Życie w Kosmosie[3]. Wszechświat uszyty na miarę

Park kosmologiczny Crawick Multiverse. Licencja Creative Commons (autor zdjęcia: James Johnstone)

Dotychczas rozważaliśmy możliwość istnienia życia i inteligencji we Wszechświecie. Istnienie i trwanie samego Wszechświata uważaliśmy za pewnik, niewzruszalny jak matematyczny aksjomat. Wszechświat istnieje od 13,8 mld lat i będzie istniał co najmniej drugie tyle, jak nie dłużej. Nie znamy jego struktury i dynamiki, nie wiemy, czy się rozwija czy zwija, nie wiemy też jak powstawał i dojrzewał. Nie przeszkadza nam to jednak w spekulacjach „co by było, gdyby”. W artykule postaram się przedstawić, posługując się metodą eksperymentu myślowego, teorie, według których nasz Wszechświat także jest czymś unikalnym. Oraz, czy życie oraz wyrosła na nim inteligencja są unikalne. Posługując się słynnym cytatem z Juliusza Verne’a: mobilis in mobili, czyli „ruchome w ruchomym” zastanowimy się, czy rzeczywiście mamy do czynienia z piętrowym złożeniem nieprawdopodobnych przypadków? 

W fizyce istnieje wiele stałych. Termin podstawowa stała fizyczna powinien ograniczać się do stałych bezwymiarowych. Jednak niektóre, jak prędkość światła w próżni (c), przenikalność elektryczna próżni (ε0), stałe Plancka (h) czy stała grawitacyjną (G) są liczbami mianowanymi. Liczba stałych fizycznych jest dość duża. Wystarczy powiedzieć, że Model Standardowy wymaga 25 stałych, z czego połowa to masy cząstek, których „bezwymiarowość” uzyskujemy odnosząc masy cząstek do masy Plancka. Wartości stałych fizycznych nie da się wyprowadzić za pomocą wzorów z innych wielkości, ich wartości są wyznaczane tylko z pomiarów. Właśnie ze względu na wielość stałych w Modelu Standardowym teorię tę uważa się za mało elegancką, niedopracowaną i usilnie poszukuje się teorii „piękniejszej” i „zgrabniejszej”, bardziej kompaktowej. Co nie znaczy, że ta teoria nie jest dokładna. Jest bardzo dokładna.

Jedną z najbardziej tajemniczych, a przez to bardziej medialnych stałych jest stała struktury subtelnej oznaczana grecką literą α. Pisał o niej Lucas Bergowsky w wartym przeczytania tekście 1/137. Wartość stałej struktury subtelnej jest fizyczną „wisienką na torcie” naszych rozważań o Wszechświecie uszytym na miarę. Tako rzecze Lucas: Gdyby wartość stałej struktury subtelnej była inna – na przykład byłaby większa – to chemia nie byłaby możliwa, gdyż elektrony byłyby zbyt mocno związane z jądrem. Nigdy nie powstałby żaden związek chemiczny. Gdyby była mniejsza, to jądra nie byłyby stabilne, a więc reakcje może i by zachodziły, ale żaden pierwiastek nie miałby szans na długie istnienie. Można więc powiedzieć, że ta stała ma idealnie taką wartość jaka jest nam potrzebna.

Eksperymenty myślowe polegające na wyobrażaniu (i obliczaniu) Wszechświata, w którym stałe przyjmują inne wartości niż te, które znamy, prowadzą do zaskakujących wniosków. Niektóre kombinacje stałych wykluczają wprost narodziny Wszechświata, jaki znamy. Inne prowadzą do wniosku, że Wszechświat nie wyjdzie z okresu niemowlęctwa albo, wręcz przeciwnie, zestarzeje się w okamgnieniu. Niektóre modele nie zawierają gwiazd i galaktyk albo ciężkich pierwiastków. Wszystko przez to, że stałe tych modeli różnią się nieznacznie od tych, które znamy.

