Milyen lenne a Világegyetem, ha kívülről láthatnánk?

Galaxisok a Hubble felvételén

A tudósokat régóta izgatja a kérdés, milyennek látnánk univerzumunkat, ha kiléphetnénk belőle és kívülről szemlélhetnénk. Némi képzelőerő és matematikai modellek segítségével akár ezt is megtehetjük.

Az elméleti kozmológia és a Világegyetem ősi állapotára vonatkozó mérések nemcsak arra a kérdésre adnak választ, milyen öreg a Világegyetem, hanem azt is megmondják, milyen a szerkezete és milyen sors vár rá a nagyon távoli jövőben.

Einstein általános relativitáselmélete értelmében a tömegek meggörbítik annak a térnek a szerkezetét, amelyben maguk is benne vannak. Következésképpen a mindenségben található anyag mennyisége és annak eloszlása nemcsak a Világegyetem szerkezetét határozza meg, hanem jövőbeli fejlődését is.

A Gravity Probe B műholdon érzékeny giroszkópokat (pörgettyűket) helyeztek el. Forgástengelyük irányának nagyon pontos változását követve relativisztikus hatások is kimutathatóvá váltak Forrás: NASA

A tömegek és a tér szerkezete közötti kapcsolatot jól szemlélteti az itt elérhető film. Einstein elmélete szerint a tér és az idő abszolút létezők, de nem függetlenek egymástól, hanem az úgynevezett téridővé egyesülnek. A tömegek nemcsak meggörbítik maguk körül a téridőt, hanem a nagy forgó tömegek meg is csavarják. A téridő előírja az anyag számára, miként mozogjon, az anyag, vagyis a tömegek nagysága, eloszlása és forgása viszont megszabja a téridőnek, miként görbüljön és csavarodjék. Einstein univerzumában a gravitáció nem más, mint a téridő görbülete. Míg a testek egymás hatására történő mozgását Newton gravitációelmélete a közöttük fellépő, a tömegükkel arányos vonzóerővel magyarázza, a relativitáselmélet ezt a téridő görbületének tudja be. Ha Föld körüli pályára állítunk egy pörgettyűt, akkor annak forgástengelye követi a helyi téridő görbületét és csavarodását. A jelenséget a 2004-ben pályára állított Gravity Probe B műholdon elhelyezett pörgettyűk forgástengelyének évenként néhány ezred ívmásodperces elmozdulásának mérésével kimutatták. A kapott eredmények megfeleltek az általános relativitáselmélet előrejelzésének.

A tudósok kiszámították a Világegyetem úgynevezett kritikus sűrűségét. Ez a Hubble-állandó értékének a négyzetével arányos. (A Hubble-állandó a Világegyetem tágulási ütemét kifejező mennyiség.) A mindenség szerkezete szempontjából döntő jelentőségű, mekkora az univerzumunk tényleges sűrűsége a kritikushoz képest. Ha a tényleges átlagsűrűség kisebb a kritikusnál, akkor ezt azt jelenti, hogy a Világegyetem nem tartalmaz elég anyagot ahhoz, hogy tágulása megálljon, vagyis a tágulás örökké tart. Ez az úgynevezett nyílt szerkezetű univerzum. Ha tényleges sűrűség meghaladja a kritikust, akkor az univerzum szerkezete zárt, ami azt jelenti, hogy bizonyos idő elteltével megáll a tágulás. A galaxisok többé nem fognak távolodni egymástól, hanem közeledni kezdenek. A tér zsugorodik, majd visszafelé lejátszódnak azok az események, amelyek az ősrobbanáskor történhettek: bekövetkezik a „nagy reccsnek” nevezett esemény. Ha a Világegyetem pontosan annyi anyagot tartalmaz, amennyi a tágulás megállításához szükséges, akkor sűrűsége éppen megegyezik a kritikus értékkel. Ilyenkor a tágulás végtelenül hosszú ideig folytatódik, egyre lassulva, de nem következik be a zárt univerzum esetén említett összehúzódás. Ilyenkor sík szerkezetű univerzumról beszélünk.

