Czy istnieje wzór we wszechświecie?

Od dziesięcioleci kosmolodzy zastanawiali się, czy wielkoskalowa struktura wszechświata jest fraktalem – to znaczy, czy wygląda tak samo niezależnie od skali. Po przeprowadzeniu masowych przeglądów galaktyk naukowcy w końcu mają odpowiedź: nie, ale w pewnym sensie.

Na początku XX wieku astronomowie – poczynając od Edwina Hubble’a i odkrytej przez niego galaktyki Andromedy, najbliższej galaktyki naszej Drogi Mlecznej – zaczęli zdawać sobie sprawę, że wszechświat jest niewyobrażalnie ogromny. Dowiedzieli się również, że możemy zobaczyć rozproszone galaktyki, zarówno bliskie, jak i dalekie. I tak, naturalnie, pojawiło się pytanie: czy istnieje jakiś wzór w układzie tych galaktyk, czy też jest to całkowicie przypadkowe?

Astronomowie widzieli gigantyczne gromady galaktyk, z których każda zawierała tysiąc lub więcej galaktyk. Były też znacznie mniejsze grupy galaktyk i “galaktyki samotne”. Podsumowując, obserwacje sprawiły, że wyglądało to tak, jakby nie było żadnego nadrzędnego wzoru w kosmosie.

Astronomom to nie przeszkadzało – przyjęto ideę zwaną zasadą kosmologiczną [ang. cosmological principle] – to znaczy, że wszechświat jest w większości jednorodny (mniej więcej taki sam w każdym miejscu) i izotropowy (mniej więcej taki sam, niezależnie od kierunku, w którym patrzysz). Kilka przypadkowych galaktyk i gromad pasuje do tej zasady.

Jednak pod koniec lat siedemdziesiątych badania galaktyk stały się na tyle wyrafinowane, że ujawniły początki wzoru w układzie galaktyk. Oprócz gromad były też długie, cienkie włókna galaktyk [ang. galaxy filament] – astronomowie nazwali to kosmiczną siecią. Taki wzorzec naruszał kosmologiczną zasadę, ponieważ oznaczało to, że duże regiony Wszechświata nie wyglądałyby jak inne duże regiony Wszechświata.

Wszechświat we wszechświecie

Jedna propozycja wyszła od matematyka Benoita Mandelbrota, ojca fraktali. Fraktale są frustrująco trudne do zdefiniowania, ale z drugiej strony są dość “intuicyjne”: są to wzory, które powtarzają się bez względu na to, jak bardzo przybliżasz lub oddalasz. Mandelbrot nie wymyślił pojęcia fraktali – matematycy od wieków badali samopodobieństwo (self-similarity) wzorów – ale ukuł słowo „fraktal” i zapoczątkował nasze współczesne badanie i rozumienie tego pojęcia.

Fraktale są wszędzie. Jeśli powiększysz punkt płatka śniegu, zobaczysz miniaturowe płatki śniegu. Jeśli powiększysz gałęzie drzewa, zobaczysz miniaturowe gałęzie. Jeśli powiększysz linię brzegową, zobaczysz miniaturowe linie brzegowe. Fraktale otaczają nas w przyrodzie, a matematyka fraktali umożliwiła nam zrozumienie ogromnej różnorodności samopodobieństw struktur we wszechświecie.

Jeśli fraktale są wszędzie, domyślił się Mandelbrot, to być może cały wszechświat jest fraktalem. Może to, co widzieliśmy jako wzór w układzie galaktyk, było początkiem etapu największego możliwego fraktala. Może gdybyśmy zbudowali wystarczająco wyrafinowane badanie, znaleźlibyśmy struktury zagnieżdżone [ang. nested structure] – kosmiczne sieci wewnątrz kosmicznych sieci, wypełniające cały wszechświat w nieskończoność.

Homogenizowany i pasteryzowany

Gdy astronomowie dowiedzieli się więcej o kosmicznej sieci, dowiedzieli się więcej o historii Wielkiego Wybuchu i wymyślili sposoby wyjaśnienia istnienia wielkoskalowych wzorców we Wszechświecie. Teorie te przewidywały, że wszechświat jest nadal jednorodny, tylko w znacznie, znacznie większej skali, niż astronomowie obserwowali wcześniej.

Ostateczny test fraktalnego wszechświata miał nastąpić dopiero w tym stuleciu, kiedy prawdziwie gigantyczne badania, takie jak Sloan Digital Sky Survey, były w stanie zmapować lokalizacje milionów galaktyk, malując portret kosmicznej sieci na skalę, której nigdy nie obserwowano wcześniej.

Jeśli idea fraktalnego wszechświata jest prawdziwa, powinniśmy zobaczyć naszą lokalną kosmiczną sieć osadzoną w znacznie większej kosmicznej sieci. Jeśli jest nieprawdziwa, to w pewnym momencie kosmiczna sieć powinna przestać być kosmiczną siecią, a losowy, wystarczająco duży fragment wszechświata powinien wyglądać (statystycznie) jak każdy inny losowy fragment.

Rezultatem jest jednorodność, ale w oszałamiającej skali. Musisz przebyć około 300 milionów lat świetlnych, zanim wszechświat stanie się jednorodny.

Wszechświat z pewnością nie jest fraktalem, ale części kosmicznej sieci nadal mają interesujące właściwości podobne do fraktali. Na przykład skupiska ciemnej materii zwane „aureolami”, w których znajdują się galaktyki i ich gromady, tworzą zagnieżdżone struktury i podstruktury, z aureolami utrzymującymi wewnątrz halo i subhalo.

I odwrotnie, pustki w naszym wszechświecie nie są całkowicie puste. Zawierają kilka słabych galaktyk karłowatych, a te kilka galaktyk jest ułożonych w subtelną, “słabą” wersję kosmicznej sieci. W symulacjach komputerowych sub-puste przestrzenie w tej strukturze również zawierają własne “tryskające życiem” kosmiczne sieci.

Tak więc, chociaż wszechświat jako całość nie jest fraktalem – a pomysł Mandelbrota się nie sprawdził – nadal możemy znaleźć fraktale prawie wszędzie, gdzie spojrzymy.

Źródło: Paul Sutter / livescience.com

Zdjęcie: K. Dolag, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universität München, Germany

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x