Nadszedł właściwy moment, by wykorzystać pustkę

Astrofizyczka komputerowa Alice Pisani założyła gogle wirtualnej rzeczywistości i wpatrywała się w pustkę – a raczej w jedną z wielu pustek, czyli ogromnych przestrzeni, które wypełniają kosmos. „To było niesamowite przeżycie” – wspomina Pisani. Najpierw przed nią w powietrzu unosiła się mieszanina świecących kropek, z których każda reprezentowała galaktykę. Kiedy Pisani weszła w tę plątaninę, znalazła się wewnątrz dużego obszaru nicości z otaczającą go powłoką z galaktyk. Obraz kosmicznej pustki nie był czystym zgadywaniem, ale opierał się na danych zebranych przez Pisani. „Byłam całkowicie zaskoczona – opowiada. – Po prostu czułam się super”.

Wizualizacja, wykonana w 2022 roku, była specjalnym projektem Bonny Yue Wang, która wówczas studiowała informatykę w Cooper Union for the Advancement of Science and Art w Nowym Jorku. Pisani prowadzi tam wykłady z kosmologii – nauki o strukturze i ewolucji Wszechświata. Wang zamierzała wykorzystać dane Pisani o pustkach, których rozmiary mogą wynosić od dziesiątek do setek milionów lat świetlnych, aby stworzyć obraz rozszerzonej rzeczywistości tych zadziwiających elementów kosmosu.

Projekt ten byłby niemożliwy jeszcze dekadę temu, gdy Pisani rozpoczynała pracę w tej dziedzinie. Od lat 80. naukowcy wiedzieli, że obszary niczego istnieją. Jednak niewystarczające dane obserwacyjne i niedostateczna moc obliczeniowa sprawiały, iż nie były one przedmiotem poważnych badań. Ostatnio jednak gałąź ta poczyniła ogromne postępy, a Pisani pomaga wprowadzić ją do głównego nurtu naukowego. W ciągu zaledwie kilku lat rosnąca liczba naukowców zyskała przekonanie, że badanie pustych przestrzeni Wszechświata może dostarczyć ważnych wskazówek, które pomogą rozwiązać tajemnice ciemnej materii, ciemnej energii i natury enigmatycznych cząstek subatomowych zwanych neutrinami. Dzięki pustkom udało się nawet wykazać, że ogólna teoria względności Einsteina prawdopodobnie działa w taki sam sposób w bardzo dużych skalach, jak i w mniejszych – co nigdy wcześniej nie zostało potwierdzone. „Teraz nadszedł właściwy moment, aby wykorzystać pustki” w kosmologii, mówi David Spergel, były szef wydziału astrofizyki na Princeton University, a obecnie prezes Fundacji Simonsa. Benjamin Wandelt z Institut Lagrange de Paris podziela ten pogląd: „Pustki naprawdę nabrały rozpędu. Stają się gorącym tematem”.

Odkrycie kosmicznych pustek na przełomie lat 70. i 80. było szokiem dla astronomów, którzy z zaskoczeniem stwierdzili, że Wszechświat nie wygląda tak, jak do tej pory myśleli. Wiedzieli, że gwiazdy gromadzą się w galaktyki, a galaktyki często łączą się w gromady liczące dziesiątki, a nawet setki obiektów. Uważali jednak, że jeśli przejdzie się do wystarczająco dużej skali, to ta grudkowatość ulegnie wygładzeniu: w największych skalach kosmos będzie wyglądał jednorodnie. Nie było to tylko założenie. Tak zwane kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (cosmic microwave background; CMB) – promieniowanie elektromagnetyczne wyemitowane około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu – jest niezwykle jednorodne, odzwierciedlając gładkość rozkładu materii w momencie jej powstania. I choć działo się to prawie 14 mld lat temu, współczesny Wszechświat powinien najprawdopodobniej odzwierciedlać tę strukturę.

