Poszczególne obiekty, z których składa się Wszechświat, ciągle zmieniają się wskutek zachodzących w nim procesów fizycznych i chemicznych. Z materii międzygwiazdowej znajdującej się w galaktykach rodzą się gwiazdy, które następnie, w zależności od ich początkowej masy ewoluują szybciej lub wolniej. Wokół wielu gwiazd powstają planety, które również się zmieniają. Galaktyki także ewoluują i to nie tylko wskutek zmian w obiektach, z których się składają. Dochodzi do zderzeń galaktyk i ich łączenia się. Wszechświat jako całość również ulega ciągłym zmianom, podobnie jak poszczególne obiekty, z których się składa, możemy więc mówić o ewolucji Wszechświata jako całości.
Powstają pytania: Kiedy wszechświat powstał? Jak to się stało? Jaka jest jego obecna struktura? Czy jest skończony czy nieskończony? Jak dalej będzie się zmieniał? Jak się zakończy jego ewolucja? Nauką która, zajmuje się budową i ewolucją Wszechświata jako całości to kosmologia.
U podstaw kosmologii tkwi fundamentalne przekonanie, poparte wielką liczbą eksperymentów i obserwacji, że w całym Kosmosie obowiązują jednakowe prawa fizyki. Dzięki temu wnioski uzyskane na podstawie badań ograniczonych obszarów można uogólniać na cały (być może nieskończony) Wszechświat. Podstawowym postulatem koniecznym do uprawiania naukowej kosmologii i weryfikowania rozważań teoretycznych jest przyjęcie założenia, że obszar dostępny obserwacjom stanowi reprezentatywny fragment Wszechświata.

Komputerowa mapa sieci galaktyk

Wszechświat ma wyraźnie hierarchiczną strukturę. Ziemia wraz z innymi planetami tworzy Układ Planetarny wokół gwiazdy (Słońce). Słońce wraz z innymi gwiazdami i materią międzygwiezdną tworzy układ zwany galaktyką (Droga Mleczna). Galaktyki zaś należą do ugrupowania składającego się z kilkudziesięciu galaktyk, które nazywamy grupami galaktyk (Droga Mleczna należy do Lokalnej Grupy Galaktyk). Lokalna Grupa Galaktyk są częścią jeszcze większej struktury - Lokalnej Supergromady Galaktyk, w skład której wchodzą również inne grupy i gromady galaktyk. Supergromady łączą się między sobą, tworząc struktury podobne do sieci z prawie pustymi obszarami.
Galaktyki tworzą rozbudowane struktury, jednak niejednorodności rozmieszczenia materii zmniejszają się szybko w miarę przechodzenia do wielkich skal. To daje podstawę dla sformułowania zasady kopernikańskiej lub kosmologicznej (słaba zasada kosmologiczna), zgodnie z którą we Wszechświecie nie ma wyróżnionych miejsc, albo inaczej: Wszechświat z każdego miejsca wygląda tak samo, czyli jest jednorodny. Stwierdzenie o braku wyróżnionych punktów Wszechświata stanowi uogólnienie postulatu Mikołaja Kopernika o odebraniu Ziemi uprzywilejowanego, centralnego miejsca w Kosmosie. Zasada kosmologiczna nie jest spełniona w małych skalach.
Drugim założeniem z reguły przyjmowanym w kosmologii jest izotropia Wszechświata czyli brak wyróżnionych kierunków we Wszechświecie. Potwierdzają to wyniki obserwacji galaktyk oraz niemal doskonałej izotropii mikrofalowego promieniowania tła.


W 1929 roku Edwin Hubble odkrył badając widma dalszych obiektów astronomicznych przesunięcie linii widmowych ku podczerwieni, interpretowane jako zjawisko Dopplera. Wynika z tego, że galaktyki oddalają się jednakowo we wszystkich kierunkach proporcjonalnie do ich odległości od obserwatora. Stąd wniosek, że Wszechświat ulega ciągłemu rozszerzaniu się.
Na podstawie obserwacji dalekich supernowych na początku XXI wieku stwierdzono, że w pierwszym etapie tempo rozszerzania się Wszechświata zwalniało, a z jakiś niewiadomych powodów około 6 miliardów lat temu rozszerzanie zaczęło przyspieszać. Tłumaczy się to ujawnieniem tajemniczej ciemnej energii.


