UW dr Stanisław Bajtlik wykład pt. „Kształt Wszechświata”

Minęły tysiąclecia, nim ludzie odkryli, że świat, na którym żyją, nie jest płaski i bezkresny, lecz ograniczony do powierzchni kuli. Jednak bezmiar kosmosu rozpościerającego się nad głowami wciąż wydawał się nieskończony. Jak się okazuje, to też może być tylko złudzeniem.

- Znaleźliśmy sygnał, który może świadczyć o tym, że Wszechświat nie ma nieskończonej objętości i rozmiaru - mówi dr Stanisław Bajtlik z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika w Warszawie. Szczegóły obliczeń zawiera praca, którą napisał wraz z grupą kosmologów Centrum Astronomii Uniwersytetu w Toruniu: Boudem Roukemą, Bartoszem Lwem, Magdaleną Cechowską i Andrzejem Mareckim (ukaże się w "Astronomy & Astrophysics").

Bóg nie gra w kości. Woli piłkę nożną

Czyżby z waszych rachunków wynikało, że kosmos ma jakiś kraniec, za którym niczego już nie ma? - pytam dr. Bajtlika.

Nie. Próżno byłoby szukać granicy przestrzeni kosmicznej. Ale gdybyśmy wsiedli w rakietę i lecieli prosto przed siebie, to po pewnym czasie moglibyśmy wrócić do punktu wyjścia. Podobnie zresztą jak w podróży dokoła kuli ziemskiej. Nasz glob jest skończony, ale bez końca można iść przed siebie i w żadnym kierunku nie napotkamy żadnego brzegu.

Oczywiście, kosmos nie jest wcale ciasny i na taką podróż dookoła, nawet z szybkością światła, nie starczyłoby życia. Z pracy toruńsko-warszawskiej grupy kosmologów wynika, że rozmiar Wszechświata wynosi około 30 mld lat świetlnych.

Co więcej, ich obliczenia sugerują również, jaki Wszechświat ma kształt (albo topologię, jak mówią matematycy). Przestrzeń bowiem nie ma symetrii kulistej, jak można byłoby sobie wyobrażać przez analogię do ograniczonej powierzchni Ziemi.

Jaki więc jest nasz kosmos? Przypomina jedną z brył platońskich - dwunastościan foremny - taką piłkę złożoną z 12 pięciokątnych ścian.

Kosmos z Alicji w krainie czarów

Cały nasz kosmos, gwiazdy i galaktyki, zanurzony jest we wnętrzu takiej piłki, ale wyjść poza nią nie można, bo jej naprzeciwległe ściany są ze sobą parami "sklejone". Próbując więc wyjść na zewnątrz przez jedną ze ścian, w rzeczywistości zataczamy koło wokół całej piłki i od razu wchodzimy z powrotem do środka przez ścianę położoną z drugiej strony.

Trudno to sobie wyobrazić, bo żeby w całej krasie zobaczyć bryłę, jaka powstanie po sklejeniu parami ścian dwunastościanu, trzeba byłoby oglądać ją w przestrzeni aż siedmiowymiarowej.

W wielkim uproszczeniu - wnętrze piłki przypomina komnatę, której ściany, podłoga i sufit są wyłożone lustrami. Choć ma skończony rozmiar, sprawia wrażenie, że rozpościera się w nieskończoność we wszystkich kierunkach. Jednak to, co widać na zewnątrz, to tylko wielokrotne odbicia tego, co znajduje się w środku zamkniętej komnaty.

Wszechświat jak wanna

Na pierwszy ślad skończonego Wszechświata wpadł rok temu prof. Max Tegmark z Uniwersytetu Pensylwanii. - Byłoby to dobre wyjaśnienie dziwnej asymetrii dostrzeżonej przeze mnie w pomiarach tzw. mikrofalowego promieniowania tła - mówił mi wtedy uczony.

Promieniowanie tła pochodzi od rozgrzanego gazu, jaki wypełniał kosmos mniej więcej 300 tys. lat po Wielkim Wybuchu. W gazie rozchodziły się fale, jak na morzu, co można dziś wyczytać z temperatury promieniowania. Najnowsze pomiary wykonała niedawno sonda WMAP, a analizując je, prof. Tegmark zauważył, że w wypełniającym wczesny Wszechświat gorącym gazie nie było bardzo długich fal. Z tego zaś wysnuł wniosek, że kosmos ma pewien skończony rozmiar (w małej wannie nie utworzą się tak długie fale jak na powierzchni rozległego morza).

Kilka miesięcy później zespół Jean-Pierre'a Lumineta z obserwatorium paryskiego napisał w "Nature", że najlepszym wyjaśnieniem tego faktu jest zamknięty wszechświat o lekko zakrzywionej przestrzeni i symetrii dwunastościanu.

Jak się upewnić, czy mają Panowie rację? - pytałem prof. Tegmarka. - Szukając identycznych obrazów po przeciwnych stronach nieba - odpowiedział.

Polskie kręgi na niebie

Jeśli przestrzeń kosmiczna jest ograniczona, to patrząc w dwóch przeciwnych kierunkach, powinniśmy móc zobaczyć ten sam fragment kosmosu, a więc np. te same galaktyki czy gromady. Takie poszukiwania są utrudnione, bo te obiekty się zmieniają. Możemy widzieć obrazy tych samych galaktyk, ale pochodzące z innego okresu, a więc niepodobne na pierwszy rzut oka.

Lepszym kryterium jest mikrofalowe promieniowanie tła, bo wiadomo, że ono narodziło się w jednym i tym samym momencie. Miało też dostatecznie dużo czasu, by - jeśli Wszechświat jest skończony - przemierzyć go wzdłuż i wszerz.

Teoria mówi, że w skończonym kosmosie powinniśmy dostrzec w promieniowaniu tła jednakowe okręgi po przeciwnych stronach nieba. Jak się zdaje, jako pierwsi na takie właśnie ślady natrafili kosmologowie w Toruniu. Dostrzegli sześć par jednakowych okręgów - znakomicie pasujących do symetrii dwunastościanu.

- Hipoteza o skończonym kosmosie musi być jeszcze potwierdzona przez inne grupy badawcze - dodaje dr. Bajtlik. - Będziemy też szukali tego samego efektu na nowych, lepszych mapach nieba, jakie za kilka lat wykona europejska sonda Planck (startuje w 2007 r.).