Do tej pory wiek Wszechświata wyliczano na 13,8 mld lat, ale astronomowie nie są już tego tacy pewni. Równie dobrze kosmos może być młodszy. Albo starszy. Zdecydują supernowe.

Wszyscy jesteśmy dziećmi supernowych. Ich wybuchom zawdzięczamy istnienie większości pierwiastków cięższych niż tlen oraz wszystkich pierwiastków cięższych od żelaza. Wędrują w przestrzeń międzygwiezdną, wzbogacając obłoki materii, w których formują się następne pokolenia gwiazd oraz otaczające je planety. Pojawiły się też w mgławicy, z której 4,5 mld lat temu powstał Układ Słoneczny. To im zawdzięczamy życie, choćby żelazo w hemoglobinie. A na pewno zawdzięczamy im wapń i krzem, czyli murowane domy, żelazo, czyli samochody i koleje, oraz pierwiastki rzadkie, czyli całą elektronikę.

W fizyce i astronomii zaś wybuchom supernowych zawdzięczaliśmy wiedzę o tym, jak odległe są galaktyki i jaki jest rozmiar Wszechświata.

Wybuchowe matrioszki

Synteza termojądrowa, która zachodzi w gwiazdach, polega na tym, że jądra lekkich pierwiastków pod wpływem olbrzymiej temperatury i ciśnienia łączą się w coraz cięższe. W większości gwiazd z wodoru powstaje hel, który gromadzi się w środku gwiazdy. Gdy masa helowego jądra osiągnie około połowy masy Słońca, ciśnienie i temperatura stają się wystarczające, aby z helu mógł powstawać węgiel. Reakcja ta jest gwałtowna i uwalnia duże ilości energii w tzw. błysku helowym. W czasie tych przemian gwiazda powiększa objętość jako czerwony olbrzym i stopniowo odrzuca swoje zewnętrzne warstwy, z których powstaje mgławica planetarna. Kocie Oko (na zdjęciu) jest jedną z najbardziej efektownych.

W gwieździe pozostają węgiel i tlen, jednak ciśnienie i temperatura są już zbyt niskie, aby mogły zachodzić dalsze reakcje termojądrowe. Jeśli gwiazda ma masę mniejszą niż ok. półtorej masy Słońca, spokojnie gaśnie i dopala się jako biały karzeł.

Duża część gwiazd nie jest jednak samotna i tworzy układy podwójne (a nawet wielokrotne). Jeśli biały karzeł ma bliskiego towarzysza, z którego może zasysać materię, jego masa rośnie. Gdy przekroczy 1,44 masy Słońca, ciśnienie staje się wystarczająco wysokie, aby na nowo rozpalić gwałtowną reakcję termojądrową. Biały karzeł wybucha jako supernowa typu Ia.

Świece standardowe

Według modeli fizycznych wszystkie białe karły wybuchają po osiągnięciu 1,44 masy Słońca, nazywanej granicą Chandrasekhara od nazwiska fizyka, który ją wyliczył. Eksplozje mają taką samą siłę, a co za tym idzie, taką samą jasność. Dzięki temu doskonale nadają się do mierzenia kosmicznych odległości.

Można to porównać do mierzenia odległości z wykorzystaniem pomiaru natężenia światła, które dociera do nas ze standardowych 100-watowych żarówek. Jeśli znamy odległość do pierwszej żarówki, to odległość do drugiej możemy wyznaczyć na podstawie tego, o ile mniej dociera z niej światła. Jasność bowiem maleje z kwadratem odległości. Z tego względu supernowe typu Ia nazywano świecami standardowymi.

Była to bardzo wygodna metoda wyznaczania odległości do dalekich galaktyk. Pozwoliła też oszacować wiek najodleglejszych z nich i wiek samego Wszechświata.

Obserwacje odległych supernowych w latach 90. ubiegłego wieku wykazały też, że Wszechświat nie rozszerza się w stałym tempie. Kiedyś rozszerzał się wolniej, teraz zaś przyspieszył. Za "odkrycie przyspieszonej ekspansji Wszechświata poprzez obserwację odległych supernowych" trzej fizycy: Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt i Adam G. Riess odebrali w 2011 r. Nagrodę Nobla.

