Vesmír: Kozmos, Ktorý Je 95% Neviditeľný

Pozrite sa hore na jasnej noci a každá hviezda, planéta a žiariaca hmlovina, ktorú vidíte, patrí malej menšine. Tmavá hmota tvorí 85% celkovej hmotnosti vesmíru, zatiaľ čo tmavá hmota a tmavá energia spolu tvoria 95% jeho celkového obsahu hmotnosti a energie. Obyčajná hmota – všetko, čo sa skladá z atómov, vrátane každej hviezdy a čitateľa tejto stránky – je v porovnaní zaokrúhľovacou chybou.

Vesmír je všetko: všetka hmota, energia a štruktúry, ktoré vytvárajú, od subatómových čiastok až po galaktické vlákna. Rozširuje sa 13,8 miliardy rokov, počnúc hustou ohnivou guľou z Veľkého tresku, a kozmológovia strávili posledné storočie mapovaním, ako je táto expanzia a jej obsah skutočne zvláštny.

Časť vesmíru, ktorú môžeme skutočne pozorovať, je guľa zameraná na Zem. Správna vzdialenosť medzi Zemou a okrajom pozorovateľného vesmíru je 46 miliárd svetelných rokov, čo znamená, že celá bublina je широká asi 93 miliárd svetelných rokov. Toto číslo prekvapuje ľudí, ktorí predpokladajú, že „13,8 miliardy rokov" by mali obmedziť viditeľný vesmír na polomer 13,8 miliardy svetelných rokov.

Riešenie spočíva v tom, že svetlo a priestor robia dve rôzne veci. Svetlo z okraja pozorovateľného vesmíru cestuje asi 13,8 miliardy rokov, vek vesmíru, ale správna vzdialenosť k tomuto okraju je väčšia, pretože sa okraj a Zem naďalej vzďaľovali, zatiaľ čo sa priestor sám rozširoval počas cesty. Svetlo je staré; priestor, ktorý prešlo, sa pod ním naďalej tiahne.

Nikto nevie, ako je veľký vesmír ako celok – len koľko z neho vidíme odtiaľto. Číselnosť 93 miliárd svetelných rokov je horizont, nie múr.

V rámci tohto horizontu sa čísla stávajú takmer absurdnými. Pozorovateľný vesmír obsahuje až odhadovaných 2 bilióny galaxií a celkovo až odhadovaných 10^24 hviezd – viac hviezd ako všetky zrnká piesku na každej pláži na Zemi.

Toto porovnanie nie je iba rétorickou figúrou; je to druh čísla, ktoré prestane znamenať niečo v momente, keď sa ho pokúsite predstaviť. Dve bilióny galaxií je približne 250 galaxií na každého teda živého človeka, a každá z týchto galaxií môže obsahovať stovky miliárd hviezd. Mliečna dráha je jedna galaxia medzi týmto počtom, obiehajúca nič zvláštneho, na žiadnom zvláštnom mieste.

Tu je časť, ktorá drží fyzikov v noci budúce: väčšina tejto hmotnosti a energie nie je vôbec vyrobená z atómov. Husota hmotnosti a energie vesmíru je 68% tmavá energia, 27% tmavá hmota a 5% obyčajná hmota – materiál hviezd, planét a ľudí.

Odhaduje sa, že tmavá hmota sama o sebe predstavuje 26,8% celkovej hmotnosti a energie vesmíru, ale 84,5% celkovej hmoty v ňom. Inými slovami, keď astronómovia hovoria o „hmote" v kozmickom zmysle, päť zo šiestich jednotiek je tmavá hmota, nie atómy. Nevyžaruje, neabsorbuje ani neodráža svetlo, a jej prítomnosť je odvodená čisto z jej gravitácie – jednoducho sa neobjavuje v 5%, ktoré môžeme priamo zistiť.

Aj 5% označené ako „normálna hmota" je zavádzajúce, ak si predstavujete hviezdy. Väčšina normálnej hmoty vo vesmíre je neviditeľná, pretože viditeľné hviezdy a plyn v galaxiách a zhlukoch predstavujú menej ako 10% príspevku normálnej hmoty k hustote hmotnosti a energie vesmíru. Väčšina existujúcich atómov nigde neláskajú – je to rozptýlený plyn rozptýlený medzi galaxiami a okolo nich, nikdy dostatočne hustý na zažatie.

Fyzika predpovedá, že Veľký tresk mal vytvoriť hmotu a antihmotu v rovnakých množstvách, ktoré by sa navzájom zrušili na čistú energiu a nič nezanechali – žiadne galaxie, žiadne hviezdy, žiadni čitatelia. Očividne sa to nestalo: vesmír má 10 miliárd krát viac hmoty ako antihmoty.