Już na początku XX wieku zastanawiano się na temat Wszechświata dostrojonego. W 1913 roku chemik Lawrence Joseph Henderson napisał Sprawność środowiska, o znaczeniu wody i środowiska dla organizmów żywych, jako czynników warunkujących powstanie życia. Fred Hoyle, o którego paradoksie pisałem w poprzednim odcinku, również opowiadał się za precyzyjnie dostrojonym wszechświatem (The Intelligent Universe, 1983). Lista właściwości antropicznych, pozornych wypadków o charakterze niebiologicznym, bez których nie mogłoby istnieć życie oparte na węglu, a co za tym idzie i życie ludzkie, jest obszerna i imponująca

Teoria dostrojonego wszechświata zakłada, że efekt motyla w odniesieniu do podstawowych stałych fizycznych może sprawić, że powstające wszechświaty mogą być diametralnie różne przy nawet minimalnych rozbieżnościach stałych fizycznych w stosunku do aktualnie obowiązujących. Stephen Hawking ujął to tak: Prawa nauki, jakie znamy obecnie, zawierają wiele podstawowych liczb, takich jak wielkość ładunku elektrycznego elektronu i stosunek mas protonu do elektronu. … Godnym uwagi faktem jest to, że wartości tych liczb wydają się być bardzo precyzyjnie dostosowane, aby umożliwić rozwój życia.. Nie tylko życia, także inteligencji biologicznej.

Gdyby na przykład silne oddziaływanie jądrowe było o 2% większe niż jest, to zaburzona zostałaby fizyka gwiazd, i to w pierwszych minutach po Wielkim Wybuchu. Dotyczy to dość dziwnej cząstki, diprotonu, czyli izotopu helu, odgrywającego kluczową rolę w procesie syntezy jądrowej zachodzącej wewnątrz gwiazd. 

Walter Bradley opisuje to tak („Designed or Designoid” https://www.discovery.org/a/18157/):

Zmniejszenie stałej oddziaływania silnego o 2% blokowałoby syntezę jąder o większej liczbie protonów, uniemożliwiając powstawanie pierwiastków cięższych od wodoru. Z drugiej strony, gdyby oddziaływanie silne i związana z nią stała były większe o zaledwie 2 procent, wówczas cały wodór zostałby od początku przekształcony w hel i cięższe pierwiastki, pozbawiając Wszechświat wody i paliwa gwiazdowego.

Takich wzajemnych zależności stałych fizycznych, determinujących istotne cechy Wszechświata jest więcej. Martin Rees, fizyk i kosmolog, Królewski Astronom i prezes Royal Society sformułował precyzyjne dostrojenie wszechświata w kategoriach sześciu bezwymiarowych stałych fizycznych, m.in.:

  • stosunek siły elektromagnetycznej do siły grawitacji pomiędzy parą protonów, wynosi 1036. Według Reesa, gdyby był on znacznie mniejszy, mógłby istnieć tylko mały i krótkotrwały wszechświat. Gdyby był wystarczająco duży, protony odpychałyby się tak mocno, że większe atomy nigdy by nie powstały.
  • parametr gęstości Omega (Ω), to stosunek zależnej od stałej grawitacji gęstości masy Wszechświata do „gęstości krytycznej” i wynosi w przybliżeniu 1. Gdyby siła grawitacji była zbyt duża w porównaniu z ciemną energią i początkowym tempem ekspansji kosmicznej, Wszechświat zapadłby się, zanim mogło wyewoluować życie. Gdyby grawitacja była zbyt słaba, nie powstałyby żadne gwiazdy. 
  • wydajności energetyczna jądrowej syntezy wodoru w hel (ε), wynosząca 0,007, co znaczy, że 0,7% masy nukleonów zamienia się w energię. Gdyby wynosiło 0,006, proton nie mógłby związać się z neutronem i mógłby istnieć tylko wodór i nie powstałyby pierwiastki cięższe. Gdyby ε był większy niż 0,008, nie istniałby wodór, ponieważ zostałby „spalony” wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Jak widać, są to przykłady rodzaju „być albo nie być” dla całego Wszechświata.

Przeciwnicy teorii dostrojonego Wszechświata uważają, że dostrojenie może być iluzją wynikającą z niewiedzy. Postęp w fizyce teoretycznej i kosmologii może sprawić, że pozorne dostrojenie parametrów fizycznych w naszym obecnym rozumieniu znajdzie inne, bardziej fundamentalne wytłumaczenie. Lawrence Krauss uważa, że pewne wielkości wydawały się niewytłumaczalne i precyzyjnie dostrojone, a kiedy je zrozumiemy, nie wydają się już tak precyzyjne. Musimy mieć pewną perspektywę historyczną„. Niektórzy fizycy wręcz twierdzą, że możliwe jest, iż ostateczna fundamentalna teoria wszystkiego wyjaśni podstawowe przyczyny pozornego dostrojenia każdego parametru. 

