Úplně nesmyslné rozpínání vesmíru: kde je v teorii chyba?

Za nejjednoduššími otázkami se často skrývají nejsložitější odpovědi, co víc, někdy na ně ani neumíme odpovědět. Samotná otázka našeho původu, ať už lidstva, Země, nebo naší Galaxie je na odpověď vcelku složitá.

Popravdě abychom odpověděli na to, kde se vzala naše Galaxie a jak vůbec mohla vzniknout, musíme se zamyslet nad samotným vznikem vesmíru. Dneska už víme, že vesmír vzniknul Velkým třeskem, všechna pozorování tomu nasvědčují. Zároveň víme, že pokud vzniknul v malém bodě, musel se mezi tím nějak rozpínat. Kde je onen paradox? Galaxie se ve vesmíru začaly objevovat poměrně pozdě, jak se v dynamickém, rychle se rozpínajícím vesmíru mohlo začít objevovat něco, co je gravitačně vázáno. Jak to, že galaxie drží pospolu navzdory enormnímu rozpínání celého vesmíru? Proč ještě nebyly roztrhány?

Ilustrace rozpínání vesmíru v čase, která zjevně ukazuje, že vesmír se prvně rozepnul a až potom začaly vznikat galaxie. Zdroj Wikimedia commons.

Ve vesmíru jsou na velkých škálách důležité dvě síly - gravitace a rozpínání vesmíru. Zatímco koncept gravitace je nám docela dobře znám, rozpínání vesmíru je o něco tajuplnější. Obě síly jsou schovány v obecné teorii relativity, a o té, která vesmír rozpíná navíc víme, že kde je víc energie, tam je rychlejší expanze. Vzpomínáte si na proslulou rovnici E=mc^2? Energie a hmota jsou v podstatě jedno a to samé. Jak se tedy může stát to, že tam kde je víc hmoty je rychlejší expanze? Zdánlivě to vypadá, že jsme narazili na problém a galaxie by se ve vesmíru nemohly formovat. Ale pokud by nevznikly místa s vyšší hustotou, jako právě ony galaxie a kupy galaxií, vesmír by se dál nemohl rozpínat. Dostali jsme se do začarovaného kruhu.

Malé odchylky, velké rozdílky

Naštěstí ve vesmíru existujou malé odchylky. Stejně jako stačilo malé převážení hmoty nad antihmotou, stačí i malé odchylky od průměrné hustoty vesmíru k tomu, abychom vyhráli nad rozpínáním a zformovali galaxie. Čím větší ‘malá’ odchylka, tím rychleji roste a vyhrává nad rozpínací silou. Co víc, taková odchylka se vůbec nestará, jestli ji naruší gravitační vlna nebo hromada fotonů. Takové energetické vlivy ji nechávají klidnou. Nicméně malé zárodky zhustků nebudou vznikat věčně - tempo jejich vzniku musí klesnout, protože musí souhlasit s tím, jak vypadá dnešní vesmír. Rozpínání vesmíru v určitém smyslu přeci jen vyhraje a zbrzdí vznik hustotních odchylek. Tento efekt vešel ve známost jako Hubbleovo tření. Zatímco naše hustotní odchylky se nestaraly o fotony ani gravitační vlny, rozpínání na nich závisí. Jinak řečeno, zatímco hustotní odchylka neporoste díky tomu, že v jejím okolí jsou fotony, neutrina a podobný vesmírný zvěřinec, rozpínání se díky přítomnosti těchto elementů, které přispívají k celkové energii v určité oblasti, urychlovat bude. Následkem je zpomalení růstu našich zhustků.

Mapa reliktního záření, které nám umožňuje zkoumat mladý vesmír. Je jasně patrné, že vesmír není hladký, naopak se tu nachází místa s vyšší hustotou. Zdroj NASA/WMAP.

Jak to všechno souvisí s tím, co vidíme okolo sebe? Vysvětluje to, že v gravitačně vázaných systémech, jakými jsou třeba kupy galaxií, nemůže být většina hmoty a energie schována ve fotonech nebo gravitačních vlnách. Kdyby tomu tak bylo, spolu s vesmírem by se nám rozpínaly i samotné kupy galaxií a to je něco, co nepozorujeme. Zároveň ani nevidíme, že by výrazně rostly, přesně proto, že rozpínající vesmír růst výrazně zpomalil. Nebýt této křehké rovnováhy, gravitace by prohrála boj s rozpínáním vesmíru.

Kupa galaxií v Hydře. Kupy galaxií patří mezi největší gravitačně vázané systémy ve vesmíru. Zdroj Angus Lau.

Takže stejně jako v případě malého převážení hmoty nad antihmotou, vděčíme za existenci naší domovské galaxie a samozřejmě i těch okolních, malé náhodě. Pokud na náhody nevěříte, možná je čas to přehodnotit.

Jana Poledniková