Zagadka zimnej pustki w Kosmosie

Chłodna plama znajduje się w gwiazdozbiorze Erydana, na południowej półkuli nieba. Na wstawce widać całe otoczenie tej kosmicznej anomalii – mapa została wykonana przez zespół Szapudiego przy użyciu danych z PS1 i WISE oraz obserwacji rozkładu temperatury CMB (satelita Planck). Rozmiar kątowy odpowiadającej Chłodnej Plamie gigantycznej pustki kosmicznej to około 30°. Jej położenie zaznaczone jest białymi okręgami. Źródło: ESA Planck Collaboration



W roku 2004 astronomowie badający mapę pozostałości po Wielkim Wybuchu – kosmicznego promieniowania tła (CMB) odkryli Chłodną Plamę, czyli wielki – a nawet dużo większy, niż kiedykolwiek się spodziewano – obszar bardzo niskiej temperatury na naszym ziemskim niebie. Wprawdzie teorie fizyczne związane z Wielkim Wybuchem przewidywały już dawniej fluktuacje temperatury CMB w bardzo wczesnym Wszechświecie, jednak zimny obszar aż tak duży był dla naukowców sporym zaskoczeniem.

Obecnie zespół astronomów pod kierownictwem Istvána Szapudiego z Institute for Astronomy (Uniwersytet Hawajski, Manoa) być może zaczyna znajdywać wiarygodne wyjaśnienie owej zagadki.

Jeżeli Chłodna Plama pochodzi jeszcze z czasów Wielkiego Wybuchu, powinna być rzadko spotykaną oznaką tego, że pewnych rzeczy nasze standardowe teorie i modele nie potrafią jeszcze wyjaśnić. Jeśli jednak przyczyną jej zaobserwowania jest istnienie jakiejś nieznanej dotąd kosmicznej struktury położonej pomiędzy nami a płaszczyzną mikrofalowego promieniowania tła, to może oznaczać, że gdzieś tam w Kosmosie znajduje się naprawdę wielkoskalowy, masywny obiekt.

Dzięki analizie danych z Pan-STARRS1 (PS1) na Hawajach, teleskopu znajdującego się w Maui, oraz danych z przeglądu Wide Field Survey Explorer (satelita WISE) astronomowie odkryli wielką pustkę w Kosmosie – region liczący sobie aż 1,8 miliarda lat świetlnych, w którym gęstość galaktyk jest znacznie niższa niż w pozostałych częściach Wszechświata. Pustkę tą można było wykryć dzięki połączeniu obserwacji optycznych z PS1 i obserwacji w podczerwieni (WISE). Takie połączenie pozwala oszacować odległości i położenia wielu galaktyk w danym rejonie nieba.

W podobnych, nieco wcześniejszych badaniach przeanalizowano znacznie mniejszy obszar nieba w kierunku na Chłodną Plamę. Wynikało z nich jedynie tyle, że w obszarze tym nie ma żadnej dużej, odległej struktury. Paradoksalnie jednak, zidentyfikowanie pobliskiej, wielkiej struktury tego typu było znacznie trudniejsze, bowiem w takim przypadku konieczne staje się wykonanie bardzo dokładnej mapy dużo większego wycinka nieba. Zatem dla badań tego rodzaju krokiem milowym było tak naprawdę wykonanie mapy 3-D na bazie danych z PS1 i WISE przez Andrása Kovácsa z Uniwersytetu w Budapeszcie. Okazało się ostatecznie, że faktycznie istnieje „superpustka” i że jest ona od nas odległa o około 3 miliarda lat świetlnych, czyli stosunkowo niewiele jak na typowe odległości kosmologiczne.

Wyobraźmy sobie teraz, że istnieje ogromny, pusty obszar z bardzo małą gęstością materii – pomiędzy nami, obserwatorami na Ziemi, a tłem CMB. Taki obszar jest niczym wzgórze. Gdy trafia do niego światło, jest zmuszone się po nim wspinać. Gdyby więc Wszechświat nigdy nie doświadczył przyśpieszenia swej ekspansji, taka pustka nie podlegałabym żadnej szczególnej ewolucji i wówczas światło mogłoby spokojnie zejść ze „wzgórza” i z powrotem odzyskać energie potencjalną, jaką spożytkowało na wspinanie się na nie. Ale ponieważ przyśpieszenie tempa rozszerzania się Kosmosu mało miejsce, górka taka jest silnie rozciągnięta dla podróżującego po niej światła. W czasie, gdy promień światła powinien już schodzić po zboczu, zbocze to stało się znacznie bardziej płaskie, a zatem światło nie może odzyskać swojej pierwotnej energii. Zatem opuszcza pustkę z mniejszą energią, a więc promieniuje na dłuższych falach, co odpowiada właśnie obserwowanej przez astronomów, znacznie niższej temperaturze takiego obszaru.

Przejście światłu (nawet światłu!) przez pustkę może zająć dosłownie miliony lat. Dzięki temu opisany powyżej efekt, znany szerzej jako efekt ISW (Integrated Sachs-Wolfe) sugeruje być może pierwsze wiarygodne wyjaśnienie jednej z najbardziej ciekawych anomalii w obserwowanym rozkładzie CMB, który możemy dziś analizować dzięki obserwacjom wykonanym przez satelity WMAP i Planck. Choć istnienie „superpustki” i jej mierzalny wpływ na tło CMB nie do końca jeszcze tłumaczą zaobserwowanie Chłodnej Plamy, wydaje się wysoce nieprawdopodobne, by występowanie w tej samej lokalizacji na niebie owej pustki jak i samej plamy było wyłącznie dziełem przypadku.

Naukowcy planują teraz rozszerzyć te badania na obszar innej dużej kosmicznej pustki, zlokalizowanej w gwiazdozbiorze Smoka.

Cały artykuł: I. Szapudi et al., Detection of a supervoid aligned with the cold spot of the cosmic microwave background

Liczba odsłon: 2460