12

ÂWIAT NAUKI LIPIEC 2004

pano

rama

NASA i A. RIESS (STScI)

(na gór

ze

);

NASA/CXC/IoA/S. ALLEN I IN.

(na dole

)

Nast´pstwem ekspansji

WszechÊwiata jest zjawisko

„ucieczki galaktyk”, które

najcz´Êciej opisuje si´ za pomocà

prawa Hubble’a. G∏osi ono,

˝e pr´dkoÊç oddalania si´

galaktyki od obserwatora jest

proporcjonalna do odleg∏oÊci

mi´dzy tà galaktykà

i obserwatorem. Gdyby nie by∏o

grawitacji, prawo Hubble’a

stosowa∏oby si´ do wszystkich

galaktyk. Jednak od chwili

Wielkiego Wybuchu galaktyki

spowalniajà si´ nawzajem przez

swe przyciàganie grawitacyjne.

Dalekie galaktyki, które widzimy

takimi, jakimi by∏y przed

miliardami lat, spowalnia∏y si´

krócej ni˝ galaktyki bliskie.

Powinny zatem uciekaç od nas

szybciej, ni˝ to wynika z prawa

Hubble’a. Innymi s∏owy, powinny

znajdowaç si´ bli˝ej, ni˝ na to

wskazuje pr´dkoÊç ich ucieczki.

Efekt ten spodziewano si´

zaobserwowaç dzi´ki

supernowym typu Ia: oczekiwano,

˝e w szybkich (czyli dalekich)

galaktykach b´dà one Êwieciç

jaÊniej, ni˝ na to wskazuje

odleg∏oÊç obliczona z prawa

Hubble’a. Dalekie supernowe sà

jednak nie „za jasne”, lecz „za

s∏abe”. Znajdujà si´ zatem dalej,

ni˝ na to wskazuje pr´dkoÊç ich

ucieczki, a ich macierzyste

galaktyki uciekajà wolniej, ni˝ to

wynika z prawa Hubble’a.

Oznacza to, ˝e od chwili,

gdy wyemitowa∏y docierajàce

dziÊ do nas Êwiat∏o, tempo

ekspansji WszechÊwiata nie

mala∏o, lecz ros∏o. Obserwacje

jeszcze dalszych supernowych

wykaza∏y, ˝e przed okresem

przyÊpieszania WszechÊwiat

zwalnia∏ swà ekspansj´.

UCIECZKA

GALAKTYK

W

e WszechÊwiecie dzia∏a tajemniczy
czynnik, który przeciwstawia si´
grawitacji i przyÊpiesza kosmicznà

ekspansj´. Natura tego czynnika, nazywane-
go powszechnie ciemnà energià, to najwi´k-
sza i najbardziej pasjonujàca zagadka wspó∏-
czesnej nauki. Jedni teoretycy widzà w nim
nowe pole skalarne (tzw. kwintesencj´), inni
wià˝à go z postulowanà jeszcze przez Einste-
ina „spr´˝ystoÊcià” samej przestrzeni, któ-
rej miarà jest wprowadzona przez niego sta-
∏a kosmologiczna. Jeszcze inni usi∏ujà
rozwiàzaç problem przyÊpieszania Wszech-
Êwiata, wprowadzajàc dodatkowe, ukryte
wymiary czasoprzestrzeni.

Na trop ciemnej energii naprowadzi∏y

astronomów obserwacje eksplodujàcych
gwiazd, tzw. supernowych typu Ia [patrz:
Adam G. Riess i Michael S. Turner „Od su-
pernowych do antygrawitacji”; Âwiat Nauki,
marzec 2004]. Z danych obserwacyjnych wy-
nika∏o, ˝e ciemna energia wzi´∏a gór´ nad
grawitacjà dopiero po up∏ywie pewnego cza-
su od Wielkiego Wybuchu. WszechÊwiat,
który uprzednio spowalnia∏ swà ekspansj´
pod wp∏ywem grawitacji, w∏aÊnie wtedy
zaczà∏ przyÊpieszaç. Efekty tego przyÊpie-
szenia ujawniajà si´ w postaci odst´pstw od
prawa Hubble’a – tym wi´kszych, im dalej

od nas le˝y galaktyka, w której wybuch∏a
supernowa.

