W klimacie ciągłego postępu technologicznego i tam, gdzie tajemnice głębokiego kosmosu znalazły odpowiedzi, które wcześniej były niewyobrażalne, Ty też pewnie zastanawiałeś się, jak duży jest wszechświat. Jeśli wyścig w eksploracji kosmosu uświadomił nam, że nasza planeta jest tylko drobiną na bezkresnej kosmicznej pustyni, to nie każdy wie, jak wielki jest wszechświat, przynajmniej według najbardziej rozpowszechnionego modelu kosmologicznego, dzięki gigantycznej i gromkiej eksplozji Wielkiego Wybuchu.
Wybuch, który miał miejsce ponad 13 miliardów lat temu i dał początek wszystkiemu, co znamy, a także wszystkiemu, co do tej pory pozostaje nieznane. Wraz z rozwojem technologii astronomowie są w stanie cofnąć się w czasie do momentów tuż po tym kluczowym wydarzeniu, ale wciąż są ograniczeni w ilościowym określaniu rozmiarów kosmosu, które są oczywiście determinowane przez wiele różnych czynników, w tym, co nie jest zaskoczeniem, kształt i ekspansję.
Czym jest wszechświat
Przed odkryciem, jeśli w ogóle wiadomo, jak duży jest wszechświat, podstawowym krokiem jest zrozumienie, co tak naprawdę kryje się pod tym pojęciem. W literaturze naukowej, a w szczególności w tej dotyczącej zjawisk astronomicznych, nazwa Wszechświat używana jest na określenie całej przestrzeni kosmicznej i wszystkiego, co ona zawiera. W szczególności jest to materia, energia, planety i gwiazdy, galaktyki i ogólnie zawartość przestrzeni międzygalaktycznej. W zasadzie możemy go zdefiniować jako "całość wszystkich rzeczy, które istnieją", a tylko bardzo mała jego część jest widoczna gołym okiem.
Odliczając od naszych lokalnych ram czasowych, wszechświat powstał około 13,8 miliarda lat temu w wyniku wspomnianego Wielkiego Wybuchu, obecnie najlepiej przyjętej hipotezy wśród naukowców, choć z oczywistymi ograniczeniami. Zgodnie z tym modelem w "genezie przestrzennej" kluczową rolę odgrywały cztery podstawowe siły: jądrowa silna, jądrowa słaba, grawitacyjna i elektromagnetyczna. Wszystko to wiązało się z powstawaniem protonów, elektronów i neutronów, które wraz ze spadkiem temperatury dawały początek jądrom helu, deuteru i atomom.
W tej fazie Wszechświat nadal się ochładzał i rozszerzał, tworząc odpowiednie warunki do powstawania galaktyk i gwiazd. Prawdziwa ścieżka ekspansji po Wielkim Wybuchu, która znalazła swoją osobliwą równowagę dzięki obecności przyciągania grawitacyjnego, które ma tendencję do zmniejszania odległości między galaktykami i zapobiegania nieskończonej ekspansji. Naukowcy mają dziś dwie różne teorie na temat przyszłej ewolucji wszechświata: teorię zamkniętego wszechświata i teorię otwartego wszechświata.
Według pierwszej teorii wszechświat miałby tendencję do rozszerzania się, a następnie kurczenia się do bardzo małej masy o dużej gęstości; według drugiej teorii natomiast wszechświat rozszerzałby się w nieskończoność, ponieważ ilość obecnej w nim materii nie jest wystarczająca do zatrzymania ekspansji. Na początku lat osiemdziesiątych XX wieku pojawił się nowy model, znany jako wszechświat inflacyjny, w którym mówi się, że wszechświat gwałtownie zwiększył swoją średnicę o czynnik 1050 w porównaniu z najszerzej akceptowaną tradycyjną teorią.
Jak duży jest wszechświat
Obserwowalna część wszechświata z Ziemi przy pomocy dostępnego nam sprzętu technicznego ma łączną średnicę 93 miliardów lat świetlnych. To właśnie naukowa i drobiazgowa obserwacja wszechświata i jego ruchów pozwoliła nam zrozumieć, że przez większość swojej historii i w całym obserwowalnym zakresie rządzi się on tymi samymi prawami fizycznymi i stałymi, z oczywistymi wnioskami w jego początkowej i najdelikatniejszej fazie. Aby być bardziej precyzyjnym, możemy powiedzieć, że obserwowalny wszechświat jest regionem wszechświata widocznym z Ziemi i jest w przybliżeniu nieskończenie dużą kulą o promieniu 43 miliardów lat świetlnych.
Aby dokonać porównania, które nawet mniej doświadczeni mogą zrozumieć, musimy wziąć pod uwagę, że średnica typowej galaktyki wynosi 30 000 lat świetlnych, a typowa odległość między dwiema sąsiednimi galaktykami wynosi 3 miliony lat świetlnych. Na przykład nasza własna Droga Mleczna ma średnicę około 100 000 lat świetlnych, a najbliższa naszej planecie galaktyka, Andromeda, znajduje się w odległości około 2,5 miliona lat świetlnych.
