O tym, jak galaktyki z Webba podważają kosmiczną ekspansję
7/21/20259 min czytać
Hipoteza: Czy przesunięcie ku czerwieni (redshift) to naprawdę dowód na rozszerzanie się Wszechświata? A może to zupełnie naturalne zjawisko, które nie musi mieć z tym nic wspólnego?
Czy Hubble patrzył dobrze, ale rozumiał źle?
A może to Zwicky miał rację i światło po prostu słabnie?
Pierwsze dekady XX wieku przyniosły nam sporo odkryć: od promieniowania tła, przez nową definicję grawitacji w ogólnej teorii względności, aż po dowody, że nasza Droga Mleczna to nie jedyna galaktyka we Wszechświecie. Kluczową postacią w tym przełomie był Edwin Hubble.
Wraz z tym odkryciem pojawiło się wiele śmiałych teorii, z których jedną zaproponował belgijski ksiądz i naukowiec Georges Lemaître. W 1927 roku, na podstawie równań ogólnej teorii względności Einsteina, Lemaître zapostulował, że Wszechświat nie jest statyczny i najprawdopodobniej się rozszerza. Ze swoją hipotezą udał się do samego Einsteina, który początkowo ją odrzucił, twierdząc, że Wszechświat jest i musi być statyczny. Einstein miał wtedy odpowiedzieć, że jeśli równania na to wskazują, to tym gorzej dla równań. (W rzeczywistości miał powiedzieć, że to, co wyszło Lemaîtrowi, to nieporozumienie, ale później, po odkryciach Hubble’a, przyznał mu rację i nazwał to swoją "największą pomyłką" — chodziło o dodanie do równań tzw. stałej kosmologicznej, aby podtrzymać statyczność Wszechświata).
Niezależnie od Lemaîtrego, również Edwin Hubble — po odkryciu, że we Wszechświecie istnieją inne galaktyki niż Droga Mleczna — zaczął je szczegółowo badać. W tym celu korzystał z największego wówczas dostępnego teleskopu — 100-calowego Hookera w obserwatorium Mount Wilson.
Podczas swoich obserwacji Hubble zauważył, że światło większości badanych galaktyk wykazuje tzw. przesunięcie ku czerwieni (redshift), co zgodnie z efektem Dopplera sugerowało, że galaktyki te oddalają się od nas — a co za tym idzie, od siebie nawzajem.
Aby potwierdzić swoje przypuszczenia, Hubble wykorzystał metodę pomiaru odległości do galaktyk za pomocą gwiazd zmiennych typu cefeida, których jasność absolutna jest znana. Porównując ich jasność obserwowaną z jasnością rzeczywistą, mógł wyznaczyć odległości. Zestawiając te odległości z wielkością przesunięcia ku czerwieni, uzyskał zależność — im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej się oddala. Tak sformułował prawo Hubble’a.
Mimo że obserwacje zgadzały się z wcześniejszymi przypuszczeniami, Hubble długo wahał się z publikacją tych rewelacji — sam nie był pewien, czy problemem są ograniczenia techniczne, czy niezwykłość samego zjawiska. Dziś wiemy, że miał rację. Wszechświat się rozszerza — a wszystko wskazuje na to, że tempo tego rozszerzania rośnie.
A jednak — czy na pewno wszystko, co wiemy o przesunięciu ku czerwieni, wynika wyłącznie z rozszerzania się przestrzeni? Czy możliwe jest, że Hubble się nie mylił co do zjawiska, ale jego interpretacja była niepełna?
Już w latach 30. Fritz Zwicky zaproponował alternatywną koncepcję: teorię zmęczonego światła ("tired light"), zgodnie z którą światło traci energię podczas swojej podróży przez przestrzeń, nie z powodu ruchu galaktyk, lecz przez interakcje z materią lub strukturą samej przestrzeni. Efekt: światło dociera do nas z przesunięciem ku czerwieni, ale bez konieczności istnienia ekspansji.
W tamtych czasach hipoteza Zwicky’ego została odrzucona, głównie dlatego, że nie tłumaczyła rozciągnięcia czasowego obserwowanego w odległych supernowych oraz nie przewidywała odpowiedniego widma promieniowania tła. Jednak obecnie, dzięki nowoczesnym teleskopom takim jak James Webb Space Telescope (JWST), wracają pytania o to, czy redshift może być skutkiem czegoś innego niż ekspansja.
JWST został wyniesiony na orbitę w grudniu 2021 roku, a jego pierwsze obserwacje opublikowano w połowie 2022 roku. W odróżnieniu od Hubble’a, który obserwował głównie w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni, Webb został zaprojektowany do pracy w średniej i dalekiej podczerwieni (do 28 mikrometrów). Dzięki temu mógł zaobserwować najstarsze i najodleglejsze galaktyki, których światło zostało tak przesunięte, że znajduje się już daleko poza zakresem widzialnym.