Takich wniosków nie można jednak wyciągnąć przez samo oglądanie nocnego nieba. Nawet przez teleskop wydaje się ono dwuwymiarowe. Aby potwierdzić założenie o jednorodności, astronomowie musieli wiedzieć nie tylko, jak galaktyki są rozłożone na niebie, ale także jak są rozmieszczone w trzecim wymiarze przestrzeni – głębokości. Aby dowiedzieć się, co znajduje się na pierwszym planie, co w tle, a co pomiędzy, musieli więc pomierzyć odległości od Ziemi do wielu galaktyk, zarówno bliskich, jak i dalekich. W 1978 roku Laird A. Thompson z University of Illinois w Urbana-Champaign i Stephen A. Gregory z University of New Mexico właśnie tak postąpili i odkryli pierwsze poszlaki wskazujące na istnienie kosmicznych pustek, podważając w ten sposób założenie, że Wszechświat jest gładki. W 1981 roku Robert Kirshner z Harvard University wraz z czterema kolegami odkrył ogromną pustkę o średnicy około 400 mln lat świetlnych leżącą w kierunku gwiazdozbioru Wolarza. Jak to ujął Gregory Scott Aldering, obecnie pracujący w Lawrence Berkeley National Laboratory, jest ona tak duża i tak pusta, że „gdyby Droga Mleczna znajdowała się w jej centrum, to aż do lat 60. nie wiedzielibyśmy o istnieniu innych galaktyk [we Wszechświecie]”.

W 1986 roku Margaret J. Geller, John Huchra i Valérie de Lapparent, pracujący wówczas na Harvardzie, potwierdzili, że pustki znalezione przez Thompsona, Kirshnera i ich kolegów nie były jedynie przypadkiem. Zespół skrupulatnie zbadał odległość do setek galaktyk rozmieszczonych na rozległym obszarze nieba i odkrył, że pustki wydają się być wszędzie. „Było to bardzo ekscytujące” – mówi de Lapparent, obecnie dyrektorka ds. badań w Institut d’Astrophysique de Paris (IAP). W owym czasie była doktorantką i spędziła rok, pracując z Geller, która próbowała zgłębić wielkoskalową strukturę Wszechświata. Obraz lokalnego kosmosu, który astronomowie stworzyli wcześniej, wskazywał na strukturę nitkowatą składającą się z regionów o zbyt dużej lub zbyt małej gęstości galaktyk. „Margaret miała wrażenie, że to tylko błąd obserwacyjny – opowiada de Lapparent – ale musieliśmy to sprawdzić. Chcieliśmy spojrzeć głębiej.” Grupa użyła stosunkowo małego teleskopu na górze Mount Hopkins w Arizonie. „Nauczyłam się prowadzić obserwacje na tym teleskopie – wspomina de Lapparent. – Po nocy treningu mogłam już to robić samodzielnie, co było fascynujące”. Kiedy skończyła, ona, Geller i Huchra stworzyli mapę lokalizacji galaktyk. „To było niesamowite – mówi. – Mieliśmy duże, okrągłe puste przestrzenie i ostre ściany pełne galaktyk”.

Naukowcy w artykule zatytułowanym „A Slice of the Universe” (Skrawek Wszechświata) napisali, że „wszystkie te cechy stanowią poważne wyzwanie dla obecnych modeli formowania się struktury wielkoskalowej”. Jak potwierdziły późniejsze, głębsze badania, galaktyki i gromady galaktyk tworzą gigantyczną sieć skoncentrowanych obszarów materii połączonych włóknami, z gigantycznymi pustkami pomiędzy nimi. Innymi słowy, dzisiejszy kosmos przypomina niejako ser szwajcarski, podczas gdy CMB wygląda bardziej jak ser śmietankowy.

Pytanie brzmiało więc następująco: jakie siły sprawiły, że Wszechświat przekształcił się z serka śmietankowego w ser szwajcarski? Jednym z czynników prawie na pewno była ciemna materia, niewidzialna masa, której istnienie dopiero niedawno zostało zaakceptowane przez większość astrofizyków, pomimo zachęcających dowodów przedstawianych przez lata przez obserwatorów takich, jak Vera Rubin i Fritz Zwicky. Jej masa jest sześciokrotnie większa od masy zwykłej, widzialnej materii. To sprawia, że przyciąganie grawitacyjne nieco gęstszych obszarów we wczesnym Wszechświecie było silniejsze, niż wcześniej przypuszczano. Gwiazdy i galaktyki formowałyby się preferencyjnie w obszarach o wysokiej gęstości, pozostawiając regiony o niskiej gęstości w znacznej mierze puste.