Mniej ostateczne, acz nadal w kosmicznej skali, proporcje stałych fizycznych mogą wpływać na ewolucję gwiazd. Możliwość istnienia różnych rodzajów gwiazd, różnych ścieżek ich ewolucji zależy od związku pomiędzy dwiema uniwersalnymi stałymi. Są to: stała grawitacji i stała struktury subtelnej. Wartości tych stałych są znakomicie zbalansowane w jedyny sposób, który pozwala na istnienie gwiazd przeciętnych, takich jak Słońce. Gdyby grawitacja była nieco silniejsza, a elektromagnetyzm nieco słabszy, wszystkie gwiazdy byłyby czerwonymi karłami. Gdyby było odwrotnie, wszystkie gwiazdy byłyby niebieskimi olbrzymami. Każda z tych skrajności uniemożliwiałaby powstanie życia. Czerwone karły wytwarzają stosunkowo mało światła, niewystarczającego np. do wspomagania fotosyntezy. Niebieskie olbrzymy emitują zbyt dużo promieniowania i żyją za krótko, pozostawiając zbyt mało czasu na rozwój życia. Ścieżki ewolucji gwiazd zależne od początkowego rozmiaru obłoku protoplanetarnego przedstawia Ryc. 1. Jak widać Słońce jest względnie małą, przeciętną gwiazdą umiejscowioną mniej więcej w środku listy typoszeregów.

Ryc. 1. Ścieżki ewolucji gwiazd. Wikimedia Commons

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki entropia (fizyczna miara nieuporządkowania) Wszechświata stale rośnie. Co to oznacza? Prawo wzrostu entropii mówi, że ​​energia każdego izolowanego układu spontanicznego, czyli także Wszechświata, ulega rozproszeniu, a jego stan zbliża się do stanu równowagi cieplnej. Wszechświat dąży do równowagi i kiedyś ostatecznie go osiągnie. Nie będzie wtedy możliwy żaden transfer energii, energia będzie rozprowadzona równomiernie, a wszechświat zamrze (i zemrze) w absolutnym bezruchu. Nazywamy to śmiercią cieplną wszechświata.

Przeprowadźmy eksperyment myślowy i zacznijmy cofać się w czasie. Entropia będzie stopniowo malała, a możliwości przepływu energii będą rosły. W miarę zbliżania się do momentu Wielkiego Wybuchu entropia będzie dążyła do minimum. Spróbujmy teraz odpowiedzieć na pytanie: jakie jest prawdopodobieństwo zaistnienia takiego stanu? Zgodnie z zasadami zachowania wszechświat o niskiej entropii zawiera taką samą ilość materii/energii co wszechświat o wysokiej entropii, a różnica polega tylko na jej rozmieszczeniu. Roger Penrose, fizyk i matematyk obliczył nawet, że spośród 1010^123 możliwych stanów początkowych Wszechświata tylko jeden miałby tak niską entropię jak nasz Wszechświat w chwili narodzin. Pierwszą narzucającą się hipotezą jest teologiczny Akt Stworzenia. Jest to wygodna myślowa proteza, nie wymaga dowodu, ani nawet uzasadnienia. Czy skrajne nieprawdopodobieństwo dowodzi, że zadziałał nadprzyrodzony plan? Zdaniem Penrose’a podczas Wielkiego Wybuchu musiało istnieć bardzo szczególne ograniczenie fizyczne, które zmusiło go do niskiej entropii. Nie jest to wytłumaczenie bardzo różniące się od Deus ex machina, ale cóż, nie bez powodu Wielki Wybuch jest nazywany Wielką Osobliwością. Richard Dawkins, biolog ewolucyjny i znakomity popularyzator, uparty ateista, wymyślił (Wspinaczka na szczyt nieprawdopodobieństwa) nawet określenie: designoid, oznaczające coś co pojawiło się przez przypadek, ale wydaje się, że zostało zaprojektowane. Dawkins miał oczywiście na myśli pozorne, zaprzeczające zdrowemu rozsądkowi trudno wytłumaczalne nieprawdobieństwo będące efektem ewolucji. 

Wyjątkowość naszego Wszechświata jako bytu niezmiernie mało prawdopodobnego uruchomiło różne ścieżki myślenia. Bo przecież nie można pogodzić się z czymś, co nie jest wytłumaczalne. Tak działa nauka, tak działa religia, tak wychowujemy dzieci. Powiedzenie „tak bo tak, i już!” nie wystarczy. 