Laureaci odkryli, że odległe supernowe są ciemniejsze, niż przewidywano. Wskazywało to, że rośnie tempo, w którym gwiazdy i galaktyki oddalają się od siebie, a więc na dużych skalach działa siła odpychająca, która przeciwstawia się przyciągającej sile grawitacji. Fizycy nie mają pojęcia, co to za siła czy nieznana forma energii, nazwano ją więc ciemną energią. Z wyliczeń wynika, że stanowi aż 68,3 proc. całego Wszechświata.

Ciemnej energii jest więcej?

Teraz zaś wygląda na to, że większość tych wyliczeń i wniosków opartych na obserwacji supernowych trzeba będzie wyrzucić do kosza. Okazało się, że znaczna część supernowych typu Ia - prawie połowa! - wybucha, zanim osiągnie granicę Chandrasekhara.

W sierpniu ubiegłego roku Marina Orio z Uniwersytetu Wisconsin-Madison wraz z zespołem opublikowała w "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society"pracę, z której wynika, że gdy po odrzuceniu otoczki z wodoru i helu nieco tych pierwiastków jednak w gwieździe pozostanie, takie "zanieczyszczone" białe karły mogą wybuchać znacznie wcześniej. Nawet gdy osiągną ledwie 0,85 masy Słońca. Co więcej, jest im zupełnie niepotrzebny towarzysz, z którego zasysałyby dodatkową masę.

Te mniejsze supernowe wybuchają z mniejszą energią, przez co wydają się ciemniejsze, a astronomowie - biorąc je za świece standardowe - mylnie wnioskują, że wybuch zdarzył się dalej niż w rzeczywistości. Odkrycie to oznacza, że połowa supernowych znajduje się nawet o 30 proc. bliżej, niż wcześniej uważano. To z kolei prowadzi do wniosku, że Wszechświat musi się powiększać jeszcze szybciej, a ciemnej energii musi być więcej, niż zakładaliśmy.

Przyspieszenie? Nie tak szybko

Z kolei praca opublikowana w kwietniu w "Astrophysical Journal"przez Petera A. Milne'a wskazuje, że widma supernowych typu Ia wcale nie są tak jednorodne, jak się wcześniej wydawało. W świetle widzialnym są niemal takie same, ale w ultrafiolecie różnice stają się widoczne. Z badań wynika, że supernowe można podzielić na dwie odrębne populacje: bardziej czerwoną i bardziej niebieską. A to ma fundamentalne znaczenie dla oszacowania tempa ekspansji Wszechświata, bo astronomowie mierzą je dzięki pomiarowi przesunięcia widma ku czerwieni. Autorzy więc konkludują, że obserwowane przyspieszenie tempa ekspansji może być częściowo wyjaśnione przez znalezione różnice w widmach. - A to oznacza, że ciemnej energii nie jest tak dużo, jak sądziliśmy - mówi Milne.

Co o tym wszystkim sądzić? Te ostatnie odkrycia dotyczące supernowych wydają się sobie przeczyć. Z jednych badań wynika, że Wszechświat mocniej przyspiesza, a z innych, że jest wręcz odwrotnie. Nie ma rady, wszystko trzeba policzyć od nowa, uwzględniając to, że supernowe typu Ia wcale nie są tak standardowe, jak fabrycznie produkowane żarówki.

A ponowne przeliczenie odległości we Wszechświecie może się skończyć tym, że jego wiek zostanie skorygowany o kilka miliardów lat. Czy ciemna energia okaże się zupełnie sztucznym tworem, który wprowadzono po to, aby wyjaśnić wnioski wyciągnięte na podstawie niedokładnych danych?

Jedno jest pewne: Nagrody Nobla Perlmutter, Schmidt i Riess raczej nie stracą.


 

O ekstremalnych zjawiskach w kosmosie i historii Wszechświata przeczytasz w książkach >>