Ró˝ne koncepcje ciemnej energii prze-

widujà ró˝ne momenty „prze∏àczenia” ze
spowalniania na przyÊpieszanie. Nie by∏o
dotàd jednak wystarczajàco dok∏adnych da-
nych, by na ich podstawie odrzucaç bàdê
przyjmowaç konkretne hipotezy. Jednak w
kwietniu br. zespó∏ Adama G. Riessa ze
Space Telescope Science Institute doniós∏
o odkryciu kolejnych 16 supernowych typu
Ia, z których najdalsze wybuch∏y, gdy
WszechÊwiat mia∏ zaledwie 7 mld lat (obec-
nie liczy 13.7 mld lat). Obserwujàc je, usta-
lono, ˝e faza kosmicznego przyÊpieszania
rozpocz´∏a si´ 5 ± 1 mld lat temu. Ca∏kowi-
cie innà drogà do takiego samego wniosku
dosz∏a mi´dzynarodowa grupa astronomów
z Wielkiej Brytanii, Stanów Zjednoczonych
i Niemiec, którà kieruje Steve Allen z Cam-
bridge University.

Allen i jego wspó∏pracownicy obserwo-

wali dalekie gromady galaktyk, w których
przestrzeƒ mi´dzy galaktykami wype∏nia go-
ràcy gaz emitujàcy promieniowanie rentge-
nowskie. G∏ównym sk∏adnikiem gromad jest
ciemna materia – substancja niemal równie
tajemnicza jak ciemna energia, lecz w prze-
ciwieƒstwie do niej b´dàca êród∏em zwyk∏ej
grawitacji. Najprawdopodobniej sk∏ada si´
ona z postulowanych przez teoretyków
czàstek elementarnych, które z dobrze nam
znanymi elektronami, protonami i neutro-
nami oddzia∏ujà niezwykle s∏abo. Czàstek
tych fizycy poszukujà si´ ju˝ od dobrych
kilku lat za pomocà specjalnie w tym celu
skonstruowanych detektorów, ale na razie
bezskutecznie.

Gromady galaktyk sà obiektami na tyle

du˝ymi (ich Êrednice majà miliardy lat
Êwietlnych), ˝e ich zawartoÊç mo˝na uznaç
za dobrà próbk´ zawartoÊci ca∏ego Wszech-
Êwiata. Stosunek masy gazu do masy ciem-
nej materii powinien zatem byç we wszyst-
kich gromadach jednakowy. Dla ka˝dej
gromady mo˝na go wyliczyç z danych
rentgenowskich.

Aby takie obliczenia wykonaç, nale˝y przy-

jàç konkretnà wartoÊç odleg∏oÊci mi´dzy tà
gromadà i obserwatorem. Gdy w oblicze-
niach u˝yto odleg∏oÊci zgodnych z prawem
Hubble’a, otrzymane stosunki znacznie si´
mi´dzy sobà ró˝ni∏y. Ró˝nice te znik∏y, gdy
„hubble’owskie” odleg∏oÊci do gromad po-

ASTROFIZYKA

WszechÊwiat dodaje gazu

NOWE DANE POTWIERDZAJÑ DOMINACJ¢ CIEMNEJ ENERGII. MICHA¸ RÓ˚YCZKA

TRZY

z szesnastu supernowych odkrytych

przez zespó∏ Adama G. Riessa.

TRZY

z dwudziestu szeÊciu gromad badanych

przez zespó∏ Steve’a Allena. Zdj´cia przedstawiajà
emisj´ rentgenowskà, którà obserwowano
za pomocà orbitalnego teleskopu Chandra.

Przed wybuchem

Przed wybuchem

Przed wybuchem

LIPIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

13

pano

rama

ENTOMOL

OGIA

17 mgnieƒ wiosny

CYKL ROZWOJOWY CYKAD A LICZBY PIERWSZE. TABITHA M. POWLEDGE

P

od koniec maja i przez ca∏y czerwiec
w cz´Êci Stanów Zjednoczonych, od
wschodniego wybrze˝a przez India-

n´ i dalej na po∏udnie a˝ do Tennessee, zacz´-
∏y si´ masowo pojawiaç osobniki dojrza∏e
(imagines) pokolenia X cykad z gatunku Ma-
gicicada septendecim.* Przez ostatnie 17 lat
larwy tych pluskwiaków ˝y∏y w glebie, ˝y-
wiàc si´ sokami z korzeni drzew. Po wydo-
staniu si´ na powierzchni´ doros∏e larwy
ostatniego stadium przeobra˝ajà si´ w czer-
wonookie owady. Miliardy cykad zaczynajà
przenikliwie „çwierkaç”. Ostatnie masowe
pojawienie si´ imagines tego gatunku zaob-
serwowano w roku 1987. Tegoroczny maso-

wy wyl´g by∏ dla ptaków prawdziwà ucztà,
a naukowcom da∏ niepowtarzalnà okazj´ wy-
konania kolejnych badaƒ.

