Astronomowie ogarniają Wszechświat w całości i wiedzą, co się w nim dzieje? Nic bardziej mylnego
Wszechświat jest doprawdy ogromny. Jednak, jeśli wziąć pod uwagę, że astronomowie codziennie dokonują godnych uwagi odkryć kosmicznych i formułują nowe koncepcje, można by sądzić, że jakoś udaje się nam go w całości ogarnąć, a łączna moc ziemskich teleskopów zapewnia pełną znajomość tego, co dzieje się na niebie.
Nic bardziej mylnego. Pomimo że dysponujemy tymi wszystkimi zaawansowanymi obserwatoriami, nadal pozostają pewne przedziały widma elektromagnetycznego (i nie tylko jego), których nie widzimy, oraz obszary, gdzie potrzebujemy więcej (lub jakichkolwiek) teleskopów.
Widmo – czyli różne rodzaje promieniowania – jest w zasadzie nieskończone. Jednak jego widzialna część, od fioletu do czerwieni, obejmuje zakres długości fal, który różni się od jednego krańca do drugiego zaledwie o współczynnik około dwóch, podczas gdy ogromny zakres od długich fal radiowych po promieniowanie gamma rozciąga się na ponad 20 rzędów wielkości. Nic zatem dziwnego w tym, że nie obejmujemy wszystkiego.
Zaskakujące jednak jest to, jak wiele udało nam się już poznać. W dowolnym momencie działają tysiące teleskopów na światło widzialne; sam mam taki, z którego korzystam, gdy nie lata zbyt wiele owadów. Profesjonaliści dysponują dziesiątkami dużych obserwatoriów naziemnych i orbitalnych, jest także sporo instrumentów nowej generacji w fazie przygotowań – w tym Nancy Grace Roman Space Telescope (którego wystrzelenie jest planowane na koniec sierpnia tego roku) łączący ostrość widzenia Hubble Space Telescope ze znacznie szerszym polem widzenia. Warto również zwrócić uwagę na dane archiwalne, ponieważ większość obiektów na niebie nie ulega znaczącym zmianom w skali ludzkiego życia, co sprawia, że dokładne badania zachowują aktualność, nawet jeśli minęły już lata lub dziesięciolecia od ich przeprowadzenia.
Na przykład w przypadku podczerwieni mieliśmy sondę Wide-Field Infrared Survey Explorer, która przeskanowała całe niebo, aby zapewnić ogólny obraz, a obecnie dysponujemy James Webb Space Telescope, który zapewnia nam najostrzejsze i najgłębsze dotychczas obrazy w tym przedziale widmowym. Sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe oraz satelita Planck sporządziły mapy nieba w zakresie mikrofal, a obecnie obserwacje na krótszych falach wykonywane są przez Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. Zasadniczo działa prawie tyle samo radioteleskopów, ile teleskopów na światło widzialne.
Na drugim krańcu widma Galaxy Evolution Explorer badał niebo w ultrafiolecie, natomiast Hubble ma dwie kamery UV, które nadal działają. Kilka teleskopów orbitalnych rejestruje promieniowanie rentgenowskie – m.in. sędziwe Chandra Xray Observatory, XMM-Newton i Neil Gehrels Swift Observatory. Nawet promieniowanie gamma jest obsługiwane dzięki Fermi Gamma-Ray Space Telescope oraz obserwatorium Swift, które wciąż dostarczają niesamowitych danych.
W zasięgu obserwacyjnym są pewne luki, ale zaproponowano już sposoby ich uzupełnienia. Jedna z najbardziej rażących jest między obserwacjami w podczerwieni a obserwacjami radiowymi na falach milimetrowych, lecz misja Probe Far-Infrared Mission for Astrophysics wypełni znaczną jej część. Kolejna luka dotyczy fal radiowych długości co najmniej 10 m, które są odbijane przez jonosferę Ziemi; aby je obserwować, astronomowie zaproponowali budowę radioteleskopów po drugiej stronie Księżyca. Jeden z nich, Lunar Crater Radio Telescope, miałby oszałamiającą średnicę jednego kilometra. Takie teleskopy pozwoliłyby wykryć fale radiowe emitowane przez gaz z kosmicznej „ciemnej epoki” – trwającego kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu okresu przed narodzinami pierwszych gwiazd – o którym wiemy bardzo niewiele.