Koncepcja wieloświata powstała już u Starożytnych. Ewoluowała z biegiem czasu i była przedmiotem dyskusji w różnych dziedzinach, w tym w kosmologii, fizyce i filozofii. Uważa się, że prekursorem koncepcji wieloświata jest Anaksymader.

W 1952 roku Erwin Schrödinger wygłosił wykład, w którym żartobliwie ostrzegł słuchaczy, że to, co za chwilę powie, może „wydawać się szaleństwem”. Powiedział, że kiedy jego równania zdawały się opisywać kilka różnych historii, nie były to alternatywy, ale wszystkie naprawdę zdarzały się jednocześnie. Obecnie nazywamy to superpozycją i nie jest to fantazjowanie filozofów, a pełnoprawne pojęcie fizyki kwantowej. Tak, zasada nieoznaczoności i superpozycja stanów kwantowych należą do wieloświata i są widocznymi wierzchołkami tej góry lodowej.

Czym jest wieloświat (ang. multiverse)? Wieloświat jest hipotetycznym zbiorem wszystkich wszechświatów. Wszechświaty te obejmują wszystko co istnieje: całość przestrzeni, czasu, materii, energii, informacji oraz opisujących je praw fizycznych i stałych. Wszystkich wszechświatów jest nieskończenie wiele i każdy z nich jest inny. Nasz stuningowany Wszechświat jest więc naturalną konsekwencją takiego multiwersu i nie jest wyjątkowy. Istnieniem wielu wszechświatów, z których każdy rządzi się innymi prawami fizycznymi, może wyjaśnić dostrojenie naszego własnego Wszechświata do powstania [świadomego] życia. 

Temat istnienia obcego życia jest otwarty, a argumenty są mieszaniną faktów, teorii i hipotez. Aktualna wiedza fizyczna i biologiczna zdają się potwierdzać, że życie jest czymś wyjątkowym i wymaga wyjątkowych warunków, aby powstać i ewoluować. Jak dotychczas nie znaleziono żadnego, absolutnie żadnego życia poza Ziemią. Proste cząsteczki i rodniki organiczne znalezione w Kosmosie o niczym szczególnym nie świadczą. My jednak wiemy swoje. Wiara w Kontakt jest tak silna, że nie zawaham się nazwać jej religią. Tak duży jest pierwiastek nieracjonalności w takim myśleniu. Niech więc żyją mityczni Kosmici, jak najdłużej. Bo, badając Kosmos odkrywamy siebie samych.

Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka

Pamiętam, że 50 (a nawet 40) lat temu żyłem w jakimś innym Wszechświecie. Były w nim już sztuczne satelity, załogowe loty kosmiczne, sondy wysyłane w kosmos, a nawet lądowania ludzi na Księżycu (których w obecnym Wszechświecie trochę mi brakuje). Sam Wszechświat jednak bardzo się zmienił od tej pory. Pojawiło się w nim mnóstwo rzeczy, które kiedyś tylko przewidywano bez wielkiej nadziei na empiryczną weryfikację albo które w ogóle przekraczały ludzką wyobraźnię

1. Przemeblowany Układ Słoneczny

Układ Słoneczny był dawniej mniejszy (jeśli policzyć krążące w nim obiekty, a także ich odległości od Słońca), za to miał dziewięć planet. W podręcznikach pisano – a uczniowie musieli to zapamiętać – że Jowisz ma 12 księżyców, Saturn 9, Uran 5, a Neptun 2. Było to ważne, bo na kartkówce z astronomii trzeba było udzielić poprawnej odpowiedzi na pytanie o ich liczbę. Interesowałem się astronomią, więc choć nie musiałem wkuwać na kartkówkę, wspomniane liczby nie zmieniały się przez wiele lat i całkiem niepotrzebnie utkwiły mi w pamięci. Kiedy zdawałem maturę, Jowisz miał już 13 księżyców. Obecne liczby oficjalne są nieco wyższe. Jowisz ma 95 potwierdzonych księżyców, z których 57 posiada indywidualne nazwy. Saturn ma 83 księżyce (63 nazwane). Uran ma 27 księżyców, a Neptun 14 (wszystkie nazwane). Nikt nie każe dzieciom przywiązywać się do tych liczb, bo dobrze wiadomo, że jest to wiedza tymczasowa, szybko uzupełniana. Rzeczywista liczba naturalnych satelitów Jowisza lub Saturna wynosi prawdopodobnie około 150 (oczywiście wiele z nich to ciała o średnicy rzędu jednego kilometra, ale nadal się liczą jako księżyce).