Większość obserwatorów i teoretyków nadal badała to, co nazwano „kosmiczną siecią”, ale bardzo niewielu skupiło się na pustkach. Nie było to spowodowane brakiem zainteresowania; problem polegał na tym, że nie było na co patrzeć. Pustki są ważne nie ze względu na to, co zawierają, ale dlatego, że samo ich istnienie, ich kształty, rozmiary i odległości od siebie, muszą być wynikiem tych samych sił, które nadają strukturę Wszechświatowi. Aby wykorzystać pustki do zrozumienia, jak działają te siły, astrofizycy w analizach statystycznych musieli uwzględniać wiele czynników: rozmiary, kształty i separację pustek, ale znano ich zbyt mało, by wyciągać użyteczne wnioski. Była to sytuacja analogiczna do tej z egzoplanetami w latach 90.: kilka pierwszych odkryć było dowodem na to, że planety rzeczywiście krążą wokół gwiazd pozasłonecznych, ale dopiero gdy od 2009 roku teleskop Kepler zaczął wyłapywać ich tysiące, planetolodzy mogli powiedzieć cokolwiek sensownego na temat liczby i rodzajów planet wypełniających Drogę Mleczną.

Inny problem związany z badaniem pustek został przedstawiony w 1995 roku przez Barbarę Ryden z Ohio State University i Adriana L. Melotta z University of Kansas. Zauważyli oni, że badania galaktyk prowadzone są w „przestrzeni przesunięć ku czerwieni”, a nie w przestrzeni rzeczywistej. Aby zrozumieć, co uczeni mieli na myśli, należy pamiętać, że w miarę rozszerzania się Wszechświata fale świetlne są rozciągane, przez co stają się czerwieńsze. Im dalej coś znajduje się od obserwatora, tym bardziej poczerwienione jest jego światło. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba został zaprojektowany tak, aby mógł rejestrować promieniowanie podczerwone, między innymi po to, żeby wykrywać najwcześniejsze galaktyki, których światło zostało rozciągnięte poza widzialną część widma i trafiło do zakresu podczerwonego. Z kolei CMB, najbardziej odległe promieniowanie, jakie możemy wykryć, zostało rozciągnięte tak bardzo, że obecnie odbieramy je w postaci mikrofal. „Pomiar fizycznych odległości do galaktyk jest trudny – napisali Ryden i Melott w artykule opublikowanym w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”. – Znacznie łatwiej jest wyznaczyć przesunięcia ku czerwieni”. Zauważyli oni jednak, że przesunięcia ku czerwieni mogą zniekształcać rzeczywiste odległości do galaktyk, które otaczają pustkę, a tym samym dawać mylne wyobrażenie o jej rozmiarze i kształcie. Problem, jak wyjaśnia Nico Hamaus z Ludwig-Maximilians-Universität w Monachium, polega na tym, że gdy pustka się rozszerza, „bliższa strona zbliża się do nas, a dalsza oddala”. Efekt ten zmniejsza przesunięcia ku czerwieni po stronie bliskiej, a zwiększa po stronie dalekiej, sprawiając, że pustka wygląda na sztucznie wydłużoną.

Pomimo trudności pod koniec pierwszej dekady XXI wieku astrofizycy stali się lepiej przygotowani, aby zająć się pustkami. Projekty takie jak Sloan Digital Sky Survey (Numeryczny Przegląd Nieba Fundacji Sloan) sięgały w kosmos znacznie głębiej niż mapa stworzona przez Geller, Huchrę i de Lapparent. Dzięki nim stwierdzono, że pustki są wszędzie, gdzie się tylko spojrzy. W międzyczasie niezależne obserwacje przeprowadzone przez dwa zespoły astrofizyków ujawniły istnienie ciemnej energii. Jest to coś w rodzaju ujemnej grawitacji, która zmusza Wszechświat do coraz szybszego rozszerzania się. Gdyby jej nie było, Wszechświat powinien zwalniać z powodu wzajemnego przyciągania grawitacyjnego bilionów galaktyk. Pustki zdawały się oferować astronomom obiecujący sposób badania tego, co może być źródłem ciemnej energii.

