy svetelných rokov od nás.

Keďže je možné vypočítať jasnosť týchto explózií, dokážeme určiť, ako sú ďaleko, podobne ako s cefeidmi. Supernovy typu 1A a cefeidy sú teda ďalšími príkladmi takzvaných „štandardných sviečok“.

Jestvuje však ešte jedna vlastnosť vesmíru, ktorá by nám mohla pomôcť merať také extrémne vzdialenosti. Nazýva sa červený posun.

Keď sa približuje, znie inak, než keď sa vzďaľuje

Ak vás niekedy obišla na ulici sanitka alebo policajné auto so zapnutou sirénou, dobre poznáte takzvaný Dopplerov jav. Keď sa sanitka približuje, siréna znie vyššími tónmi, no keď sa vzďaľuje, tóny klesajú.

To isté sa deje s vlnami svetla, avšak v omnoho nenápadnejšej forme. Môžeme postrehnúť takúto zmenu pri analyzovaní svetelného spektra vzdialených objektov. Spektrum bude obsahovať temné čiary, pretože niektoré špecifické farby pohltia častice vychádzajúce zo zdroja svetla – napríklad z povrchu hviezd.

Čím ďalej sú objekty od nás, tým bližšie k červenému koncu spektra sa budú čiary stáčať. Deje sa tak nielen preto, lebo objekty sú vzdialené, ale preto, lebo sa reálne pohybujú v čase ďalej od nás vďaka expanzii vesmíru. Zameranie červeného posunu svetla zo vzdialených galaxií je jeden spôsob, ako dokázať, že vesmír sa skutočne rozpína.

Funguje to podobne, ako keby ste na povrch balóna nakreslili bodky – každá by reprezentovala galaxiu – a potom balón nafúkli, vysvetľuje Kartik Sheth, programový vedec z NASA. Ako sa balón zväčšuje, zväčšujú sa aj vzdialenosti medzi jednotlivými bodkami. „Vesmír sa rozpína a každá galaxia sa vzďaľuje všetkým ostatným galaxiám.“

„V podstate môžeme povedať, že vlna by sa držala akejkoľvek frekvencie, v ktorej bola vyslaná, ale keďže teraz naťahujete časopriestor, vlna vyzerá dlhšia.“

Čím rýchlejšie sa galaxia pohybuje smerom od nás, tým ďalej musí byť – a tým väčší červený posun jej svetla nastane, keď ho budeme analyzovať tu na Zemi. Opäť to bol Edwin Hubble, kto zistil, že existuje proporčný vzťah medzi cefeidmi v ďalekých galaxiách a tým, koľko svetla z týchto galaxií bude vykazovať červený posun.

Dostávame sa k veľkému kľúču rozlúštenia tejto hádanky. Svetlo s najväčším červeným posunom, ktoré dokážeme zamerať v pozorovateľnom vesmíre, nasvedčuje tomu, že k nám putovalo z galaxií vzdialených 13,8 miliardy svetelných rokov.

Keďže toto je najstaršie svetlo, ktoré sme zamerali, je to pre nás aj mierka veku samotného vesmíru.

Existuje obrovské množstvo galaxií

Počas tých 13,8 miliárd rokov sa vesmír stále rozpínal – a spočiatku veľmi veľkou rýchlosťou. S ohľadom na túto informáciu astronómovia zistili, že galaxie priamo na okraji pozorovateľného vesmíru, ktorých svetlo k nám putovalo 13,8 miliárd rokov, musia byť teraz vzdialené 46,5 miliardy svetelných rokov.

Také je naše najpresnejšie meranie polomeru pozorovateľného vesmíru. Jeho dvojnásobok, samozrejme, udáva priemer: 93 miliárd svetelných rokov.

Tento údaj závisí na mnohých ďalších meraniach a vedeckých poznatkoch a je vyvrcholením storočí práce. Ako však poznamenáva Caseyová, stále je to len „hrubý“ údaj.

Po prvé, s ohľadom na komplexnosť najstarších galaxií, ktoré sme objavili, nie je úplne jasné, ako sa mohli sformovať tak skoro po Veľkom tresku. Jednou možnosťou je, že niektoré z výpočtov nie sú úplne správne.

„Ak sa niektorý zo stupienkov rebríka kozmických vzdialeností mýli o 10 %, potom sa všetko mýli o 10 %, pretože na seba vzájomne nadväzujú,“ hovorí Caseyová.

Takisto musíme zobrať do úvahy vesmír za tým pozorovateľným – teda „celý“ vesmír, ktorý kedy existoval. V závislosti na tom, ktorá z teórií tvaru vesmíru sa vám najviac páči, by vesmír mohol byť konečný i nekonečný.

Mihran Vardanyan a jeho kolegovia z Oxfordskej univerzity v Spojenom kráľovstve nedávno analyzovali dáta o objektoch v pozorovateľnom vesmíre v snahe zistiť, aký tvar má vesmír.

Po použití počítačových algoritmov na hľadanie významných vzorcov v dátach získali nový odhad. Celý vesmír je zhruba 250 ráz väčší než pozorovateľný vesmír.

Najvzdialenejšie galaxie sú nepredstaviteľne ďaleko

Tieto najvzdialenejšie oblasti nikdy neuvidíme. Beztak by mal byť pozorovateľný vesmír dosť veľký pre väčšinu ľudstva. Pre vedcov ako Caseyová a Sheth je naďalej zdrojom fascinácie.

„Všetko, čo sme zistili o vesmíre – o jeho veľkosti, o všetkých úžasných objektoch, čo sa v ňom nachádzajú –, sme zistili vďaka zhromažďovaniu fotónov svetla, ktoré cestovali milióny a milióny svetelných rokov, len aby prišli a stratili sa v našich detektoroch, kamerách alebo rádiových teleskopoch,“ hovorí Sheth.

„Je to pokorujúce,“ priznáva Caseyová. „Astronómia nás naučila, že nie sme stredom vesmíru, nie sme ani len stredom Slnečnej sústavy či stredom našej galaxie.“

Jedného dňa možno budeme fyzicky cestovať omnoho ďalej do vesmíru, než ktokoľvek z nás sníval. Nateraz sa môžeme len dívať. Ale takéto dívanie nám predsa umožňuje zatúlať sa vcelku ďaleko.