Rozdzielczość Wszechświata. Dlaczego nigdy nie wyostrzymy odległych galaktyk?
Czy widzisz kropkę na dole znaku zapytania? Co jeśli odsuniesz się o kilka metrów? Najmniejszy szczegół, który może rozróżnić ludzkie oko jest mniej więcej wielkości takiej kropki widocznej z odległości jednego metra. To właśnie nazywamy „rozdzielczością”. Najlepsza rozdzielczość dla układu optycznego, jak przykładowe oko, to w przybliżeniu stosunek długości obserwowanej fali światła i wielkości otworu, przez który przechodzi to światło.
W astronomii rozdzielczość działa dokładnie tak samo. To wyjaśnia, dlaczego budujemy coraz większe teleskopy – wielkie teleskopy zbierają więcej światła, a więc „widzą dalej” (w dużym uproszczeniu), po prostu oferują większe możliwości. Niestety, nowe badania sugerują, że Wszechświat posiada fundamentalne ograniczenie rozdzielczości, co oznacza, że nie ważne jak duże teleskopy zbudujemy, nie zobaczymy najbardziej odległych galaktyk tak wyraźnie, jak byśmy chcieli.
Obecne problemy z teleskopami
Największe teleskopy zbierające światło widzialne na Ziemi, takie jak SALT czy teleskopy Kecka, posiadają lustra około dziesięciu metrów średnicy, a obecnie planuje się (bądź już realizuje) budowę teleskopów o średnicy około 30 metrów jak E-ELT czy Gigantyczny Teleskop Magellana. Jednak jest pewien problem: jeśli światło z obiektu (czy to świecy, latarni czy gwiazdy) jest zaburzone na jego drodze od źródła do detektora, to nigdy nie będziemy w stanie uzyskać obrazu tak ostrego jakby wskazywała na to teoretyczna rozdzielczość, bez względu na to, jak duży „otwór” stworzymy.
Wiemy, że światło może nas zwodzić i oszukiwać. Kiedykolwiek spojrzysz na dno basenu zobaczysz płytki, które pojawiają się i znikają, marszczą i wyginają. Gdy umieścisz słomkę w szklance z wodą zobaczysz, że pozornie „łamie się” na granicy powietrza i cieczy. Światło zanim dotrze do naszych teleskopów z odległego kosmosu musi przejść przez niespokojną atmosferę, a to powoduje problemy dla astronomów, obraz jest daleki od teoretycznej maksymalnej rozdzielczości. Aby sobie z tym poradzić, można umieścić teleskop powyżej atmosfery – jednak to rozwiązanie jest bardzo kosztowne, można też użyć optyki adaptatywnej – ale to jest technicznie trudne.
Lustro Teleskopu Jamesa Webba
Kwantowa piana
Niedawne badania, przedstawione na Walnym Zgromadzeniu Międzynarodowej Unii Astronomicznej w tym roku, sugerują postrzeganie pozornie pustej przestrzeni jako tzw. piany kwantowej, która może być przyczyną pewnego rodzaju „fundamentalnej granicy rozdzielczości” kosmosu, co oznacza, że możemy być zaniepokojeni, jak dokładnie przyszłe teleskopy będą mogły zarejestrować najbardziej odległe galaktyki. Według mechaniki kwantowej, w najmniejszej skali, znanej jako skala Plancka, czyli wielkościach rzędu 10⁻³⁵ metra, przestrzeń jest określana jako „piana”. Fizyka kwantowa przewiduje, że wszechświat „wrze” za pomocą „cząstek wirtualnych”, które pojawiają się, a następnie bardzo szybko anihilują. Jednak na ułamek sekundy te cząstki mają energię, a tym samym (zgodnie ze słynnym równaniem E = mc²) równoważnik masy.
Wszelka masa, nieważne jak mała, powoduje wygięcie czasoprzestrzeni, zgodnie z opisem grawitacji Einsteina. Najbardziej dramatycznym przykładem tego zjawiska w przyrodzie jest w soczewkowanie grawitacyjne światła z odległych galaktyk przez masywne obiekty znajdujące się bliżej. Fotony – cząstki światła – podróżując przez taką „pieniącą się” czasoprzestrzeń odczuwają wpływ takich wahań w sposób podobny do światła przechodzącego przez naszą grubą i niespokojną atmosferę. Oczywiście, efekt jest znikomy. Jednak foton wyemitowany z odległej galaktyki, podróżujący po wszechświecie musi przebyć długą drogę. Na tej drodze, niezliczone minimalne perturbacje spowodowane przez naturę „spienionej” czasoprzestrzeni kumulują się.
Efekt ten jest na tyle mały, że nie ma najmniejszego wpływu na obrazy, które otrzymujemy z naszych najlepszych obecnie teleskopów. Ale – jeśli teoria jest poprawna – to ta kosmiczna piana może być widoczna w obrazach odległych galaktyk wykonanych przez teleskopy nowej generacji, jak następca Hubble’a – Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Pamiętajmy, że to tylko (albo aż) kolejna teoria jednocząca spojrzenie Einsteina na grawitację z mechaniką kwantową. To jedno z głównych wyzwań współczesnej fizyki – więc powinniśmy patrzeć na tą teorię z dystansem. Nawet jeśli jest prawdą, jej skutki będą naprawdę frustrujące przede wszystkim dla grupy astrofizyków studiujących szczegółową strukturę najbardziej odległych galaktyk.
Fascynujące może być to, że nieważne jak doskonałym sprzętem będziemy dysponować, niektóre z sekretów wszechświata mogą być na zawsze ukryte.
