Co je na okraji vesmíru?

V roce 2019 je běžnou emocí čtyřikrát nebo pětkrát za den si naléhavě přát, abychom byli vypuštěni nejen do vesmíru, ale až na samý okraj vesmíru, co nejdále je možné se dostat od horečnatého snu o špatném počasí, rozbitých vlacích a potenciálně rakovinových lézích na stehnech, který tvoří život na Zemi. Ale co by vás čekalo nahoře na kosmologické hranici? Je to vůbec hranice, nebo to, s čím tu máme co do činění, připomíná spíše jakýsi nepředstavitelně rozsáhlý strop? Existuje tam nahoře vůbec nějaká hranice/strop? V tomto týdnu jsme v rámci pořadu Giz Asks hovořili s několika fyziky, kteří se zabývají kosmologií, abychom to zjistili.

Sean Carroll

Výzkumný profesor fyziky na Caltechu, jehož výzkum se mimo jiné zaměřuje na kvantovou mechaniku, gravitaci, kosmologii, statistickou mechaniku a základy fyziky

Pokud víme, vesmír nemá žádný okraj. Hranice pozorovatelného vesmíru existuje – vidíme jen tak daleko. Je to proto, že světlo se šíří konečnou rychlostí (jeden světelný rok za rok), takže když se díváme na vzdálené věci, díváme se také zpět v čase. Nakonec uvidíme to, co se dělo před téměř 14 miliardami let, zbytkové záření po velkém třesku. To je kosmické mikrovlnné pozadí, které nás obklopuje ze všech stran. Ve skutečnosti však nejde o fyzikální „okraj“ v žádném užitečném smyslu.

Protože vidíme jen tak daleko, nejsme si jisti, jak vypadají věci mimo náš pozorovatelný vesmír. Vesmír, který vidíme, je ve velkých měřítkách poměrně jednolitý a možná to trvá doslova věčně. Případně se vesmír může ovíjet jako (trojrozměrná verze) koule nebo torus. Pokud by to byla pravda, vesmír by měl konečnou celkovou velikost, ale stále by neměl okraj, stejně jako kruh nemá začátek ani konec.

Je také možné, že vesmír není jednotný za tím, co vidíme, a podmínky jsou na různých místech divoce odlišné. Touto možností je kosmologický multivesmír. Nevíme, zda multivesmír v tomto smyslu existuje, ale protože ve skutečnosti nemůžeme vidět tak či onak, je moudré zachovat si otevřenou mysl.

Jo Dunkley

Profesorka fyziky a astrofyziky na Princetonské univerzitě, jejíž výzkum se zabývá kosmologií a studiem vzniku a vývoje vesmíru

Další články!

Ok, takže si vlastně nemyslíme, že vesmír má nějaký okraj. Myslíme si, že buď pokračuje nekonečně daleko všemi směry, nebo se možná nabaluje sám na sebe, takže není nekonečně velký, ale přesto nemá žádné okraje. Povrch koblihy je takový: nemá žádný okraj. Je možné, že celý vesmír je také takový (ale ve třech rozměrech – povrch koblihy je jen dvourozměrný). To znamená, že byste se mohli vydat raketovou lodí libovolným směrem do vesmíru, a pokud byste cestovali dostatečně dlouho, vrátili byste se tam, odkud jste vyrazili. Žádné hrany.

Existuje ale také něco, čemu říkáme pozorovatelný vesmír, což je část prostoru, kterou můžeme skutečně vidět. Jeho okraj je místo, za které k nám světlo od počátku vesmíru nestihlo dorazit. To je jen okraj toho, co můžeme vidět, a za ním je pravděpodobně více stejných věcí, které vidíme kolem sebe: superkupy galaxií, z nichž každá obrovská galaxie obsahuje miliardy hvězd a planet.

Jessie Shelton

Doktorka fyziky a astronomie na Illinoiské univerzitě v Urbana-Champaign, jejíž výzkum se zaměřuje na astrofyziku a kosmologii

To záleží na tom, co myslíte okrajem vesmíru. Protože rychlost světla je konečná, jak se díváme stále dál do vesmíru, díváme se stále dál do minulosti – dokonce i když se díváme na sousední galaxii, Andromedu, nevidíme to, co se děje nyní, ale to, co se dělo před dvěma a půl miliony let, kdy hvězdy Andromedy vysílaly světlo, které naše teleskopy detekují až nyní. Nejstarší světlo, které můžeme vidět, pochází z nejvzdálenějších míst, takže v jistém smyslu je okraj vesmíru to, co můžeme vidět v nejstarším světle, které k nám dorazí. V našem vesmíru je to kosmické mikrovlnné pozadí – slabé, přetrvávající záření po velkém třesku, které označuje dobu, kdy se vesmír ochladil natolik, že se v něm mohly vytvořit atomy. Říká se mu povrch posledního rozptylu, protože označuje místo, kde fotony přestaly ping-pongovat mezi elektrony v horkém ionizovaném plazmatu a začaly proudit průhledným prostorem až k nám na Zemi přes miliardy světelných let. Dalo by se tedy říci, že okraj vesmíru je plochou posledního rozptylu.