Nie trzeba dodawać, że w kosmologii prawdziwie obserwowalny wszechświat jest "szczotkowany" jako rozległy obszar przestrzeni zamknięty przez kulę wyśrodkowaną na obserwatorze. Sferę, która w rzeczywistości zawiera wszystko, co może obserwować. Ogólnie rzecz biorąc, mamy wtedy na myśli całą część wszechświata, która może być badana przez ludzkość, a więc sferę skupioną na naszej Ziemi, ale jednocześnie łatwo zrozumieć, że każda pozycja w przestrzeni nieuchronnie posiada swój własny, specyficzny, obserwowalny wszechświat.
Gdyby, absurdalnie, wszechświat nie był, jak wcześniej stwierdzono, stale rozszerzający się, moglibyśmy łatwo odpowiedzieć na pytanie "jak duży jest wszechświat?" za pomocą trywialnego obliczenia: w praktyce promień obserwowalnego wszechświata byłby równy odległości przebytej przez światło w czasie pomiędzy początkiem wszechświata, odpowiadającym 13,8 miliarda lat świetlnych, a Wielkim Wybuchem. Jednak biorąc pod uwagę, że ekspansja trwa nadal, rzeczywista odległość tego horyzontu jest teraz znacznie większa i nie może być określona z absolutną precyzją.
Dzisiaj, według najbardziej wiarygodnych szacunków, ten sam punkt znajduje się 46 miliardów lat świetlnych od nas, co czyni obserwowalny wszechświat kulą o średnicy około 93 miliardów lat świetlnych, jak twierdzono w początkowym akapicie. Taka wielkość mogłaby zawierać około 7×1022 gwiazd, zorganizowanych w około 2×1012 galaktyk, czyli dwa biliony galaktyk, które z kolei są skupione w grupy i gromady galaktyk oraz supergromady.
Najnowsze i dokładniejsze obserwacje dostarczyły jednak nowych oszacowań, według których hipotetyczna liczba galaktyk we wszechświecie ekstrapolowana na podstawie struktury obecnie znanego Kosmicznego Tła Optycznego jest tylko ułamkiem rzeczywistej liczby. Z liczbą konsekwentnie wyższą o co najmniej jeden lub dwa rzędy wielkości, nie licząc kolejnych 90% galaktyk w obserwowalnym wszechświecie, których nie da się wykryć teleskopami, którymi dysponujemy, a które niestety nie są jeszcze wystarczająco potężne.
Wiek wszechświata
Wszystkie powyższe rozważania pozwalają nam zrozumieć, że jednogłośnie nie da się określić, jak duży jest wszechświat. Wszechświat, który teraz przyspieszając w swojej niepowstrzymanej ekspansji, sam wyznacza granicę swojej obserwowalnej części. Granice" wyznacza tak zwany horyzont kosmologiczny, który definiuje się jako obszar wszechświata, poza którym każdy obiekt oddala się od obserwatora z prędkością większą od światła. Rozumie się samo przez się, że horyzont ten reprezentuje i wyznacza maksymalną odległość, z jaką nie można już nawiązać kontaktu przyczynowego: zgodnie z tą astronomiczną zasadą, nigdy nie będzie możliwości obserwowania ani wymiany jakichkolwiek sygnałów czy informacji generowanych odtąd z regionami poza horyzontem, z elementami "wychodzącymi poza rzeczywistość" dla samego obserwatora.
W rzeczywistości, jak wielu z Was już wie, horyzont jest fizycznym ograniczeniem narzuconym przez skończoną prędkość światła lub innego promieniowania emitowanego przez obiekty niebieskie, przy czym promieniowanie to potrzebuje pewnej ilości czasu, aby dotrzeć do obserwatora, a który jest nieskończenie dłuższy niż przeciętna długość życia człowieka.
Prawdziwe trudności związane z rozmiarami wszechświata, a które pojawiają się również przy próbach określenia jego wieku, choć doszliśmy do dość "dokładnej" konwencji, na ile to możliwe. Termin ten odnosi się ogólnie do czasu, który upłynął od Wielkiego Wybuchu do dnia dzisiejszego, czyli dokładnie 13,82 miliarda lat, zgodnie z modelem Wielkiego Wybuchu. Istnieją jednak różne pomiary, które pozwalają nam przynajmniej oszacować wiek wszechświata. Do najbardziej popularnych należą przede wszystkim pomiary kosmicznego promieniowania tła i ekspansji Wszechświata. Pierwszy z nich, aby wyjaśnić to w możliwie najprostszy sposób, rozważmy czas stygnięcia wszechświata od Wielkiego Wybuchu. Badania ekspansji wszechświata pozwalają natomiast obliczyć prawdopodobną datę początku samej ekspansji.
Zrozumiesz, że ponieważ nie wiemy dokładnie, co było przed Wielkim Wybuchem, rzeczywisty wiek wszechświata może być znacznie wyższy niż szacunki dokonywane obecnie przez społeczność naukową. Z drugiej strony, właśnie z powodu nieuchronności wszechświata, zarówno pod względem czasu, jak i rozmiaru, termin wszechświat jest bardzo często nadużywany w potocznym języku w odniesieniu do obserwowalnego wszechświata. Dzieje się tak, ponieważ, jak wyjaśniliśmy wcześniej, nieobserwowalne zjawiska fizyczne są paradygmatycznie nieopisywalne dla ludzkiej wiedzy naukowej.