Podobnie jak słoje pni sekwoi, BAO dostarcza bezbłędnego zapisu określającego, jak wielki był przyrost wszechświata w każdej erze.
Paul Halpern
Cofnijmy się do początków. Może nie do samego wielkiego wybuchu, ale do epoki, kiedy wszechświat liczył sobie nie więcej niż kilkaset tysięcy lat. Nie było w nim galaktyk, gwiazd, mgławic, układów planetarnych, a do pewnego momentu nawet atomów. Warunki panujące w młodym wszechświecie przypominały z grubsza wnętrze gwiazdy. Całą przestrzeń wypełniał gęsty bulion rozdygotanych cząstek elementarnych.
Marszczenie wszechświata
Bulion nie był doskonale jednorodny. To bardzo ważne, ponieważ każde drobne zaburzenie szybko rosło, stając się zalążkiem przyszłych struktur kosmologicznych. Minimalnie chłodniejsze obszary przeistoczyły się więc z czasem w wielkie pustki, natomiast wokół tych gęstszych i gorętszych, uformowały się gromady galaktyk. Innymi słowy, dzisiejszy rozkład materii w kosmosie pozostaje odzwierciedleniem zmarszczek wewnątrz plazmy sprzed ponad 13 miliardów lat.
Pytanie, jakie należy sobie w tej sytuacji zadać, brzmi: czy owe zmarszczki powstawały w sposób zupełnie losowy, czy może, kierowane określonymi procesami i oddziaływaniami, układały jakiegoś rodzaju wzór?
Wydawałoby się, że to problem łatwy do zweryfikowania. W końcu wystarczy spojrzeć przez nowoczesny teleskop na duże zbiorowiska galaktyk i znaleźć w ich rozkładzie jakiś schemat. Niestety, to nie takie proste. Nawet jeżeli kosmiczna zupa kipiała w rytm konkretnych reguł, ich ślady przez miliardy lat bez wątpienia uległy zatarciu. Przypomina to trochę próbę wytropienia konkretnego modelu samochodu, wyłącznie na podstawie odcisków opon pozostawionych na leśnej drodze wiele tygodni temu. To możliwe, ale jeśli ścieżką jeździły też inne pojazdy, ryły w niej dziki i spadł deszcz – czeka nas sporo pracy.
Dlatego żeby ułatwić sobie pracę i nie szukać na ślepo, kosmologowie zaczęli od teorii. Postanowili zrekonstruować warunki panujące w młodym wszechświecie i wyliczyć rodzaj, kształt oraz rozmiary hipotetycznych śladów, które – choć mocno zatarte – powinny przetrwać do naszych czasów. I jak się wkrótce przekonacie, osiągnęli spektakularny sukces.
W zupie barionowo-fotonowej
Pozostańmy na razie w naszym gorącym i gęstym bulionie. Tworzą go trzy podstawowe składniki:
- Zjonizowane cząstki, w tym protony i elektrony, które w przyszłości uformują atomy wodoru. To cegiełki zwykłej materii tworzącej wszystko co znamy, nazywanej też mądrze materią barionową.
- Promieniowanie elektromagnetyczne w postaci wysokoenergetycznych fotonów. Część z nich jest z nami do dzisiaj, niosąc wszechobecne mikrofalowe promieniowanie tła.
- Ciemna materia, która, czymkolwiek by nie była, posiada dwie zasadnicze cechy: oddziałuje grawitacyjnie i nie oddziałuje elektromagnetycznie. Oznacza to, że podobnie do zwykłej materii może przyciągać i być przyciągana przez inne masy, ale w przeciwieństwie do niej, ignoruje fotony, przez co pozostaje dosłownie niewidzialna.
Zauważcie, że mamy tu do czynienia z całkiem złożonym systemem zależności. Zjonizowane rozgrzane cząstki tworzą na tym etapie nieprzezroczystą plazmę, wiążącą w sobie światło i tworzącą z nim egzotyczny twór, nazywany płynem barionowo-fotonowym. Fotony nie pozostają dłużne, nieustannie wpadając na elektrony, burząc zalążki jakiejkolwiek większej struktury. Z kolei ciemna materia ma kompletnie w nosie promieniowanie, jednak swoją grawitacyjną obecnością wpływa na zachowanie materii barionowej.