I tu pojawił się problem dla modelu ekspansji: Najdalszy jak dotąd odkryty obiekt, galaktyka MoM‑z14, pochodzi sprzed około 280 milionów lat po Wielkim Wybuchu — a mimo to posiada rozwiniętą strukturę i znaczną masę. To budzi poważne wątpliwości względem klasycznego modelu formacji galaktyk, według którego takie obiekty nie powinny istnieć na tak wczesnym etapie kosmicznej historii. To ekscytujące materiały — bo z jednej strony mamy obiekty faktycznie ekstremalnie odległe, a z drugiej ich emisyjne i strukturalne cechy wspierają hipotezę o zaniku widma, a nie klasyczne rozciąganie czasoprzestrzeni. niektóre z tych galaktyk — które miały być młode i dopiero się formować — okazały się złożonymi, ukształtowanymi strukturami, większymi niż oczekiwano. To wywołało poważny kryzys wśród kosmologów: jak to możliwe, że tak młody Wszechświat zawiera tak dojrzałe galaktyki? Czy czasoprzestrzeń rzeczywiście rozszerzała się tak, jak sądzimy?
W świetle tych obserwacji pojawia się alternatywna hipoteza: może przesunięcie ku czerwieni nie wynika z ruchu czy ekspansji, ale z tłumienia fal o wysokiej częstotliwości w miarę oddalania się źródła. Tak jak niebieskie światło płomienia świecy zanika szybciej niż czerwone w atmosferze, tak światło UV lub widzialne z odległych galaktyk zanika szybciej niż podczerwień czy mikrofale. To, co interpretujemy jako przesunięcie widma, może być w rzeczywistości efektem selektywnej utraty energii przez fale świetlne.
W tym ujęciu promieniowanie tła nie musi być pozostałością Wielkiego Wybuchu, ale może być po prostu sumą najdłuższych fal, które przetrwały miliardy lat podróży przez kosmos — echo światła, które jest już zbyt słabe, by zostać zarejestrowane w klasycznym widmie i widoczne jest jedynie jako mikrofale. To wyjaśniałoby również, dlaczego widzimy galaktyki tylko wtedy, gdy ich światło zostało odpowiednio wzmocnione — bez wzmacniania niektóre obiekty są po prostu zbyt słabe, by je zaobserwować.
To wszystko prowadzi do jednej, niewygodnej konkluzji: Dodatkowo warto zauważyć, że w obserwacjach brakuje wyraźnych oznak przesunięcia kątowego (paralaksy) dla oddalających się galaktyk. Gdyby poruszały się one rzeczywiście w ramach rozszerzającej się przestrzeni, powinny wykazywać choćby minimalny ruch boczny w czasie — a to nie jest obserwowane. To stawia pod znakiem zapytania model "balonika" i wspiera interpretację, w której fale świetlne ulegają osłabieniu i zanikowi.
Obserwacje Jamesa Webba i wcześniejsze doświadczenia potwierdzają również, że fale krótsze (jak ultrafiolet) mają znacznie mniejszy zasięg niż fale dłuższe (podczerwień, mikrofale). Dobrym porównaniem jest zwykły eksperyment z płomieniem świecy: niebieskie światło zanika już po kilku metrach, podczas gdy czerwone pozostaje widoczne dalej. W kosmicznej skali może to oznaczać, że z odległych galaktyk po prostu nie dociera do nas widmo UV — nie z powodu rozciągnięcia, ale dlatego, że zanikło. Naocznym dowodem tego zjawiska jest fakt, że w odległych galaktykach, których rotacja wewnętrzna jest większa niż prędkość oddalania się od nas, nie obserwujemy oczekiwanego lokalnego przesunięcia ku niebieskiemu (blueshift) w jednej z ich części — a powinniśmy. Efekt ten widoczny jest natomiast w przypadku pobliskich galaktyk, gdzie różnice widmowe związane z ruchem obrotowym są mierzalne. To sugeruje, że krótsze fale zanikają z odległością, zanim w ogóle dotrą do naszych instrumentów pomiarowych.
Rozciąganie widma i zanik kolejnych pasm to dwa różne zjawiska. Pierwsze zakłada, że fala się deformuje przez ekspansję przestrzeni. Drugie — że światło po prostu przestaje być rejestrowalne w wyższych energiach, pozostawiając jedynie niskie częstotliwości.
Warto też zauważyć, że sam teleskop Jamesa Webba miał potwierdzić standardowy model kosmologiczny — tymczasem jego dane ukazały coś zupełnie innego: dojrzałe, masywne galaktyki tam, gdzie miały być dopiero formujące się struktury. Można to odczytać jako niezamierzony dowód, że przyjęta interpretacja przesunięcia ku czerwieni może być błędna. Co więcej, nie jest przypadkiem, że galaktyki z przesunięciem ku niebieskiemu (blueshift) obserwujemy jako najbliższe, a te z przesunięciem ku czerwieni (redshift) jako dalsze. Z obserwacji wynika również, że im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej się oddala — co klasyczna interpretacja wiąże z przyspieszającą ekspansją Wszechświata. Tymczasem to zjawisko idealnie odpowiada charakterystyce fal: im dłuższa fala, tym większy zasięg. W efekcie spektrum się rozciąga, a krótsze fale stopniowo zanikają, co może być prostym efektem propagacji fal świetlnych w przestrzeni, bez konieczności zakładania rozciągania czasoprzestrzeni. może to nie Wszechświat się rozszerza, ale wraz z odległością stopniowo zanika kolejne spektrum światła. Może czasoprzestrzeń nie musi się rozciągać, by fale światła ulegały zmianie. A może — i to najbardziej fascynujące — teoria zmęczonego światła nie była błędna, tylko zbyt wczesna.