Odkrycia te przyciągnęły uwagę Wandelta. On sam zawsze starał się zrozumieć, w jaki sposób powstała wielkoskalowa struktura współczesnego Wszechświata. Jednym z aspektów pustek, który wydał mu się atrakcyjny, jest fakt, że „te słabo zagęszczone regiony są pod pewnymi względami znacznie spokojniejsze, bardziej podatne na modelowanie” niż oddzielające je gromady i włókna. Jak mówi Wandelt, galaktyki i gazy zderzają się ze sobą w nieliniowych i skomplikowanych interakcjach. Mamy do czynienia z „chaosem, który wymazuje informacje na temat ich powstawania. Sprawę dodatkowo komplikuje fakt, że przyciąganie grawitacyjne między galaktykami jest w mniejszych skalach tak silne, iż przeciwdziała ogólnemu rozszerzaniu się Wszechświata – a nawet przeciwdziała dodatkowej sile ciemnej energii. Na przykład Andromeda, najbliższa nam duża galaktyka, w rzeczywistości zbliża się do Drogi Mlecznej; za około 4 mld lat obiekty te się połączą. Z kolei pustki „są zdominowane przez ciemną energię – mówi Wandelt. – Największe z nich rozszerzają się szybciej niż reszta Wszechświata”. Z tego powodu są one idealnymi laboratoriami do badania tej zagadkowej siły.

I nie chodzi tu tylko o zrozumienie natury ciemnej energii, która może zostać poznana dzięki prowadzonym badaniom; pustki mogą również (by tak rzec) rzucić światło na istotę ciemnej materii. Chociaż puste przestrzenie zawierają znacznie mniej ciemnej materii niż gromady i włókna kosmicznej pajęczyny, to wciąż trochę jej tam jest. I w przeciwieństwie do chaotycznej sieci, z jej wirującymi gorącymi gazami i zderzającymi się galaktykami, w pustkach panuje taki spokój, że cząstki, które zdaniem astrofizyków tworzą ciemną materię, mogłyby zostać wykryte. Nie będą one widoczne bezpośrednio, ponieważ nie pochłaniają ani nie emitują światła, ale powinny od czasu do czasu zderzać się ze sobą, wywołując słabe wybuchy promieniowania gamma. Prawdopodobnie ostatecznie rozpadłyby się, w tym procesie również emitując promienie gamma. Wystarczająco czuły kosmiczny teleskop promieniowania gamma teoretycznie byłby w stanie wykryć ich łączny sygnał. Nicolao Fornengo z Università degli Studi di Torino we Włoszech, współautor preprintu przedstawiającego to uzasadnienie, mówi, że „jeśli ciemna materia wytwarza [promieniowanie gamma], sygnał powinien być rejestrowalny”.

Pustki mogłyby nawet pomóc w rozwikłaniu natury neutrin – cząstek elementarnych, które kiedyś uważano za bezmasowe. Przenikają one przez Wszechświat, prawie nie wchodząc w interakcje ze zwykłą materią. (Gdyby wysłać wiązkę neutrin przez płytę ołowiu o grubości jednego roku świetlnego, czyli prawie 10 bln km, około połowa z nich przeleciałaby przez nią bez trudu). Fizycy potwierdzili, że trzy znane rodzaje neutrin mają masę, ale nie są pewni, dlaczego tak jest i jakie dokładnie są to masy.