Wczesnego Wszechświata bezpośrednio obserwować nie możemy ponieważ był on nieprzezroczysty. 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu Wszechświat stał się wtedy na tyle rzadki, ze wypełniające go fotony gorącego promieniowania miały od jego powstania aż do dziś małe szanse napotkania cząstek materii zdolnych do ich pochłonięcia. Mówimy, że nastąpiło wówczas oddzielenie się materii od promieniowania. Fotony z tamtych czasów możemy obserwować dziś jako dochodzące do nas ze wszystkich stron promieniowanie tła. Choć promieniowanie to początkowo było tak gorące, jak otaczająca je materia, jego temperatura wynosiła około 1000 K, obecnie uległo tak znacznemu przesunięciu ku podczerwieni, że odpowiada promieniowaniu mikrofalowemu o temperaturze 2,7 Kelwinów.

Niejednorodny rozkład promieniowania reliktowego zaobserwowany przez satelitę COBE

Po raz pierwszy promieniowanie reliktowe wykryli A. A. Penzias i R. W. Wilson w 1965 roku, wykonując obserwacje radioastronomiczne. Promieniowanie to intensywnie badano za pomocą satelity COBE (Cosmic Background Explorer) wystrzelonej w 1992 roku, który miał udzielić odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące wczesnego Wszechświata. Powstała mapa tego promieniowania pochodząca z różnych rejonów Wszechświata. Wyraźnie widać obszary o wyższej i niższej temperaturze.
Dalsze rewelacje przyniosły jeszcze dokładniejsze pomiary prowadzone za pomocą balonów stratosferycznych w ostatniej dekadzie. Rozmiary niejednorodności ujawniły geometrię Wszechświata. Zanim bowiem promieniowanie dotarło do radioteleskopów, musiało odbyć długą podróż przez przestrzeń kosmiczną. Jeśli jest ona zakrzywiona, to obraz niejednorodności powinien być zniekształcony (powiększony lub pomniejszony). Niczego takiego jednak nie wykryto. Stąd wysnuto wniosek, że czasoprzestrzeń naszego Wszechświata nie jest zdeformowana.

Radioteleskop DASI w stacji polarnej Amundsena-Scotta na biegunie południowym

Niektórzy twierdzili, iż z promieniowania tła nie można wysnuwać tak daleko idących wniosków o Wszechświecie. Nie wszyscy bowiem zgadzali się z tym, że to słabe promieniowanie rzeczywiście niesie informację o zalążkach najwcześniejszych struktur kosmicznych. Na pierwotne promieniowanie mogły przecież nałożyć się dużo późniejsze wydarzenia w historii kosmosu, na przykład promieniowanie gromad galaktyk albo elektronów z międzygwiazdowej przestrzeni Drogi Mlecznej. Mogły one zmieszać się z promieniowaniem tła i dać fałszywy obraz.
Jeśli mikrofale są rzeczywiście śladem po gorącej epoce, to powinny być lekko spolaryzowane na brzegach cętek czyli obszarów o różnej temperaturze, gdyż ulegały wtedy rozproszeniu na plazmie. Zmierzyć polaryzację mikrofal było jednak dużo trudniej niż temperaturę. Umieszczono w 2002 roku radioteleskop DASI w stacji polarnej Amundsena-Scotta na biegunie południowym, gdyż tam atmosfera ma najmniej wilgoci, która pochłania mikrofale. Pomiar zajął aż 271 dni, ale zakończył się sukcesem. Stwierdzono, że promieniowanie tła jest lekko spolaryzowane. Jest to tak zwany typ E polaryzacji związane ze niejednorodnościami w rozkładzie materii wczesnego Wszechświata. W 2013 roku zostały odkryte przez South Pole Telescope (Teleskop Bieguna Południowego) w ramach projektu BICEP2 ślady polaryzacji typu B będące efektem soczewkowa grawitacyjnego. Podobny efekt mogą dawać fale grawitacyjne. W marcu 2014 roku ogłoszono odkrycie fal grawitacyjnych na podstawie śladów polaryzacjo typu B promieniowania reliktowego. Niestety najprawdopodobniej ziarna pyłu w naszej galaktyce powodują podobny efekt i we wrześniu zawieszono ogłoszenie wykrycia tych fal z oczekiwaniem na dokładniejsze wyniki.

