Jak duży jest wszechświat i czym jest wszechświat obserwowalny?

Pytanie “jak duży jest wszechświat” zmienia znaczenie, gdy rozróżnimy to, co widzimy, od tego, co istnieje poza naszym zasięgiem. Mówimy wtedy o wszechświecie obserwowalnym – sferze, z której zdążyło do nas dotrzeć światło od czasów Wielkiego Wybuchu – oraz o znacznie większej, być może nieskończonej przestrzeni poza nią.

Czym jest wszechświat obserwowalny

Wszechświat obserwowalny to obszar, z którego światło mogło do nas dotrzeć od momentu Wielkiego Wybuchu, czyli od około 13,8 miliarda lat. To ta granica – a nie brzeg całego kosmosu – wyznacza to, co możemy zaobserwować.

Promień tej sfery wynosi około 46 miliardów lat świetlnych, co daje średnicę rzędu 92-93 miliardów lat świetlnych. Wartości nieznacznie różnią się między źródłami – jedne podają około 90, inne 92 czy 93 miliardy lat świetlnych średnicy. Dokładne przeliczenie zależy od przyjętych parametrów kosmologicznych, ale wszystkie mieszczą się w tym samym rzędzie wielkości.

Ta granica ma też swoją nazwę używaną przez fizyków: horyzont cząstek. Wyznacza on zasięg, w obrębie którego odległe obiekty mogły w ogóle wymienić z nami sygnał świetlny, czyli pozostawać w kontakcie przyczynowo-skutkowym. Światło porusza się z prędkością około 300 000 kilometrów na sekundę – ogromną, ale skończoną, dlatego nawet ono potrzebuje miliardów lat, by pokonać kosmiczne odległości, a zasięg tego, co możemy zobaczyć, ma swoją granicę.

Dlaczego promień to nie to samo, co wiek wszechświata

Wszechświat ma 13,8 miliarda lat. Można by więc pomyśleć, że promień sfery obserwowalnej wynosi tyle samo lat świetlnych. Tak jednak nie jest – a różnica bierze się stąd, że przestrzeń między nami a odległymi obiektami przez cały czas się rozszerza.

Gdy foton wyrusza w naszą stronę z odległej galaktyki, ta galaktyka nie stoi w miejscu. W czasie, gdy światło leciało do nas przez miliardy lat, jej źródło cały czas się oddalało. Dlatego foton, który podróżował 13,8 miliarda lat, dotarł do nas z obiektu, który dziś znajduje się już około 46 miliardów lat świetlnych od Ziemi.

Jak naukowcy mierzą tempo rozszerzania się kosmosu

Tempo ekspansji opisuje stała Hubble’a. Zgodnie z aktualnymi pomiarami odległe gromady galaktyk oddalają się od nas i od siebie nawzajem z prędkością rzędu kilkudziesięciu kilometrów na sekundę na każdy megaparsek odległości – obecnie szacuje się to na około 74 km/s na megaparsek.

Drugim ważnym źródłem informacji jest mikrofalowe promieniowanie tła – najstarsze światło, jakie w ogóle możemy zaobserwować. Pochodzi ono sprzed około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat ochłodził się na tyle, że stał się przezroczysty dla promieniowania. To właśnie ta “ściana” wyznacza praktyczną granicę tego, co da się dziś zmierzyć.

Mimo postępu w obserwacjach, oszacowanie tak ogromnych wartości wciąż budzi dyskusję w środowisku naukowym. Kolejne pomiary bywają korygowane wraz z rozwojem instrumentów i metod.

Ile galaktyk mieści się w obserwowalnym wszechświecie

Według dotychczasowych odkryć astronomów, w widzialnym z Ziemi Wszechświecie znajduje się około 100-200 miliardów galaktyk. To liczba szacunkowa. Dokładne policzenie wszystkich galaktyk w tak ogromnej objętości przestrzeni pozostaje niemożliwe, a szacunki opierają się na próbkach z głębokich przeglądów nieba.

Wśród najlepiej poznanych, odległych obiektów jest galaktyka UDFy-38135539, zaobserwowana po raz pierwszy w 2009 roku przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Znajduje się ona w gwiazdozbiorze Pieca, około 13,1 miliarda lat świetlnych od Ziemi, i należy do najstarszych, najdalszych obiektów, jakie udało się dotąd zarejestrować.

Jeszcze trudniejsza do wyobrażenia jest liczba atomów w całym obserwowalnym Wszechświecie. Fizycy szacują jej rząd wielkości na około 10 do potęgi 78, czyli liczbę z siedemdziesięcioma ośmioma zerami. To tylko orientacyjne oszacowanie oparte na zależnościach między wielkościami fizycznymi zauważonych przez fizyka Paula Diraca, a nie dokładny wynik zliczania, ale dobrze pokazuje skalę, przy której nawet setki miliardów galaktyk to wciąż niewielki fragment obrazu.

Czy cały wszechświat jest większy niż to, co widzimy

Wszechświat obserwowalny to tylko fragment. Realny rozmiar całego kosmosu pozostaje niepewny. Według jednego z szacunków cały Wszechświat może mieć średnicę rzędu 23 bilionów lat świetlnych – setki razy więcej niż sama sfera obserwowalna. Część kosmologów idzie dalej i dopuszcza, że Wszechświat jest po prostu nieskończony.

Odpowiedzi na to pytanie nie znamy z pewnością – obecnie nie wiadomo, czy Wszechświat jest przestrzennie skończony, czy nie. Jedno można powiedzieć na pewno: to, co widzimy, to zaledwie ułamek tego, co istnieje. Możemy zaobserwować wyłącznie światło, które od najdalszych i najstarszych obiektów kosmicznych zdążyło do nas dotrzeć od momentu Wielkiego Wybuchu. Wszystko, co leży dalej, pozostaje – przynajmniej na razie – poza naszym zasięgiem.

Skończoność przestrzeni nie musi zresztą oznaczać, że natknęlibyśmy się w niej na jakąś fizyczną granicę. Dr hab. Leszek Sokołowski z Uniwersytetu Jagiellońskiego, tłumacząc tę ideę, posłużył się przykładem powierzchni Ziemi: choć jest ona skończona, można się po niej poruszać swobodnie, nie napotykając żadnej krawędzi. Podobnie mógłby działać cały Wszechświat – być skończony, a jednocześnie nie mieć żadnego brzegu.

Źródła:

• Zapytaj Fizyka (Wydział Fizyki UW) – Jaki duży i stary jest Wszechświat?
• Kwantowo.pl – Dlaczego wszechświat ma 92 mld lat świetlnych średnicy?
• Urania – Postępy Astronomii – Jak dużą część kosmosu widzimy?
• TVP3 Łódź – Tajemnice astronomii. Jak duży jest Wszechświat?
• pulsar – Wielkość kosmosu nie mieści się w głowie
• Wikipedia – Widzialny Wszechświat