Elena Massara odbywająca staż podoktorski w Waterloo Center for Astrophysics na University of Waterloo w Kanadzie twierdzi, że pustki mogą pomóc w znalezieniu odpowiedzi na to pytanie. Jak wyjaśnia, są to miejsca, w których brakuje zarówno materii świecącej, jak i ciemnej materii, „ale jest tam pełno neutrin, które są prawie równomiernie rozmieszczone” w całym Wszechświecie, w tym w pustkach. Dzieje się tak dlatego, że neutrina przelatują przez kosmos z prędkością bliską prędkości światła, co oznacza, że nie gromadzą się pod wpływem swojej własnej grawitacji lub wskutek przyciągania przez skupiska ciemnej materii, które stanowią rusztowanie dla kosmicznej sieci. Chociaż pustki zawsze zawierają dużo neutrin, te cząstki tylko przez nie przelatują – te, które wylatują, są stale uzupełniane przez neutrina napływające z zewnątrz. Ich sumaryczna grawitacja może sprawić, że pustki będą rosły wolniej niż w sytuacji, w której by ich nie było. Z tempa wzrostu – określonego poprzez porównanie średniego rozmiaru pustek we wczesnym Wszechświecie z tymi we Wszechświecie współczesnym – można wywnioskować, jaką masę mają neutrina.

Od czasu, gdy Pisani zaczęła badać pustki, będąc doktorantką pracującą pod kierunkiem Wandelta, wiedza o nich bardzo się zmieniła. Jak wspomina, Wandelt zaproponował jej dwa lub trzy tematy rozprawy doktorskiej, a jednym z nich były kosmiczne pustki. „Czułam, że to najbardziej ryzykowny wybór – mówi – ponieważ w tamtym czasie dysponowaliśmy bardzo małą ilością danych. Ale pustki stanowiły również niesamowite wyzwanie”. Jednak dane, których Pisani i inni potrzebowali do analizy pustek – to znaczy do porównania ich rzeczywistych cech z modelami komputerowymi uwzględniającymi ciemną materię, ciemną energię, neutrina i tworzenie się wielkoskalowej struktury we Wszechświecie – były po prostu niedostępne. „Kiedy zaczynałam pracę nad doktoratem – wspomina Pisani – znaliśmy mniej niż 300 pustek, coś około tej liczby. Dziś mamy ich około 6000 lub więcej.”

To dużo, ale wciąż zbyt mało, aby przeprowadzić kompleksową analizę statystyczną niezbędną do wykorzystania pustek w poważnej kosmologii. Z jednym wyjątkiem. W 2020 roku Hamaus, Pisani, Wandelt i ich koledzy opublikowali analizę pokazującą, że ogólna teoria względności zachowuje się przynajmniej w przybliżeniu tak samo w bardzo dużych skalach, jak w lokalnym Wszechświecie. Pustki mogą być wykorzystane do przetestowania tego problemu, ponieważ astrofizycy uważają, że powstają one dzięki temu, iż ciemna materia gromadzi się we Wszechświecie: przyciąga ona zwykłą materię, tworząc kosmiczną sieć i pozostawiając puste przestrzenie. Ale co by było, gdyby ogólna teoria względności, nasza najlepsza teoria grawitacji, załamywała się w jakiś sposób na bardzo dużych odległościach? Niewielu naukowców spodziewa się, że tak się stanie, ale są tacy, którzy sugerują to jako alternatywny sposób na wyjaśnienie efektów przypisywanych obecności ciemnej materii.

Przyglądając się grubości ścian materii otaczającej pustki, Hamaus i jego koledzy ustalili jednak, że na teorii Einsteina można bezpiecznie polegać. Aby zrozumieć, dlaczego, wyobraźmy sobie pustkę jako „okrąg, którego promień zwiększa się wraz z ekspansją Wszechświata” – wyjaśnia Wandelt. Gdy okrąg rośnie, napiera na granice galaktyk i gromad na swoim obwodzie. Z biegiem czasu struktury te łączą się, pogrubiając „ścianę”, która definiuje krawędź pustki. Ciemna energia i neutrina również wpływają na jej grubość, ale ponieważ są one równomiernie rozłożone zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz pustki, ich ogólny wpływ jest znacznie mniejszy.