Co se právě teď nachází na okraji vesmíru? No, to nevíme – nemůžeme, museli bychom počkat, až se sem světlo, které je tam nyní vyzařováno, dostane za mnoho a mnoho miliard let v budoucnosti, a protože se vesmír rozpíná stále rychleji, pravděpodobně se sem vůbec nedostane – ale můžeme to odhadnout. V největších měřítkách vypadá náš vesmír v podstatě stejně, ať se díváme kterýmkoli směrem. Je tedy pravděpodobné, že kdybyste se dnes ocitli na okraji našeho pozorovatelného vesmíru, viděli byste vesmír, který by vypadal víceméně stejně jako ten náš – galaxie, velké i malé, ve všech směrech. Velmi dobrým odhadem toho, co je nyní na okraji vesmíru, je tedy jednoduše více vesmíru: více galaxií, více planet, možná i více živých bytostí, které si kladou stejnou otázku.

Michael Troxel

Doktorand, fyzik, Duke University, jehož výzkum se zaměřuje na observační a teoretickou kosmologii

Přestože je vesmír pravděpodobně nekonečně velký, ve skutečnosti existuje více než jeden praktický „okraj“.

Myslíme si, že vesmír je ve skutečnosti nekonečný – nemá žádný okraj. Pokud je vesmír ‚plochý‘ (jako list papíru), což jsme ověřili s přesností větší než jedno procento, nebo ‚otevřený‘ (jako sedlo), pak je skutečně nekonečný. Pokud je „uzavřený“, což je něco jako basketbalový míč, pak nekonečný není. Pokud se však vydáte dostatečně daleko jedním směrem, nakonec skončíte tam, kde jste začali – stačí si představit pohyb po povrchu míče. Jak kdysi řekl hobit jménem Bilbo: „Cesta vede stále dál a dál/Od dveří, kde začala“ (stále dokola…).

Vesmír má pro nás ale stále „hranu“, vlastně dvě. Je to dáno částí obecné relativity, která říká, že všechny věci (včetně světla) ve vesmíru mají určitý rychlostní limit – asi 670 milionů mil za hodinu – a tento rychlostní limit je všude stejný. Naše měření nám také říkají, že vesmír se rozpíná ve všech směrech, a nejenže se rozpíná, ale rozpíná se v čase stále rychleji. To znamená, že když pozorujeme objekt velmi daleko od nás, světlu z tohoto objektu trvá určitou dobu, než k nám dorazí (vzdálenost dělená rychlostí světla). Záludnost spočívá v tom, že protože se prostor při cestě světla k nám rozpíná, vzdálenost, kterou musí světlo na cestě k nám urazit, se s časem také zvětšuje.

Takže první věc, na kterou byste se mohli zeptat, je, jaká je nejvzdálenější vzdálenost, do které bychom mohli pozorovat světlo z nějakého objektu, kdyby bylo vyzařováno na samém počátku vesmíru (což je asi 13,7 miliardy let). Ukazuje se, že je to asi 47 miliard světelných let (světelný rok je asi 63 241krát větší vzdálenost než vzdálenost mezi Zemí a Sluncem) a nazývá se „komovingový horizont“. Otázku můžete položit také trochu jinak. Kdybychom poslali zprávu rychlostí světla, v jaké největší vzdálenosti by ji mohl někdo z jiné planety přijmout? To je ještě zajímavější, protože rychlost rozpínání vesmíru se v budoucnosti zrychluje (místo aby se v minulosti zpomalovala).

Ukazuje se, že i kdyby zpráva cestovala věčně, mohla by se kdy dostat pouze k někomu, kdo je od nás nyní vzdálen 16 miliard světelných let. Tomu se říká „kosmický horizont událostí“. Nejvzdálenější planeta, kterou se nám podařilo pozorovat, je však vzdálená jen asi 25 tisíc světelných let, takže bychom nakonec mohli pozdravit všechny, o kterých víme, že by ve vesmíru zatím mohli existovat. Nejvzdálenější galaxie, kterou naše současné teleskopy dokázaly identifikovat od nás, je však vzdálena jen asi 13,3 miliardy světelných let, takže v tuto chvíli nemůžeme vidět, co se nachází na některém z těchto „okrajů“. Nikdo tedy neví, co je na obou okrajích!