Przegląd największych znanych obiektów transneptunowych, w tym planet karłowatych i ich księżyców. Autor: Eurocommuter~commonswiki. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 3.0).

Pluton przestał być najmniejszą planetą Układu Słonecznego, ale awansował do rangi największej planety karłowatej i pierwszego odkrytego obiektu Pasa Kuipera. Na dokładkę okazał się planetą karłowatą podwójną, bo Charon (nieznany pół wieku temu) ma średnicę mniej więcej o połowę mniejszą. Pluton wraz z Charonem mają cztery małe księżyce obiegające oba te ciała w większej odległości. Sam Pas Kuipera istniał jako pojęcie od lat pięćdziesiątych, ale aż do roku 1992 pozostawał hipotezą. Potem nowe odkrycia posypały się jak z worka. Obecnie znamy około czterech tysięcy obiektów transneptunowych (o średnicy od kilkunastu do ok. 2000 km), z których mniej więcej tysiąc ponumerowano na stałe, kilkanaście nazwano, a kilka największych ma status planet karłowatych na równi z Plutonem (i słusznie, bo np. Eris jest tylko minimalnie mniejsza od Plutona, a za to o 27% masywniejsza). Wiele z nich posiada własne księżyce. Jedną z planetoid transneptunowych, Arrokoth, odwiedziła w 2019 sonda New Horizons, która 4 lata wcześniej zbadała z bliska Plutona i Charona.

2. Gdzie spojrzeć, czarne dziury

Jedyną czarną dziurą znaną pół wieku temu był składnik układu podwójnego Cygnus X-1 (do roku 1973 zebrano tyle dowodów pośrednich na jego czarnodziurowość, że ustalił się w tej sprawie konsensus astronomów). Istniała już w pełni rozwinięta teoria czarnych dziur, brakowało tylko dowodów obserwacyjnych na ich istnienie. W latach osiemdziesiątych zdano sobie sprawę, że obiekt zwany Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej jest supermasywną czarną dziurą (4 mln razy cięższą niż Słońce). Jak dziś wiemy, prawie każda porządna galaktyka ma w centrum taką czarną dziurę, toteż kolejne odkrycia przyspieszyły wykładniczo.

Obraz „cienia” centralnej czarnej dziury (z dyskiem akrecyjnym) w galaktyce M87 (gromada galaktyk w Pannie) uzyskany w 2019 r. za pomocą sieci radioteleskopów Teleskop Horyzontu Zdarzeń. Foto: Event Horizon Telescope Collaboration. Źródło: National Geographic (domena publiczna).

Nie mam pojęcia, ile w sumie czarnych dziur odkryto do tej pory (niewątpliwie bardzo wiele), ale jest jasne, że w Drodze Mlecznej są ich setki milionów, a we Wszechświecie – tryliony. Spośród tych, które szczegółowo opisano, najlżejsze mają masę bliską dolnego limitu teoretycznego dla zapadającej się grawitacyjnie gwiazdy (3 masy Słońca), a najcięższe są kilka miliardów razy masywniejsze od Słońca. Najbliższa znana czarna dziura znajduje się 1560 lat świetlnych od nas, a najdalsze pętają się gdzieś blisko horyzontu obserwacji, w odległości dziesiątków miliardów lat świetlnych. Wszechświat jest obecnie podziurawiony jak ser szwajcarski. Tempo odkrywania czarnych dziur jest całkiem niezłe jak na obiekty, które niejako z definicji są niewidzialne, tyle tylko, że wpływają na swoje otoczenie w sposób zdradzający ich obecność.

3. Egzoplanety na kopy

Byłem kiedyś ciekaw, czy dożyję obserwacji pierwszej planety pozasłonecznej. Nie wyobrażałem sobie jednak, że będą one odkrywane całymi setkami. Większość ludzi (także astronomów) raczej wyobrażała sobie, że pierwsze planety zostaną odkryte gdzieś niedaleko Układu Słonecznego dzięki ulepszeniu teleskopów optycznych. Tymczasem pierwszy obcy układ planetarny odkryty w 1992 r. przez Aleksandra Wolszczana i Dale’a Fraila znajduje się w odległości ok. 2300 lat świetlnych, a do jego obserwacji posłużył radioteleskop w Arecibo. Układ jest bardzo egzotyczny: trzy nieduże planety (jedna dwa razy cięższa od Księżyca, dwie ok. 4 razy cięższe od Ziemi) krążą po ciasnych orbitach wokół pulsara PSR B1257+12 (znanego także jako Lich). Metoda zastosowana przez odkrywców polegała na analizie anomalii w okresowości pulsara, a nie na bezpośredniej obserwacji planet.

