Možda najveće otkriće o Svemiru koje smo napravili krajem prošlog stoljeća, kada smo otkrili jednu od najčudnijih kozmičkih istina: udaljene galaksije ne samo da lete od nas kako vrijeme odmiče naprijed, već i lete sve brže i brže. Otkriće ubrzanog širenja svemira u sklopu projekta kozmologije Supernove uz pomoć tima za pretragu Supernova Super-z, osvojilo je znanstvenike Nobelovom nagradom za fiziku. Iako je ovo jedna od najčudnijih i najneobičnijih pojava u svemiru.
Činjenica je da Svemir nije uvijek ubrzavao, leteći daleko od nas. Za milijarde godina, ekspanzija je usporila, a nekome koji živi prije deset milijardi godina moglo bi se činiti da se ugovara. Što se dogodilo?
U 1920-im su predstavljena četiri dokaza - tri promatračka i jedan teorijski - da se svemir širi. Evo ih:
1. Otkriveno je da su spiralne maglice na noćnom nebu bile prave galaksije, ili "otočni svemiri", koje sadrže milijarde zvijezda i nalaze se daleko izvan Mliječnog puta.
2. Mjerenje crvenih i plavih pomaka tih galaksija Vesto Slifer pokazalo je koliko brzo se te galaksije ili odmiču od nas (crveno pomicanje), ili nam se približavaju (blueshift), a velika većina je slijedila prvi scenarij.
3. Mjerenja udaljenosti od svake od tih galaksija obavili su Edwin Hubble i njegov pomoćnik Milton Humason. U kombinaciji sa Slipherovim opažanjima otkrili su jasan odnos: što je dalje galaksija, to se brže odmaklo od nas.
4. Konačno, snažan teorijski skok učinjen Einsteinovom općom teorijom relativnosti: spoznaja da svemir, koji je ispunjen galaksijama približno iste gustoće u svim smjerovima, mora biti nestabilan ako se ne širi ili ugovara.
To je dovelo do slike svemira iz 1929. godine: bio je topliji, gušći i proširio se brže u prošlosti, a onda je postao hladniji, manje gust i vremenom se polako proširio.
Promotivni video:
To je sasvim logično s gledišta Velikog praska. Zamislite Veliki prasak kao početni pištolj velike svemirske utrke, utrku između početnog širenja s jedne strane, koje je u početku bilo vrlo brzo, i gravitacije na drugoj strani, koja sve spaja. Lako je zamisliti tri različite opcije od kojih svaka rezultira različitim tempom svemira:
1. Velika kompresija. Možda je početna brzina ekspanzije bila prilično visoka, ali sila gravitacije bila je jača. Ekspanzija bi trebala usporiti i zaustaviti se. Svemir mora dostići svoju maksimalnu veličinu i početi se smanjivati. I na kraju, ona se mora ponovo srušiti, vraćajući se u stanje prije Velikog praska.
2. Veliko smrzavanje. To je suprotan scenarij s prethodnim: u kojem se širenje započinje brzo, a gravitacija ga usporava, ali nije dovoljno. Proširenje traje vječno, gravitacija ga usporava cijelo vrijeme, ali ne može ga zaustaviti. Ovaj scenarij poznat je pod nazivom Toplina smrti svemira: Velika smrzavanja.
3. Kritični svemir. Postoji i mogućnost da se nađete u sredini, kada se brzina ekspanzije i gravitacija izjednače jedan s drugim, a brzina širenja s vremenom će usporiti. Jedna čestica manje, još jedna čestica u Svemiru - i dobit ćete prvi ili drugi scenarij. Ali ta čestica ne postoji. Scenarij "kritičnog svemira" doveo bi do najsporije moguće toplinske smrti.
Za milijarde godina činilo se da će kritična opcija pobijediti. Vidite, kad živite u svemiru i gledate različite galaksije, ne možete samo izmjeriti trenutnu brzinu širenja, već gledajući najudaljenije galaksije, možete mjeriti i brzinu širenja na početku povijesti svemira.
Ova slika prikazuje galaksije koje su za nas već nedostupne.
Za milijarde godina - tačno oko sedam milijardi - činilo se da živimo u kritičnom svemiru. Širenje je započelo u doba zračenja (fotoni i neutrini), a onda se sve dovoljno ohladilo da započne era materije (i obične i tamne). Kako se svemir nastavio širiti, gustoća materije je padala i padala kako se volumen materije povećavao, a masa ostala ista.
Ali u nekom je trenutku gustoća materije pala na tako nisku vrijednost da je izronio još jedan, suptilniji doprinos gustoći energije Svemira: tamna energija. U približno sedam milijardi godina, veličina tamne materije dostigla je nekoliko posto ukupne gustoće energije, a do trenutka kada je svemir stario 7,8 milijardi godina, gustoća tamne energije dostigla je važnu vrijednost: 33% ukupne gustoće energije u svemiru. To je važno jer je potrebna količina tamne energije kako bi brzina širenja počela rasti.
Od tada, prije otprilike 6 milijardi godina, gustoća materije počela je opadati, dok je tamna energija ostala konstantna. Trenutno tamna tvar čini oko 68% ukupne energije svemira, a materija je pala na 32% ukupno (27% tamne materije i 5% obične materije). S vremenom će u budućnosti gustoća materije i dalje opadati, dok će gustoća tamne energije ostati konstantna, tamna energija će sve više i više prevladavati.
Gustina energije u Svemiru u različitim vremenima u prošlosti
Za pojedine galaksije to će značiti da će se galaksija koja se počela udaljavati od nas u vrijeme Velikog praska brže od ostalih, pokazati očigledno smanjenje brzine (s našeg stajališta) u prvih 7,8 milijardi godina. Tada će stopa usporavanja prestati padati i neko vrijeme će ostati nepromijenjena. Tada će početi rasti i galaksija će se početi odmaknuti od nas još brže nego prije jer se prostor između nas i udaljenih galaksija širi ogromnom brzinom. U nekom trenutku - a to je zastrašujuće jer se odnosi na 97% galaksija u našem vidljivom svemiru - svaka će se galaksija izvan naše lokalne skupine udaljiti brzinom većom od svjetlosne brzine, postajući tako izvan dosega zbog fizičkih ograničenja.
Žuto je istaknuto trenutna veličina vidljivog svemira: 46 milijardi svjetlosnih godina; Veličina koju možemo postići je u ružičastoj boji: 14,5 milijardi svjetlosnih godina
Koliko možemo reći, svemir je oduvijek imao količinu tamne energije koju sada ima svojstven samom kozmosu. Ali trebalo je 7,8 milijardi godina, ili čitava povijest Svemira prije godinu i pol milijarde godina prije nego što se stvorio naš Sunčev sustav, kako bi se gustoća materije spustila na toliku razinu da je tamna energija preuzela širenje svemira. Od tada se sve galaksije izvan naše lokalne skupine povlače od nas i nastavit će se povlačiti sve dok posljednja ne nestane. Svemir se proširio tijekom posljednjih šest milijardi godina, i da smo se pojavili ranije, možda ne bismo išli izvan ove tri mogućnosti koje nudi naša intuicija. U najboljem slučaju mogli smo samo nagađati što je točno svemir. I to bi bila naša najveća nagrada.