Wszystko to doprowadziło do interesującego zjawiska. Zwykła materia, wspierana zakulisowo przez ciemną materię, usiłowała tworzyć gdzieniegdzie lokalne zagęszczenia. Kiedy jednak gęstość cząstek przekraczała pewien próg, związane z nimi fotony stawiały zdecydowany opór, doprowadzając do gwałtownego odbicia. W głowach i symulacjach fizyków pojawił się następujący model:
Zgodnie z hipotezą, odbicia skutkowały powstawaniem specyficznych, kolistych zaburzeń gęstości rozchodzących się wewnątrz plazmy. Z fizycznego punktu widzenia mamy do czynienia z falą akustyczną. Analogiczną do fali dźwiękowej, tyle że rozchodzącą się nie w powietrzu, a w egzotycznym płynie i przemieszczającą się z niedorzeczną prędkością, dochodzącą do 170 tys. km/s (56% prędkości światła w próżni).
Kosmologowie nazwali ten mechanizm barionową oscylacją akustyczną. W skrócie BAO (ang. baryon acoustic oscillations).
W międzyczasie wszechświat stale rósł, co prowadziło do rozprężania i stygnięcia jego zawartości. Przełom nastąpił mniej więcej 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu. Był to moment, kiedy temperatura spadła poniżej 3000 kelwinów, a naładowane elektrony i protony uspokoiły się na tyle, aby masowo formować stabilne atomy. Nastąpiła rekombinacja. Miejsce nieprzezroczystej plazmy zastąpiły chmury obojętnego elektrycznie wodoru. W jego zagęszczeniach zapłoną wkrótce pierwsze gwiazdy, które zaczną gromadzić się w ławice galaktyk.
Jednocześnie doszło do natychmiastowego spuszczenia ze smyczy fotonów, które pognały we wszystkich kierunkach, zabierając ze sobą informacje na temat warunków panujących przed miliardami lat. Z czasem promieniowanie wytraciło większość dawnej energii, stając się ledwie wyczuwalnym mikrofalowym promieniowaniem tła – najcenniejszą dostępną kroniką “opisującą” burzliwą młodość wszechświata.
Zatarte ślady
A co z BAO? Zaburzenia, tak jak wszystko inne, musiały ulec rozciągnięciu, zostawiając jakiś ślad w dzisiejszym rozłożeniu materii. Jeśli hipoteza była słuszna, w momencie rekombinacji promień kolistych struktur wynosiłby około 460 tys. lat świetlnych, urastając do 500 milionów lat świetlnych obecnie. Patrząc na wszechświat w największej skali, powinniśmy zatem zaobserwować, że galaktyki układają się w monstrualne pierścienie z “kropką” w samym środku.
Jednakże tak jak uprzedzałem, ślady na pewno zostały zatarte i nie zobaczymy ich, ot tak po prostu zerkając przez teleskop. Pierścienie mogły na siebie nachodzić i prawdopodobnie uległy rozmyciu.
W tym miejscu z pomocą przybywa statystyka. Badacze wzięli na warsztat reprezentatywny skrawek nieba i zaczęli mierzyć dystanse pomiędzy wszystkimi możliwymi parami galaktyk.
Gdyby galaktyki okazały się porozrzucane w przestrzeni zupełnie losowo, po naniesieniu tysięcy pomiarów na wykres, krzywa nie powinna zawierać żadnych wybrzuszeń i łagodnie opadać. Jednak jeżeli BAO pozostawiły po sobie jakieś relikty, byłyby one widoczne w postaci zwyżki liczby par galaktyk oddalonych od siebie o około 500 milionów lat świetlnych. Nie 300 mln, nie 750 mln, tylko właśnie 500 mln. To dystans pomiędzy krawędzią naszego kręgu, a jego centrum – miejscami o spodziewanie zwiększonym zagęszczeniu materii. Powinniśmy otrzymać następujący wykres:
No i uzyskaliśmy.
Mały, duży pik
W 2005 roku zespół Daniela Eisensteina z Uniwersytetu Harvarda poinformował o pierwszym dowodzie na obecność “barionowego piku akustycznego w wielkoskalowej funkcji korelacji galaktyk”. Odkrycia dokonano w ramach pierwszego etapu jednego z najsłynniejszych przeglądów nieba SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Po naniesieniu na wykres danych dotyczących 46 748 odległych galaktyk zajmujących obszar 4 miliardów lat świetlnych, funkcja przybrała kształt dokładnie odpowiadający prognozom teoretyków.