Część (mniej więcej 10%) odkrytych dotąd egzoplanet. Oczywiście szczegóły wyglądu, obecność pierścieni itp. to efekty artystyczne niekoniecznie odpowiadające rzeczywistości. Bardziej realistyczne są rozmiary i temperatura. Grafika: Martin Vargic (2015). Żródło: Time (domena publiczna).

Astronomowie, zainspirowani tym odkryciem, szybko rozwinęli inne pomysłowe metody detekcji egzoplanet. Jedną z nich jest analiza przesunięć doplerowskich w widmie promieniowania gwiazdy centralnej potencjalnie posiadającej układ planetarny. Ponieważ nie tylko planety, ale i sama gwiazda krąży wokół środka ciężkości (barycentrum) układu, wpływ grawitacyjny planet widoczny jest jako oscylacje jej położenia, powodujące wykrywalne przesunięcia linii widmowych. Ta bardzo skuteczna metoda faworyzuje detekcję planet masywnych, zwykle gazowych olbrzymów, krążących bardzo blisko gwiazdy centralnej. Stąd nadreprezentacja tych tzw. gorących jowiszów zwłaszcza we wczesnym okresie odkrywania egzoplanet.

Obecnie znamy ponad pięć tysięcy potwierdzonych egzoplanet w prawie czterech tysiącach układów. Powiem szczerze, że o czymś takim nawet nie śniłem. Zdumiewająca jest także różnorodność typów planet i układów planetarnych. Kiedyś wyobrażano sobie, że te ostatnie będą na ogół podobne do Układu Słonecznego, jeśli chodzi o odległości planet od gwiazdy centralnej i rozkład ich rozmiarów. Nic bardziej mylnego. Odkryto wiele planet o parametrach dość podobnych do Ziemi i innych swojskich globów, ale także wiele takich, które reprezentują typy zupełnie niespotykane w Układzie Słonecznym. Gwiazdy często tworzą układy podwójne lub wielokrotne, a te mogą posiadać planety w rozmaitych konfiguracjach orbitalnych. Istnieją także „błędne planety” wyrzucone z macierzystych układów i przemierzające samotnie Galaktykę. W 2020 r. odkryto pierwszą planetę w innej galaktyce, w odległości ponad 30 mln lat świetlnych. Kilkadziesiąt planet już zaobserwowano wprost, czyli metodą obrazowania bezpośredniego.

Autorzy powieści science-fiction często zakładali (dla dobra fabuły), że właściwie każda gwiazda ma jakieś planety. Byli bliżsi prawdy niż naukowcy przyjmujący optymistycznie „na intuicję”, że jakieś 20% gwiazd  może je posiadać. Wedug obecnych oszacowań w samej Drodze Mlecznej istnieje co najmniej ok. 100 miliardów planet. I nie jest to wróżenie z fusów, jak przed pięćdziesięciu laty, tylko wiarygodny wniosek z obserwacji. Oczywiście chcielibyśmy wiedzieć na przykład, na ilu z nich może istnieć życie. Tego jeszcze nie wiemy, ale zapewne się dowiemy.

4. Astronomia grawitacyjna

O istnieniu fal grawitacyjnych wnioskowano od roku 1916 na podstawie przewidywań ogólnej teorii względności. Co prawda w 1936 r. sam Albert Einstein, w artykule napisanym wraz z Nathanem Rosenem, dowiódł, że fale grawitacyjne jednak nie istnieją. Redakcja czasopisma Physical Review zwróciła rękopis autorom z krytycznymi uwagami anonimowego recenzenta (jak dziś wiadomo, był to Howard Robertson). Einstein, nienawykły do systemu peer review, zapałał gniewem i wycofał artykuł, obrażając się dozgonnie na redakcję. Tymczasem okazało się, że to recenzent miał rację: rozumowanie od samego początku obciążone było błędem. Na szczęście zatem fale grawitacyjnie istnieją. W 1974 roku (poszedłem wówczas do liceum) ich istnienie potwierdzono pośrednio dzięki pomiarom zacieśniania się orbity podwójnego układu pulsara Hulse’a–Taylora (za co obaj odkrywcy dostali po dziewiętnastu latach nagrodę Nobla). Orbita – i tak skrajnie ciasna – staje się jeszcze ciaśniejsza zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności, ponieważ układ potężnych mas potężnie przyspieszanych emituje w postaci fal grawitacyjnych taką ilość energii, że ma to mierzalny wpływ na ruch jego składników.