A sík univerzum természetesen nem a földi fogalmaink szerinti kétdimenziós síkot jelenti, hanem azt, hogy az univerzum geometriai jellemzői a síkéhoz hasonlíthatók. Az alábbi ábra szemlélteti, miről van szó. A zárt univerzum geometriája a gömbéhez, a nyílt univerzumé a nyeregfelületéhez, a sík szerkezetű univerzumé pedig a geometriai síkéhoz hasonló, görbülete nulla. A legújabb mérések szerint a Világegyetem geometriai szerkezete nagyon közel áll a síkhoz, az attól való eltérés legfeljebb 0,4 százalék.

Az Univerzum alakja Forrás: NASA/WMAP Science team

Elsősorban a Hubble-űrtávcső megfigyelései alapján korábban már sikerült megállapítani, hogy a Világegyetem kora 13,7–13,8 milliárd év (a Föld kora „mindössze” 4,6 milliárd év). Ugyanakkor a WMAP űrszonda (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) pontosan megmérte a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás parányi ingadozásait, aminek alapján rekonstruálható volt a Világegyetem ősi korszaka. Mire azonban ilyen szépen összeállt a kép, addigra – talán nem is túl vékony – hajszál került a levesbe. Az 1990-es évek végén a nagyon távoli, Ia típusú szupernóvák megfigyelése arra engedett következtetni, hogy a Világegyetem – a fent vázolt képnek ellentmondva – gyorsulva tágul. Az elmúlt évtizedben a felfedezést több más, független megfigyeléssel is igazolták, az eredményt 2011-ben fizikai Nobel-díjjal ismerték el.

A WMAP űrszonda a mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás hőmérsékletében a 600 milliomod fokos ingadozásokat is ki tudta mutatni. Az eredmények közelebb vittek a korai Világegyetem történetének megértéséhez Forrás: NASA

A gyorsulva tágulást egy feltételezett, egyelőre ismeretlen természetű sötét energia okozza. Mennyisége megbecsülhető, eszerint a Világegyetem energiájának 74%-át ez a sötét energia teszi ki, további 22%-ot pedig az ugyancsak ismeretlen sötét anyag. Márpedig, ha valaminek a 96%-a ismeretlen, akkor bőven van még mit kutatni a Világegyetem szerkezetét, felépítését és fejlődését illetően.

A Világegyetem energiájának 74%-át ez a sötét energia teszi ki, további 22%-ot pedig az ugyancsak ismeretlen sötét anyag. Az ismert anyagformák mindössze 4%-ot képviselnek, ennek nagyobb része a galaxisok közötti teret kitöltő, roppant ritka gáz, a csillagok és más, ismert objektumok csupán 0,4%-kal részesednek a Világegyetem energiájából Forrás: NASA

Mindenesetre jelenlegi ismereteink alapján univerzumunk története az alábbi ábrán foglalható össze. A történet a 13,7 milliárd évvel ezelőtti, ősrobbanásnak nevezett kvantumfluktuációval kezdődött. Ezt a felfúvódásnak vagy inflációnak nevezett, rövid ideig tartó, de rohamos tágulás követte. A Világegyetem 400 ezer évvel az ősrobbanás utáni állapotának a maradványai láthatók az ábra jobb szélére rajzolt WMAP űrszonda által több éves munkával felvett képen. Ezerszer ennyi idő, vagy mintegy 400 millió év elteltével megjelentek az első csillagok, majd az évmilliárdok alatt kialakultak a Világegyetem jól ismert objektumai, a további csillagok, a galaxisok és az egyéb égitestek. A felfúvódást követően a tágulás eleinte lassuló ütemű lehetett, de néhány milliárd évvel ezelőtt a sötét energia hatására gyorsulóvá változott. A rajzon a tölcsérszerű alak átmérője a Világegyetem mindenkori kiterjedését mutatja. Hossztengelye mentén múlik az idő, a koncentrikus körök egymilliárd éves időszakokat ábrázolnak.

A Világegyetem története Forrás: WMAP, NASA