Pik nie wydaje się duży, ale statystycznie nie mógł stanowić przypadku. Sama jego obecność wyraźnie wskazuje, że galaktyki nie są rozmieszczone w całkowicie losowy, ani równomierny sposób. W kolejnych latach wyniki uzyskane przez SDSS potwierdził jeszcze dokładniejszy eksperyment BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), również pod przewodnictwem Eisensteina.
Chociaż odkrycie barionowych oscylacji akustycznych nie zrobiło w mediach takiego zamieszania, jak zidentyfikowanie supermasywnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej czy pierwsze fotografie Teleskopu Webba – dla astronomów było to co najmniej równie ważne osiągnięcie. Po pierwsze dlatego, że obserwacje współgrały z symulacjami młodego wszechświata wręcz w zdumiewającym stopniu. Po drugie, osiągnięte wyniki uprawdopodobniły tezę o grawitacyjnym znaczeniu ciemnej materii i w ogóle cały model Lambda-CDM. Wreszcie, po trzecie, odciski BAO okazały się nową, całkiem porządną… linijką.
Ustalanie odległości między galaktykami zawsze sprawia pewne kłopoty. Wcale nie tak łatwo odróżnić mały, słabo świecący obiekt od dużego i jasnego, położonego znacznie dalej. Dlatego warto mieć do dyspozycji co najmniej dwie różne metody pomiaru.
Do tej pory rolę podstawowej miarki w przyborniku kosmologów, odgrywały świece standardowe w postaci schematycznych eksplozji supernowych typu Ia. Pierścienie BAO, z uwagi na swoje ściśle zdefiniowane rozmiary, nadają się do tego zadania równie dobrze. Co więcej, sięgając teleskopem w odległą przeszłość, na podstawie średnicy BAO będziemy mogli szacować tempo ekspansji wszechświata w wybranych momentach i dokładnie zrekonstruować jego ewolucję.
Światełko w ciemności
Warto zdawać sobie z tego wszystkiego sprawę, ponieważ opisywane techniki właśnie wchodzą pod strzechy. W 2021 roku kalifornijskie Lawrence Berkeley National Laboratory rozpoczęło projekt DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). To jeden z najszerszych przeglądów wielkoskalowych struktur wszechświata i pierwszy oparty głównie o barionowe oscylacje akustyczne. Pięcioletni eksperyment pozwoli na sporządzenie dokładnej trójwymiarowej “mapy”, obejmującej 40 milionów (!) galaktyk.
Projekt trwa, ale już wiadomo, że pomiary BAO potwierdzają najważniejszy wniosek płynący z polowań na supernowe Ia: wszechświat stale rośnie, a tempo jego ekspansji przyśpiesza. Jednak DESI posiada potencjał pozwalający znaleźć odpowiedź na bardziej złożone pytanie. Czy ujemne ciśnienie rozpychające przestrzeń kosmiczną – bez względu na to, czy nazwiemy je stałą kosmologiczną, kwintesencją, ciemną energią, czy jeszcze inaczej – miało zawsze taką samą wartość? A może podlegało jakimś wahaniom w czasie i przestrzeni?
Jeśli uda nam się w najbliższych latach rozwikłać tę zagadkę, to właśnie dzięki galaktycznym pierścieniom BAO.
Literatura uzupełniająca:
L. Valich, DESI first-year data delivers unprecedented measurements of expanding universe, [online: www.rochester.edu/newscenter/what-is-dark-energy-desi-expanding-universe-600592/];
D. J. Eisenstein, I. Zehavi, D. W. Hogg, Detection of the Baryon Acoustic Peak in the Large-Scale Correlation Function of SDSS Luminous Red Galaxies, “The Astrophysical Journal”, [online: iopscience.iop.org/article/10.1086/466512];
E. Siegel, Astronomers spot the first “bounce” in our Universe, [online: bigthink.com/starts-with-a-bang/astronomers-bounce-in-universe/];
What is the acoustic peak?, [online: lweb.cfa.harvard.edu/~deisenst/acousticpeak/acoustic_physics.html];
Baryon acoustic oscillations and dark energy, [online: w.astro.berkeley.edu/~mwhite/bao/];
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2014;
P. Halpern, Nasz inny wszechświat. Poza kosmiczny horyzont i dalej, przeł. J. Popowski, Warszawa 2014;
R. Gott, Kosmiczna pajęczyna. Tajemnicza struktura wszechświata, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2016;
Gify pochodzą ze świetnej wizualizacji BAO wykonanej przez CAASTRO.