Europejski detektor fal grawitacyjnych Virgo (Santo Stefano a Macerata, Włochy). Widoczny jest budynek centralny i fragmenty dwóch prostopadle rozmieszczonych ramion interferometru laserowego (każde o długości 3 km). Źródło: EGO & the Virgo Ciollaboration (domena publiczna).

Przyjemniej byłoby zaobserwować fale grawitacyjne wprost, ale jest to zadanie niełatwe, wymagające zastosowania aparatury o wręcz niewiarygodnej czułości pomiarowej. Pierwsze detektory fal grawitacyjnych typu, który w końcu okazał się skuteczny, zbudowano ponad 20 lat temu, ale przez długi czas obserwacje nie przynosiły żadnych wyników. Badacze nie poddawali się jednak i stopniowo udoskonalali układy pomiarowe. Wreszcie w roku 2015, tuż po kolejnych usprawnieniach, dwa amerykańskie detektory LIGO (w stanie Waszyngton i w Luizjanie) zarejestrowały identyczne drganie czasoprzestrzeni. Było to echo połączenia się w odległości prawie półtora miliarda lat świetlnych dwóch czarnych dziur o masach rzędu 30–35 mas Słońca, tworzących wcześniej układ podwójny. W chwili ich łączenia się energia równa potrójnej masie Słońca pomnożonej przez c² została gwałtownie wypromieniowana w postaci fal grawitacyjnych – niewidzialnych, ale ujawniających się jako deformacje czasoprzestrzeni uchwytne za pomocą superczułych interferometrów laserowych nawet w kosmologicznej skali odległości. Główni autorzy odkrycia nie czekali długo na Nobla – dostali go już w 2017 r.

Za pierwszym sukcesem poszły kolejne, a rok po pierwszej detekcji do obu LIGO dołączyła udoskonalona wersja europejskiego detektora Virgo. W 2017 r. po raz pierwszy trzy obserwatoria niezależnie uchwyciły ten sam sygnał grawitacyjny. Obecnie – po ośmiu latach – liczba obserwacji fal grawitacyjnych zbliża się do setki. Do współpracy włącza się już kolejny detektor, japoński KAGRA. Coś, co zaczęło się jako próba detekcji, rozwija się w nową metodę obserwacyjną dostarczającą informacji o odległych kosmicznych kataklizmach niedających się badać innymi sposobami.

Prawdę mówiąc, podoba mi się ten nowy Wszechświat.

Wenus, zmiennopłciowa planeta o dwóch obliczach (część 2)

Ēalā, Ēarendel, czyli Hej, Jutrzenko!

Chociaż „klasyczne” języki indoeuropejskie, jak łacina, greka czy staroindyjski używane były przez ludy posiadające rozbudowane systemy religijne z całym panteonem bóstw, stosunkowo niewiele teonimów (imion boskich) sięga czasów praindoeuropejskich. Najbardziej znanym z nich, ważnym także ze względu na dużą liczbę słów pochodnych pełniących ważne funkcje kulturowe, jest imię boga światła dziennego (i jednocześnie określenie nieba), *djēws. Nieco węższy zasięg (ze względu na brak poświadczenia w językach anatolijskich) ma imię bogini świtu (i jednoczenie rzeczownik pospolity o znaczeniu ‘świt, poranek, jutrzenka’), *h₂áwsōs (dopełniacz *h₂ussés > *h₂usés z regularnym uproszczeniem podwójnego *s). Jej greckim refleksem jest imię bogini Eos („różanopalcej Jutrzenki”, jak ją określał Homer). Ponieważ w greckim zanikała nie tylko spółgłoska laryngalna *h₂ (jak w większości języków indoeuropejskich), ale także – przynajmniej w niektórych pozycjach – także *s i *w, a konsekwencje ich zaniku bywały różne w zależności od dialektu, to z imienia bogini pozostały w grece głównie samogłoski, i to różne w różnych odmianach starożytnej greki. Bez wchodzenia w szczegóły zrozumiałe tylko dla specjalistów, zacytuję dwa główne warianty: attyckie Héōs i jońskie Ēṓs.