Odkrycie i prawo Hubble’a było bez wątpienia rewolucyjne i nowatorskie jak na swoje czasy. Metody, które wtedy stosował, nawet dziś budzą podziw — choć z dzisiejszej perspektywy wiemy, że nie były tak precyzyjne, jak tego wymagają współczesne standardy.
Presja środowiska naukowego, które coraz mocniej skłaniało się ku idei rozszerzającego się Wszechświata, ostatecznie zmusiła Hubble’a do publikacji swoich wyników. Wraz z nimi pojawiła się jednak potrzeba „załatania” nowego modelu — i tak do gry wkroczyła kolejna koncepcja: ciemna energia. To właśnie ciemna energia ma odpowiadać za obserwowane przyspieszanie ekspansji Wszechświata. Zgodnie z obecną kosmologią stanowi aż 68% całkowitej zawartości energii Wszechświata — mimo że nigdy nie została bezpośrednio zaobserwowana. Jest to koncepcja czysto hipotetyczna, wyprowadzona jedynie z równań, które muszą pasować do zarejestrowanego przesunięcia ku czerwieni. Ale skoro redshift może mieć zupełnie inne przyczyny niż ekspansja, to cała konstrukcja ciemnej energii również może okazać się złudzeniem — matematycznym wytrychem, stworzonym po to, by dopasować dane do założonego modelu. To naprawdę zaskakujące, że coś, co miałoby mieć tak potężny wpływ na całą strukturę Wszechświata, pozostaje niewidzialne. A jednak — „widać” ją tylko we wzorach.
Podsumowanie:
W czasach Hubble’a technologia nie była jeszcze na tyle rozwinięta, by jego obserwacje mogły jednoznacznie dowodzić, że Wszechświat rzeczywiście się rozszerza. Brakowało zbyt wielu danych, a wiedza o naturze światła była bardzo ograniczona. Dziś wiemy znacznie więcej — i właśnie to, co wiemy, każe spojrzeć wstecz z pewnym żalem.
To naprawdę smutne, że tak wspaniałe instrumenty jak teleskop Jamesa Webba działają na zasadach, które jednoznacznie podważają obowiązujące modele, a mimo to ich odkrycia są naginane lub marginalizowane, byle tylko nie naruszyć fundamentów starych teorii — często bardziej hipotez niż naukowych faktów, a mających już ponad sto lat.
To wręcz niewiarygodne, jak autorytet potrafi zmienić naukę w coś na kształt religii, której broni się za wszelką cenę — nawet kosztem prawdy płynącej wprost z obserwacji.
W następnym materiale opiszemy pola magnetyczne ciał niebieskich, w którym jeszcze bardziej obnażymy, jak współczesna nauka łata sypiące się modele — ignorując obserwacje lub tworząc osobliwe byty tylko po to, by wpasować je w stary porządek.
JADES (obraz NIRCam z powiększeniem).
Dane z kamery NIRCam posłużyły do określenia, które galaktyki warto było dalej badać za pomocą obserwacji spektroskopowych. Jedną z takich galaktyk — JADES-GS-z14-0 (pokazaną w powiększeniu) — zidentyfikowano na przesunięciu ku czerwieni z = 14,32 (+0,08 / –0,20), co czyni ją obecnie rekordzistką jako najdalsza znana galaktyka.
Odpowiada to czasowi mniej niż 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Pobierz szczegóły obrazu JADES i materiały.Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA).
Druga i czwarta najdalsza galaktyka, jaką kiedykolwiek zaobserwowano (UNCOVER z‑13 oraz UNCOVER z‑12) zostały potwierdzone dzięki kamerze bliskiej podczerwieni (NIRCam) na pokładzie Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba.
Galaktyki znajdują się w gromadzie Pandory (Abell 2744), przedstawionej tutaj w długościach fal bliskiej podczerwieni, przetworzonych na kolory widzialne.
Skala głównego obrazu gromady została oznaczona w sekundach kątowych, czyli jednostkach miary kąta na niebie.
Okręgi widoczne na czarno-białych obrazach (pokazujących galaktyki w filtrze NIRCam-F277W) wskazują średnicę apertury 0,32 sekundy kątowej. Źródło: Eurekalert.org
GN-z11 – odkryta w 2016 galaktyka, która do momentu odkrycia galaktyki HD1 była uznawana za najbardziej odległy obiekt o potwierdzonej odległości od Ziemi. Źródło: Wikipedia
