Ile lat ma Wszechświat?
W 1929 roku amerykański astronom Edwin Hubble definitywnie zmienił nasze poglądy na Wszechświat. Przy użyciu najnowocześniejszego (jak na ówczesne czasy) teleskopu na Mount Wilson w pobliżu Los Angeles udowodnił on, że: (1) gwiazdy we Wszechświecie grupują się w galaktyki i (2) galaktyki oddalają się wzajemnie od siebie. Innymi słowy, odkrył on, że Wszechświat się rozszerza.
Od tego odkrycia niewielki krok do idei Wielkiego Wybuchu i wyobrażenia, że Wszechświat zaczął się w ściśle określonym czasie w przeszłości, a wobec tego ma określony wiek (zastanówmy się nad dzisiejszym tempem rozszerzania i wyobraźmy sobie wyświetlenie tego filmu do tyłu, aż do momentu gdy wszystko skurczy się do jednego punktu). Mało znaną ciekawostką historyczną jest to, że w oryginalnej pracy Hubble’a pierwsza wartość wieku Wszechświata wynosiła 2 miliardy lat. Od początku lat 30. aż do roku 1956 (gdy, jak to dalej omówimy, usunięte zostały pewne niezgodności w pierwotnych pomiarach) wiek Wszechświata wynosił oficjalnie około połowy wieku Ziemi! Wspominam tę historyczną anomalię, gdyż dzisiaj, dzięki wynikom otrzymanym przez umieszczony na orbicie teleskop nazwany nazwiskiem Hubble’a, zaczynamy mieć do czynienia z bardzo podobną sytuacją.
Najpierw krótko o poznawaniu wieku Wszechświata.
O każdej galaktyce znajdującej się gdzieś tam musimy wiedzieć dwie rzeczy: jak szybko się od nas oddala i jak jest daleko. Rzeczywiste obliczenia przypominają (lecz są trochę bardziej skomplikowane) określenie czasu rozpoczęcia podróży na podstawie informacji, na przykład, że samochód porusza się z prędkością 30 km/h i znajduje się w odległości 90 kilometrów.
Pomiar szybkości galaktyki jest łatwy. Przypatrujemy się światłu dochodzącemu od atomu w tej galaktyce i stwierdzamy, czy ma ono tę samą długość fali, co światło emitowane przez atom tego samego rodzaju w naszym laboratorium. Jeśli światło z galaktyki ma większą długość fali (jest więc bardziej czerwone), znaczy to, że źródło pomiędzy momentem wyemitowania jednego grzbietu fali i następnego musiało się od nas odsunąć. Podzielenie różnicy długości fali przez czas pomiędzy kolejnymi grzbietami daje prędkość atomu oraz galaktyki, której jest on częścią.
Jeśli nie określenie prędkości galaktyki, to pomiar odległości od niej był (i pozostaje nadal) głównym problemem przy określaniu wieku Wszechświata. Obserwowanie odległej galaktyki przypomina patrzenie na żarówkę zaświeconą w całkowicie zaciemnionym pomieszczeniu – nigdy nie można stwierdzić, czy obserwujemy coś bardzo jasnego, ale z daleka, czy słabego – lecz z bardzo bliska.
Sposób, w jaki astronomowie zabierali się do tego problemu, sprowadzał się do znalezienia „standardowej świecy”, obiektu, którego całkowity wydatek energetyczny jest znany. Pomysł polega na tym, że jeżeli wiemy, ile obiekt wyświeca energii, i zmierzymy, ile energii faktycznie od niego otrzymujemy, to obliczymy odległość od niego. Przez analogię do ciemnego pomieszczenia, gdyby standardową świecą była stuwatowa żarówka, wówczas – jeśli wydawałaby się słaba, wiedzielibyśmy, że jest daleko, jeśli jasna, musiałaby być blisko.
Najważniejszą historycznie standardową świecą w astronomii była gwiazda należąca do typu zwanego cefeidami (nazwa pochodzi od gwiazdozbioru Cefeusza, w którym pierwsza gwiazda tego typu została odkryta). Gwiazdy te regularnie jaśnieją i ciemnieją w cyklu trwającym kilka tygodni lub miesięcy, a długość cyklu zależy od całkowitej energii, jaką gwiazda wypromieniowuje w przestrzeń. Pomiar długości okresu zmian jasności cefeidy równoważny jest odczytaniu mocy żarówki z naszego przykładu.
Hubble był w stanie dostrzec pojedyncze cefeidy w pobliskich galaktykach, co umożliwiło mu odkrycie rozszerzania się Wszechświata. Odkrycie w 1956 roku dwóch różnych typów cefeid (które Hubble ze sobą przemieszał) pozwoliło później uczynić oszacowany wiek Wszechświata większym od wieku Ziemi. Aż do 1994 roku nie mieliśmy tak skutecznych technik obserwacyjnych, by dostrzec pojedyncze gwiazdy w gromadach galaktyk bardziej odległych niż jakieś 50 milionów lat świetlnych, co oznaczało, że do określenia odległości galaktyk dalszych musieliśmy stosować oszacowania pośrednie i oceny wieku Wszechświata wahały się między 7 a 20 miliardami lat.
W 1994 roku dwie grupy astronomów (jedna pracująca na Ziemi za pomocą skomplikowanych układów elektronicznych, a druga używająca Teleskopu Kosmicznego Hubble’a) wyodrębniły w końcu niektóre z tych gwiazd i określiły dokładną odległość od grupy galaktyk zwanej Gromadą Virgo. Wynik ich pomiarów jest następujący: Wszechświat ma między 8 a 12 miliardów lat.
Nadal toczy się wiele sporów wokół tych liczb, tak więc nie należy być zaskoczonym, jeżeli inne grupy naukowców w ciągu kilku najbliższych lat uzyskają inny wynik. Jeśli jednak ten wynik pomiaru wieku będzie utrzymywany, wstrząśnie to wieloma naszymi wyobrażeniami o zasadach funkcjonowania Wszechświata. Pierwszym problemem jest to, że astronomowie badający cykl życia gwiazd twierdzą, iż wiele z nich ma wiek od 12 do 16 miliardów lat. Osobiście przypuszczam, że powtórzy się znana już historia i prędzej czy później będziemy musieli postarzeć Wszechświat. Jeśli okaże się to niemożliwe, wtedy może być niezbędne zbadanie od nowa zagadnienia Wielkiego Wybuchu. Ale heca!