Nawet w przypadku tych części widma, które zostały już dokładnie zbadane, pragnienie poszerzenia wiedzy niekoniecznie świadczy o niepohamowanej zachłanności. Różne teleskopy pełnią różne funkcje. Niektóre obserwują rozległe obszary nieba na potrzeby przeglądów; inne precyzyjnie namierzają obrane cele. Jedne rejestrują obrazy; drugie dostarczają widm, rozkładając padające światło na poszczególne przedziały energii (bądź barwy, długości fal lub częstotliwości – wszystkie te terminy oznaczają zasadniczo to samo). Taka spektroskopia jest potężną techniką do dogłębnych badań obiektów niebieskich, pozwalającą m.in. określić ich rotację, ruch liniowy, skład chemiczny i odległość. Sądzę, że jest oczywiste, iż im więcej mamy teleskopów, tym lepiej rozumiemy Wszechświat.
Jednak skupianie się na lukach w naszym pokryciu widma może sprawić, że pominiemy inne obiecujące obszary obserwacji. Mamy na przykład skłonność do badania promieniowania. Istnieją jednak inne typy kosmicznych sygnałów.
Jednym z przykładów są fale grawitacyjne – zaburzenia struktury czasoprzestrzeni wywoływane przez przyspieszony ruch mas. W przypadku zdecydowanej większości obiektów we Wszechświecie są one zbyt mało wyraziste, by dało się je wykryć, ale masywne obiekty przyspieszające bardzo gwałtownie wysyłają fale o znacznie wyraźniejszym kształcie. Czarne dziury doskonale nadają się do tego rodzaju obserwacji, tym bardziej, że nie emitują bezpośrednio żadnego promieniowania elektromagnetycznego.
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) wykryło pierwsze tego typu fale w 2015 roku, rejestrując niemożliwe do dostrzeżenia w inny sposób zjawisko łączenia się dwóch czarnych dziur o masie gwiazdowej. Było to niezwykłe osiągnięcie. Choć Albert Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych już w 1915 roku, technika potrzebowała całego stulecia, by dogonić jego obliczenia. Później oddano do użytku jeszcze kilka obserwatoriów tego typu, które pozwoliły zaobserwować setki podobnych zdarzeń, jednak cała ta aktywność dotyczy wąskiego wycinka fal grawitacyjnych – tych, które powstają podczas zderzeń gwiazd neutronowych lub stosunkowo niewielkich czarnych dziur.
Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Europejskiej Agencji Kosmicznej, której start zaplanowany jest na rok 2035, będzie wykrywać znacznie dłuższe fale grawitacyjne powstające podczas spiralnego zbliżania się i kolizji gigantycznych supermasywnych czarnych dziur. Kolizje takie są uważane za najbardziej energetyczne zdarzenia w znanym Wszechświecie, a mimo to wiemy o nich bardzo niewiele. Składająca się z trzech oddzielnych sond oddalonych od siebie o 2,5 mln km misja LISA ma zbyt wielkie rozmiary i jest zbyt czuła, by dało się ją zrealizować na naszej małej hałaśliwej planecie – dlatego oczywiście musi zostać umieszczona w przestrzeni kosmicznej.
Kolejną problematyczną kwestię stanowi ciemna materia. Wiemy, że istnieje i odpowiada za kształtowanie znacznej części struktury Wszechświata, lecz nie emituje promieniowania i ewidentnie w ogóle nie oddziałuje ze zwykłą materią inaczej niż grawitacyjnie. Możemy ją wykrywać pośrednio w odległym Wszechświecie m.in. za pomocą soczewkowania grawitacyjnego, lecz nie mamy możliwości bezpośredniego stwierdzenia jej tutaj, na Ziemi, mimo że cząstki ciemnej materii prawdopodobnie przepływają przez Was i wszystko inne na tej planecie w chwili, gdy to czytacie.