Cykady o d∏ugich cyklach rozwojowych

fascynujà badaczy ju˝ od czterech stuleci.
Nadal jednak niewiele wiadomo o biologii
tych owadów i przyczynach tak niezwyk∏ej
synchronizacji cyklu rozwojowego. Popula-
cja X jest najwi´kszà i najlepiej poznanà spo-
Êród mniej wi´cej 15 pokoleƒ Magicicada
septendecim (ciàgle trwa spór o dok∏adnà
ich liczb´). Naukowcy opisali oko∏o 3 tys.
gatunków cykad na Êwiecie, ale dobrze po-
znali cykle rozwojowe tylko niewielu z nich.
Po raz pierwszy cykady z tego gatunku zosta-

NASA/CXC/M. WEISS

prawiono w taki sam sposób, jak odleg∏oÊci
do galaktyk z supernowymi.

Nowe dane nie Êwiadczà jeszcze jedno-

znacznie, ˝e przeciwnikiem grawitacji jest
spr´˝ystoÊç samej przestrzeni. Taka mo˝li-
woÊç, zasugerowana prawie 90 lat temu
przez Einsteina, jest jednak najbardziej praw-
dopodobna. Jak na ironi´, wysunà∏ on hipo-

tez´ ad hoc – tylko po to, by rozwiàzania
równaƒ ogólnej teorii wzgl´dnoÊci zgadza∏y
si´ z przyjmowanym na poczàtku XX wieku
obrazem WszechÊwiata stacjonarnego. Póê-
niej, gdy okaza∏o si´, ˝e WszechÊwiat eks-
panduje, uzna∏ jà za najwi´kszà pomy∏k´ w
swoim ˝yciu. Dzisiaj wyglàda na to, ˝e ta sa-
mokrytyka by∏a zupe∏nie niepotrzebna...

n

WYZNACZANIE ODLEG¸OÂCI

do gromad galaktyk

z obserwacji rentgenowskich. Zak∏adajàc jakàÊ
odleg∏oÊç (np. otrzymanà z prawa Hubble’a), mo˝na
obliczyç stosunek masy goràcego gazu do masy
ciemnej materii, który we wszystkich gromadach
powinien byç jednakowy. Nast´pnie poprawia si´
za∏o˝onà odleg∏oÊç w taki sposób, by otrzymaç
w∏aÊciwà wartoÊç stosunku (zielona linia).
Czerwona chmura z prawej symbolizuje gaz
emitujàcy promieniowanie rentgenowskie, które jest
odbierane za pomocà teleskopu Chandra (z lewej).

GORÑCY

GAZ

GORÑCY

GAZ

CIEMNA

MATERIA

CIEMNA

MATERIA

CIEMNA

MATERIA

GORÑCY

GAZ

PRZYJ¢TA

ODLEG¸OÂå

JEST ZA MA¸A

PRZYJ¢TA

ODLEG¸OÂå

JEST ZA DU˚A

PRZYJ¢TA

ODLEG¸OÂå

JEST POPRAWNA

Ciemnej materii nie umiemy
obserwowaç bezpoÊrednio;
dostrzegamy jedynie efekty
dzia∏ania jej grawitacji.
Przekonujàcych dowodów
istnienia tego sk∏adnika
WszechÊwiata dostarczajà
obserwacje orbitalnych
pr´dkoÊci gwiazd w dyskach
galaktyk podobnych do naszej
Drogi Mlecznej. Wyliczona
z nich si∏a doÊrodkowa,
która utrzymuje gwiazdy
na orbicie, jest wielokrotnie
wi´ksza od grawitacji
wszystkich Êwiecàcych
sk∏adników galaktyki.
Podobne efekty obserwuje si´
w wi´kszej skali
w gromadach galaktyk.

NIEWIDZIALNA

MATERIA