Abigail Vieregg

Absistentka na Kavilově institutu kosmologické fyziky na Chicagské univerzitě

Pomocí teleskopů na Zemi pozorujeme světlo přicházející ze vzdálených míst vesmíru. Čím je zdroj světla vzdálenější, tím déle trvá, než se sem světlo dostane. Když se tedy díváte na vzdálená místa, díváte se na to, jak tato místa vypadala v době vzniku světla, které jste viděli – ne na to, jak tato místa vypadají dnes. Můžete se dívat stále dál a dál, což odpovídá stále větší vzdálenosti v čase, až narazíte na místo odpovídající několika stovkám tisíc let po velkém třesku. Předtím byl vesmír tak horký a hustý (dávno předtím, než vznikly hvězdy a galaxie!), že jakékoli světlo ve vesmíru jen chrastilo a my ho dnes našimi dalekohledy nemůžeme vidět. Toto místo je hranicí „pozorovatelného vesmíru“ – někdy se mu říká horizont – protože za něj nevidíme. Postupem času se tento horizont mění. Kdybyste se mohli podívat z jiné planety někde jinde ve vesmíru, pravděpodobně byste viděli něco velmi podobného tomu, co vidíme zde ze Země: svůj vlastní horizont, omezený časem, který uplynul od velkého třesku, rychlostí světla a tím, jak se vesmír rozpínal.

Jak dnes vypadá místo, které odpovídá horizontu Země? To nemůžeme vědět, protože se na toto místo můžeme dívat pouze tak, jak vypadalo těsně po velkém třesku, nikoli jak vypadá dnes. Všechna měření však naznačují, že celý vesmír, který můžeme vidět, včetně okraje pozorovatelného vesmíru, vypadá přibližně tak, jak dnes vypadá náš místní vesmír: s hvězdami, galaxiemi a kupami galaxií a spoustou prázdného prostoru.

Myslíme si také, že vesmír je mnohem mnohem větší než ta část vesmíru, kterou zde náhodou můžeme dnes ze Země vidět, a že žádný „okraj“ samotného vesmíru neexistuje. Je to jen rozpínající se časoprostor.

Arthur B. Kosowsky

Profesor fyziky na Pittsburské univerzitě, jehož výzkum se zaměřuje na kosmologii a související otázky teoretické fyziky

Jednou z nejzákladnějších vlastností vesmíru je jeho stáří, které na základě různých měření nyní určujeme na 13,7 miliardy let. Protože také víme, že světlo se šíří konstantní rychlostí, znamená to, že světelný paprsek, který začal ve velmi rané době, urazil do dnešního dne určitou vzdálenost (nazývá se „vzdálenost horizontu“ nebo „Hubbleova vzdálenost“). Protože se nic nešíří rychleji než rychlost světla, je Hubbleova vzdálenost nejvzdálenější vzdáleností, kterou můžeme z principu pozorovat (pokud neobjevíme nějaký způsob, jak obejít teorii relativity!).

Z téměř Hubblovy vzdálenosti k nám přichází zdroj světla: záření kosmického mikrovlnného pozadí. Víme, že až do vzdálenosti původu mikrovlnného pozadí, což je téměř celá Hubbleova vzdálenost od nás, neexistuje žádný „okraj“ vesmíru. Obvykle tedy předpokládáme, že vesmír je mnohem větší než náš pozorovatelný Hubbleův objem a jakýkoli skutečný okraj, který by mohl existovat, je mnohem dále, než můžeme kdy pozorovat. Je možné, že to není správně: možná má vesmír okraj těsně za Hubbleovou vzdáleností od nás a za ním jsou mořské příšery. Ale vzhledem k tomu, že celý vesmír, který můžeme pozorovat, vypadá relativně podobně a jednolitě, byl by to krajně podivný stav.

Obávám se tedy, že na tuto otázku nikdy nebudeme mít dobrou odpověď: vesmír možná vůbec žádný okraj nemá, a pokud nějaký okraj má, je tento okraj dostatečně daleko, aby se k nám světlo z okraje za celou historii vesmíru ještě nestihlo dostat. Musíme se spokojit s pochopením té části vesmíru, kterou můžeme skutečně pozorovat.

Máte nějakou palčivou otázku pro Giz Asks? Napište nám na [email protected].