Niejednorodny rozkład promieniowania reliktowego zaobserwowany przez satelitę WMAP

W czerwcu 2001 roku wystrzelono sondę WMAP. Po roku nieustannych obserwacji sonda dostarczyła mapy promieniowania tła o bezprecedensowej precyzji. Można zobaczyć na nich pierwotne zaburzenia, z których powstały później galaktyki, gromady i supergromady. Najważniejszym nowym wynikiem są pomiary polaryzacji promieniowania tła. Dzięki wynikom z WMAP w połączeniu z innymi obserwacjami można te parametry uściślić. Dlatego też dziś kosmolodzy są zgodni, że wiek Wszechświata wynosi około 13,7 miliardów lat i w wielkiej skali kosmos jest płaski, opisuje się go znaną ze szkoły geometria euklidesową.

Składniki Wszechświata według ostatnich badań

Co ważniejsze, dane z WMAP potwierdziły zdumiewającą hipotezę: tylko około 4% materii we Wszechświecie to zwykłe atomy. Mniej więcej 23% stanowią egzotyczne, jeszcze nie odkryte w laboratoriach cząstki oddziałujące tylko grawitacyjnie i być może słabo jądrowo zwane ciemną materią. Pozostałą część masy-energii, aż około 73%, stanowi tajemnicza ciemna energia o ujemnym ciśnieniu, powodująca na przekór grawitacji przyśpieszanie ekspansji Wszechświata.
Stwierdzono niebywałą zgodność z wynikami badań w innych dziedzinach astrofizyki. Już wcześniejsze obserwacje supernowych w odległych galaktykach sugerowały przyśpieszanie ekspansji kosmosu. Wyznaczony wiek Wszechświata jest zgodny z innymi metodami. W ten sposób kosmologia wkroczyła w wiek dojrzały i stała się nauką operującą precyzyjnie wyznaczanymi parametrami.

Artystyczna wizja Satelity FUSE podczas obserwacji odległego kwazara

Mniej więcej 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu wypełniająca Wszechświat mieszanka wodoru i helu była prawie doskonale jednorodna. Z upływem czasu drobne niejednorodności narastały pod wpływem grawitacji, przekształcając się w znane nam dzisiaj obiekty astronomiczne. Gdy kilkaset milionów lat później pierwsze z owych obiektów zaczęły emitować światło, rozpoczął się proces jonizacji, w wyniku którego część atomów utraciła elektrony. Neutralne atomy wodoru oraz neutralne i jednokrotnie zjonizowane (pozbawione jednego elektronu) atomy helu można obserwować dzięki wytwarzanym przez nie liniom widmowym.
W 1994 roku NASA umieściła na orbicie satelitę FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer czyli badacz widma w dalekim ultrafiolecie), za pomocą którego zamierzano między innymi prowadzić obserwacje międzygalaktycznego helu. W 2001 roku doniesiono o pierwszej detekcji rozciągających się między galaktykami obłoków helowych.
Neutralny wodór zajmuje inne obszary przestrzeni międzygalaktycznej niż zjonizowany hel, przez co wyniki zebrane na podstawie tych obserwacji uzupełniają się nawzajem, dając obraz wczesnego Wszechświata. Ponadto, porównując linie wodorowe z liniami helu neutralnego i zjonizowanego, można określić cechy obiektów, które wyemitowały promieniowanie jonizujące. Zespół zajmujący się FUSE twierdzi, iż były to kwazary oraz lawinowo powstające zwykłe gwiazdy. Okazało się też, że obłoki helowe tworzą w przestrzeni kosmicznej skomplikowaną strukturę, której istnienie wcześniej przewidywano.


Od uwolnienia promieniowania aż do chwili, w której pojawiły się pierwsze gwiazdy (100 mln lat od Wielkiego Wybuchu), we Wszechświecie panowała niemal ciemność (epoka ciemności), ponieważ wodór był niezjonizowany. Przypuszcza się, że elektrycznie obojętny wodór mógł oddziaływać z promieniowaniem tła w wyniku czego powstały słabe fale radiowe. Astronomowie przygotowują urządzenia do odbioru tych fal. Problem jest złożony, gdyż natężenie tych fal jest bardzo małe i należy odfiltrować sygnały ziemskich nadajników oraz promieniowanie radiowe wysyłane przez naszą Galaktykę.

---

Następna »