Naukowcy planują wkrótce wykorzystać pustki, aby dowiedzieć się jeszcze więcej o Wszechświecie, ponieważ spodziewają się, że ich liczba w katalogu szybko wzrośnie. „W ciągu najbliższych pięciu lub 10 lat – mówi Pisani – będziemy mieli ich setki tysięcy. To jedna z tych dziedzin, w których liczby naprawdę robią różnicę.” Z kolei Spergel twierdzi, że postępy w uczeniu maszynowym znacznie ułatwią analizę właściwości pustek.

Tak wiele nowych obiektów poznamy nie dzięki projektom specjalnie przeznaczonym do wyszukiwania pustek. Pojawią się one, podobnie jak w przypadku Sloan Digital Sky Survey, jako produkt uboczny bardziej ogólnych badań. Dla przykładu, misja Euclid, którą Europejska Agencja Kosmiczna umieściła na orbicie w lipcu 2023 roku, stworzy trójwymiarową mapę kosmicznej sieci o niespotykanej dotąd rozległości i głębokości. Teleskop Kosmiczny Nancy Grace Roman zostanie wystrzelony przez NASA w 2026 roku i będzie prowadzić obserwacje w świetle podczerwonym. A w 2024 roku naziemne Obserwatorium Very C. Rubin rozpocznie 10-letnie badanie struktury kosmicznej. Wszystkie te projekty powinny zwiększyć liczbę znanych pustek o dwa rzędy wielkości.

„Pamiętam jedno z pierwszych wystąpień na temat kosmologii pustek, które wygłosiłam na konferencji we Włoszech” – mówi Pisani. „Po jego zakończeniu nikt z publiczności nie zadał żadnego pytania”. Wówczas nie miała pewności, czy powodem był sceptycyzm, czy po prostu temat był tak nowy dla jej słuchaczy, że nie mogli znaleźć odpowiedniego pytania. Z perspektywy czasu uważa, że było to i jedno, i drugie. „Myślę, że problemem było przekonanie ludzi, iż jest to rozsądna dziedzina badań, którą warto się zainteresować” – mówi.

Obecnie problem ten jest już znacznie mniejszy. Dla przykładu, zauważa Pisani, grupa Euclida zajmująca się pustkami liczy około 100 naukowców. „Muszę powiedzieć, że Alice była jednym z nieustraszonych pionierów na tym polu” – mówi Wandelt o swojej byłej doktorantce. Wspomina, że kiedy zaczęli pisać pierwsze artykuły na temat pustek, niektóre z czołowych postaci astrofizyki „wyraziły poważne wątpliwości, czy można zrobić coś z pustkami, co byłoby interesujące dla kosmologii”. Najlepszym potwierdzeniem, że byli w błędzie, jest fakt, iż niektórzy z nich są teraz nastawieni entuzjastycznie.

Pisani jest prawdopodobnie idealną przedstawicielką tej szybko rozwijającej się dziedziny. Podchodzi do tematu z absolutnym rygorem naukowym, ale także z zaraźliwym entuzjazmem. Ilekroć mówi o pustkach, zapala się, mówi szybko, podrywa się na nogi, aby narysować diagramy na tablicy, z łatwością i pewnością siebie odpowiada na pytania (których jest teraz wiele). Podkreśla, że nauka o pustkach sama w sobie nie udziela odpowiedzi na wszystkie ważne pytania astrofizyków dotyczące Wszechświata. Może jednak zrobić coś jeszcze bardziej wartościowego: przetestować pomysły dotyczące ciemnej materii, ciemnej energii, neutrin i rozbudowy struktury kosmicznej niezależnie od innych metod stosowanych przez naukowców. Jeśli wyniki będą się zgadzać, to świetnie. Jeśli nie, astrofizycy będą musieli uzgodnić rozbieżności, aby dowiedzieć się, co tak naprawdę dzieje się w kosmosie.

„Uważam, że fakt, iż spojrzenie na te obszary, w których nic nie ma, może dostarczyć informacji o niektórych z wyjątkowych tajemnic Wszechświata, jest nie tylko atrakcyjny, ale nawet ma w sobie coś poetyckiego” – mówi Wandelt.