W istocie nie ma nawet pewności, czy ciemna materia w ogóle składa się z cząstek. Żaden z licznych eksperymentów mających na celu wykrycie takich cząstek nie potwierdził ich istnienia w sposób jednoznaczny. W szerszej perspektywie wszystkie te badania stanowią część bogatej i rozwijającej się dziedziny, w której nasze „teleskopy” służą do detekcji detektorów neutrin, cząstek subatomowych i innych nieelektromagnetycznych emisariuszy z kosmosu.
Jednakże jest coś jeszcze, czego nie widzimy, i może to was bardzo zaskoczyć – otóż mamy olbrzymie luki w wiedzy o własnym Układzie Słonecznym. Rejon poza orbitą Neptuna zawiera populację miliardów lodowych, skalistych ciał zwanych obiektami transneptunowymi (TNO), pozostałych po formowaniu się Układu Słonecznego, ale znamy zaledwie kilka tysięcy z nich. Są one niezwykle słabo widoczne i trudne do wykrycia. Vera C. Rubin Observatory powinno odkryć dziesiątki tysięcy takich obiektów, co, jak mają nadzieję astronomowie, pozwoli im lepiej je sklasyfikować i uzyskać pełniejszy obraz tego, jak wyglądał Układ Słoneczny w początkowej fazie swojego istnienia. Ponadto obserwatorium to odkryje znacznie więcej niż tylko obiekty transneptunowe dzięki skupieniu się na astronomii w dziedzinie czasu – czyli badaniu obiektów takich, jak planetoidy, nowe, supernowe i/lub aktywne galaktyki, które poruszają się i zmieniają jasność. Jakkolwiek rejestruje ono wyłącznie obrazy w świetle widzialnym, jego prawdziwa siła tkwi w zdolności do ukazywania zachodzących w nich zmian.
Nasze „lokalne” ograniczenia nie dotyczą wyłącznie zewnętrznego Układu Słonecznego; niewiele wiemy również o bezpośrednim otoczeniu Słońca. Od momentu wystrzelenia w 2018 roku sonda Parker Solar Probe wielokrotnie wykonywała loty nurkowe w kierunku Słońca, aby po raz pierwszy zmierzyć warunki panujące bardzo blisko powierzchni naszej gwiazdy. Gdzieś w słabo zbadanym rejonie w obrębie orbity Merkurego może znajdować się populacja małych planetoid o średnicy od 100 m do sześciu kilometrów. Nazywane wulkanoidami, znajdowałyby się one zbyt blisko potężnego blasku Słońca, by dawało się je łatwo dostrzec z Ziemi. Gdyby potwierdzono ich istnienie, dostarczyłyby nam one wielu informacji odnośnie do ewolucji Układu Słonecznego.
Z tego samego powodu nie możemy obecnie poszukiwać potencjalnie zagrażających nam planetoid pochodzących z obszaru wewnątrz orbity Ziemi. Jednakże sonda NASA Near-Earth Object Surveyor, której start zaplanowano na 2027 rok, ustawi się w stabilnej grawitacyjnie pozycji około miliona kilometrów bliżej Słońca niż Ziemia, aby poszukiwać planetoid znajdujących się w odległości do 45° na niebie od naszej gwiazdy. Plan zakłada skatalogowanie dwóch trzecich populacji planetoid o średnicy większej niż 140 m w tym rejonie przestrzeni.
Wszechświat zaczyna się tuż nad naszymi głowami i rozciąga bezkreśnie w dal. My, ludzie, mamy w miarę dobry widok na niego, z czego korzystamy, by poznać nasze pochodzenie i kosmiczne otoczenie. Jakkolwiek w naszym oglądzie kosmosu bez wątpienia istnieją luki, wiemy dość dobrze, gdzie one są, i powinniśmy dokładać wszelkich starań, by je uzupełnić.