Złudzenia optyczne, czyli nasze zaściankowe wyobrażenia o kosmicznej ewolucji okazują się z gruntu zawodne

Jeśli znajdujecie się na powierzchni Ziemi – a założę się, że tak właśnie jest – macie wiele sposobów, aby w miarę pewnie oszacować odległość do danego obiektu. Jednym z nich, wykorzystywanym niemal podświadomie, jest porównanie postrzeganej wielkości obiektu z tym, jak duży jest on według naszej wiedzy. Na przykład mamy dobre wyczucie wzrostu typowego człowieka. Jeśli zatem w naszym polu widzenia jest ktoś, kto wygląda na dużego, zakładamy, że znajduje się on blisko, a jeśli wydaje nam się malutki, musi być znacznie dalej.

Oczywiście niektórzy ludzie odbiegają wzrostem od przeciętnej, lecz nadal da się to uwzględnić, aby uzyskać rzetelne oszacowanie odległości. Generalna zasada jest jasna jak słońce – im dalej znajduje się obiekt, tym wydaje się mniejszy. Jest to tak oczywiste, że postrzegamy tempo zmian jako liniowe – po podwojeniu odległości obiekt wydaje się o połowę mniejszy niż poprzednio. Jeśli spojrzymy na niego z odległości dziesięciokrotnie większej, będzie wyglądał na mniejszy dziesięciokrotnie.

Prawidłowość ta potwierdza się doskonale w przypadku znanych obiektów na odległościach do kilku kilometrów, jednak dobrze wiadomo, że astronomom nie wystarczają te stosunkowo niewielkie skale. Chcemy poznać odległości do obiektów oddalonych o biliony kilometrów – a nawet miliardy razy więcej!

Na zdjęciach głębokiego nieba wykonanych przez potężne teleskopy widać całe mrowie galaktyk. Niektóre z nich znajdują się stosunkowo blisko nas – zaledwie kilkadziesiąt milionów lat świetlnych – podczas gdy inne mogą być miliardy lat świetlnych dalej. Czy da się to stwierdzić wyłącznie na podstawie zdjęcia?

Można by przyjąć, zgodnie z naszą ziemską intuicją, że galaktyki, które wydają się mniejsze, znajdują się dalej, lecz to podejście się nie sprawdza; podobnie jak ludzie, galaktyki są różnej wielkości. Na fotografii możemy patrzeć na ogromną galaktykę znajdującą się niemal na skraju obserwowalnego Wszechświata lub na małą galaktykę karłowatą tuż za obrębem naszego kosmicznego podwórka. Nie da się rozróżnić tych przypadków wyłącznie na podstawie obrazu.

Owszem, byłoby to możliwe, gdyby istniała jakaś standardowa skala fizycznych wielkości galaktyk, jakiś sposób mierzenia odległości do nich poprzez powiązanie szczegółów struktury z ogólnymi rozmiarami, lecz to ewidentnie byłoby zbyt proste wobec rzeczywistej złożoności Wszechświata.

Okazuje się, że standardowe skalowanie liniowe, którego używamy na Ziemi, miałoby zastosowanie w warunkach kosmicznych tylko wtedy, gdyby Wszechświat był statyczny – niezmienny pod względem wielkości w czasie – ale tak nie jest, albowiem ekspanduje on, z każdym dniem się powiększając. Zjawisko to niesie mnóstwo osobliwych konsekwencji, przy czym jedną z najbardziej zaskakujących jest to, że powyżej pewnego progu oddalenia położone dalej galaktyki wydają się powiększać wraz z odległością! Jak to często bywa, kosmos jest naprawdę o wiele dziwniejszy, niż zwykliśmy sądzić.

Ten pozornie paradoksalny efekt jest konsekwencją ekspansji kosmosu w połączeniu z niezmienną wartością prędkości światła w próżni.

Gdy mówimy, że galaktyka znajduje się na przykład 12 mld lat świetlnych od nas, zazwyczaj mamy na myśli to, że wyemitowane przez nią światło dotarło do nas po 12 mld lat. Jednak kiedy światło było w drodze, Wszechświat jako całość nieustannie powiększał swoje rozmiary. Oznacza to, że w przeszłości był mniejszy, a zawarte w nim obiekty znajdowały się znacznie bliżej siebie. Gdy światło opuszczało tę galaktykę 12 mld lat temu, była ona bliżej nas, a zatem teraz wydaje się większa niż można by szacować na podstawie odległości.

Jest to niewątpliwie coś sprzecznego z intuicją i, szczerze mówiąc, osobliwego. Jednak potwierdzają to równania opisujące ekspansję Wszechświata. Efekt ten dotyczy wszystkich galaktyk, lecz jest pomijalny w przypadku tych stosunkowo bliskich; czas podróży ich światła jest znikomy w porównaniu z wiekiem Wszechświata, stąd Wszechświat nie był aż tak mały, kiedy zostało wyemitowane światło, które teraz widzimy. Ich widoma wielkość nie ulega zmianie wystarczająco, abyśmy mogli to dostrzec.

Różnica ta wzrasta jednak wraz z odległością i zaczyna dominować w przypadku obiektów, od których światło podróżowało około 9,5 mld lat. Wówczas zaglądamy tak głęboko w przeszłość – aż do początkowych stadiów ewolucji Wszechświata – że galaktyki są efektywnie powiększane i wyglądają na większe niż w rzeczywistości. Dokładna odległość, w której staje się to zauważalne, zależy od wielu skomplikowanych czynników, w tym od tempa ekspansji Wszechświata i ilości zawartej w nim materii. W rzeczy samej, gdybyśmy byli w stanie precyzyjnie zmierzyć ten pozorny przyrost wielkości, moglibyśmy wykorzystać go do lepszego wyznaczenia istotnych parametrów kosmologicznych.

Niestety, w sytuacji, gdy galaktyki nie mają standardowych rozmiarów, zadanie to jest niezwykle trudne. Co gorsza, ten kosmiczny efekt powiększenia sprawia, że niektóre galaktyki mylnie wydają się świecić słabiej – skoro widzimy je jako większe, ich światło jest bardziej rozproszone, stąd stają się słabsze i jeszcze trudniejsze do obserwacji.

Jakkolwiek efekt ten może zaskakiwać, jeszcze bardziej zdumiewające jest to, że udało nam się go dostrzec z naszego planetarnego zakątka na peryferiach Drogi Mlecznej. Jego samo istnienie jest jednym z wielu powodów, dla których astronomowie podejmują herkulesowe wysiłki, aby wyznaczyć odległości do najbardziej odległych obiektów. Dzięki temu możemy nie tylko uzyskać informacje o tych obiektach, ale i dowiedzieć się czegoś więcej o tym, jak otaczający je Wszechświat zachowywał się wtedy, gdy był bardzo młody. Oczywiście pod warunkiem, że weźmiemy sobie do serca tę brutalną prawdę – gdy zaczynamy mówić o odległościach mierzonych w miliardach lat świetlnych, nasze zaściankowe wyobrażenia o kosmicznej ewolucji okazują się z gruntu zawodne i musimy bardzo uważać, aby pochopnie nie ekstrapolować doświadczeń z Ziemi.