Toto nerovnomerné pomeranie je jedným z otvorených záhad kozmológie a je tiež dôvodom, prečo vôbec niečo existuje. Aj keď hmota má výhodu desať miliárd ku jednej, výsledný vesmír je pozoruhodne riedky. Priemerná husota vesmíru, rozptýlená po celom priestore, je približne 1 protón na 200 litrov – prázdnejšia ako najlepšia vákuová komora, ktorá bola kedy postavená na Zemi.

Kozmické mikrovlnné pozadie alebo CMB je to najblížšie, čo má kozmológia k detskej fotografii. Je to zvyšková žiarenie zostávajúce z približne 380 000 rokov po Veľkom tresku, keď teplota vesmíru po prvý raz klesla do bodu, kde sa jadra mohli kombinovať s elektrónmi na vytvorenie neutrálnych atómov, čo umožňovalo svetlu voľne cestovať po prvý raz.

Toto zvyšková žiarenie sa od tej doby ochladilo. Dnes má CMB spektrum tepelného čierneho telesa pri teplote 2,72548±0,00057 K – pár stupňov nad absolútnom nulou, jednotne po celej oblohe.

Bola objavená takmer náhodou. Objav CMB v roku 1964 americkými rádioastrónómami Arno Allanorom Penziasonom a Robertom Woodrowom Wilsonom bol vyvrcholením práce iniciovanej v 40. rokoch; snažili sa eliminovať šum z rádiovej antény a namiesto toho narazili na zvyškovú teplo samotného Veľkého tresku.

CMB je tiež takmer, ale nie úplne, dokonale hladký. Je izotropný na približne jednu časť z 25 000, s koreňovými stredné kvadratické varianciami o niečo viac ako 100 μK, akonáhle sa odpočíta dipól spôsobený našou vlastnou pohybom. Tento dipól je sám osebe faktom, ktorý stojí za poznania: je spôsobený vlastnou zvláštnou rýchlosťou Slnka 369,82±0,11 km/s vzhľadom na spoluposunutý kozmický klokový rámec, zatiaľ čo sa slnečná sústava driftuje k súhvezdí Crater blízko jeho hranice s Levom. Aj keď stojiš stále na Zemi, budeš prepravovaný kozmickým najstaršej svetlom touto rýchlosťou.

Tmavá energia je najneobvyklejšou zložkou v zmesi, práve preto, že je taká tenká. Husota tmavej energie je veľmi nízka, približne 7×10−30 g/cm3, oveľa nižšia ako husota normálnej hmoty alebo tmavej hmoty v galaxiách. Jedna galaxia balí oveľa viac hmoty do svojho objemu, ako tmavá energia v rovnakom priestore.

A predsa dominuje cekovému energetickému rozpočtu vesmíru, pretože na rozdiel od hmoty sa nerozptyluje pri rozšírení priestoru – vyplňuje každý nový kubický meter priestoru rovnakou nízkou hustotou a priestor pokračuje v tvorbe viac kubických metrov. Dôkaz, že tento tlak je skutočný, nie teoretický, prišiel v roku 1999: Supernova Cosmology Project našiel dôkazy, že expanzia vesmíru sa zrýchľuje, namiesto toho aby sa spomaľovala pod vlastnou gravitáciou, ako astronómovia predpokladali. Niečo tlačilo späť proti gravitácii v najväčších mierkach, a odvtedy to vyhrává.

Na vonkajšom okraji pozorovateľného vesmíru sedí súčasný rekordsmaž na vzdialenosť: najvzdialenejší identifikovaný astronomický objekt je galaxia klasifikovaná ako MoM-z14, s červeným posuvom 14,44. Jeho svetlo opustilo domov, keď mal vesmír malý zlomok svojho súčasného veku, a cestuje k nám od tej doby.

Priblížte sa späť na mierku galaktických zhluko a super-zhluko, a štruktúra vesmíru sa nakoniec vyčerpáva. Na mierkach medzi 30 a 200 megaparsekami sa zdá, že v bezne vesmíru nie je žiadna pokračujúca veľkošcálová štruktúra, fenomén označovaný ako Koniec Veľkosti – za touto veľkosťou kozmická sieť vlákien a prázdnot podlieha vesmíru, ktorý vyzerá štatisticky rovnaký v každom smere. Štruktúra má strop; jednotnosť nie.

• Wikipedia: Universe
• Wikipedia: Observable universe
• Wikipedia: Cosmic microwave background
• Wikipedia: Dark energy
• Wikipedia: Dark matter