W staroindyjskim rzeczownik przybrał trochę inną formę, *h₂usós- > uás- (imię bogini w mianowniku: Uā́s, w wersji spolszczonej Uszas). W łacinie mamy *h₂áwsōs > praitalskie *ausōs-ā (rozszerzone o przejrzystą końcówkę rodzaju żeńskiego) > starołacińskie *auzōza. Wskutek rotacyzmu (zmiany, o której wspominałem w części pierwszej) w IV w. p.n.e. ostatnia z wymienionych form przekształciła się w aurōra (i imię bogini świtu Aurōra). Można opisać językoznawcę historycznego jako kogoś, kto potrafi pokazać, że imiona Eos, Uszas i Aurora są „w oczywisty sposób” spokrewnione. Wszystkie pochodzą od rdzenia czasownikowego *h₂wes- (z wariantem *h₂aws-) o znaczeniu ‘rozjaśniać się’ (dobrze zachowanego w językach indoirańskich i bałtyjskich). Pochodzi od niego także rzeczownik oznaczający pewną błyszczącą substancję, *h₂a-h₂us-o-m > praitalskie *ausom > łacińskie aurum ‘złoto’ (Au), z odpowiednikami w językach bałtyjskich. Reduplikacja (powtórzenie nagłosowej spółgłoski z dodaną samogłoską, jak przy jąkaniu) przypuszczalnie podkreślała migotliwość złota.

Dlaczego wspominam o bogini świtu? Ponieważ Wenus w funkcji Gwiazdy Porannej łatwo sobie wyobrazić jako wysłannika Słońca zapowiadającego nadchodzący dzień (jak w greckim Heōspʰóros ‘przynoszący świt’). Dlatego w niektórych językach nazwa Wenus i określenie świtu są z sobą ściśle związane. Zapewne z przyczyn psychologicznych ludzie gorliwiej wypatrywali świtu niż zmierzchu (nic nie wiadomo o tym, żeby istniało praindoeuropejskie bóstwo wieczora i nadchodzącej nocy), toteż więcej uwagi poświęcano Gwieździe Porannej niż Wieczornej. Starożytne ludy Europy spoza basenu Morza Śródziemnego nie były w astronomii aż tak mocne jak Babilończycy czy Grecy, ale Wenus jest jednak trzecim co do jasności obiektem astronomicznym i trudno nie zwrócić na nią uwagi, tym bardziej że pojawia się okresowo w charakterystycznych częściach nieba (Merkury niby też, ale ze względu na bliskość Słońca znaczniej trudniej go zaobserwować). Dlatego częściej niż inne planety posiadała jakąś nazwę własną.

Od góry: Ziemia, Jowisz, Wenus, Księżyc. Foto: Scott Kelly z pokładu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Źródło: NASA.

W wielu językach indoeuropejskich od rzeczownika *h₂áwsōs tworzono miejscowniki typu *h₂uss-er lub *h₂awss-er > *h₂user(i), *h₂awser(i), funkcjonujące samodzielnie jako przysłowki o znaczeniu ‘rano, wcześnie, o świcie, o brzasku’. Od nich z kolei tworzono przymiotniki takie jak *h₂awsr-o- ‘poranny, związany ze świtem’, które można było bezpośrednio przekształcić w rzeczowniki (tak jak funkcjonują w polskim słowa typu dobro, prosta albo uczony) albo rozszerzyć przez dodanie przyrostka formalnie tworzącego rzeczownik. Tak powstało na przykład germańskie słowo *Austrō(n), imię bogini świtu, którą czczono podczas wiosennego przesilenia. Zostało ono zaadaptowane (żeby nie rzec uprowadzone) przez chrześcijan jako określenie święta Wielkanocy (niemieckie Ostern, angielskie Easter). Oczywiście z tego samego źródła pochodzi nazwa ‘wschodu’ jako kierunku świata (Ost, east).

Ten sam element można spotkać w pojawiającej się tu i ówdzie pragermańskiej nazwie, która – jak się wydaje – odnosiła się do Wenus: *Au(z)ra-wandilaz ‘poranny wędrowiec’ albo dokładniej ‘poranna planeta’, bo drugi element ma dokładnie takie samo znaczenie jak greckie słowo planḗtēs ‘wędrowiec, włóczęga’ (a metaforycznie ‘wędrowna gwiazda’, czyli planeta). Badacza literatury anglosaskiej z Oksfordu prof. J. R. R. Tolkiena (Exeter College) tak zachwycił dźwięk tego słowa w wersji staroangielskiej, Ēarendel, że podwędził je z poematu Crist i wykorzystał w mitologii Śródziemia, tworząc postać żeglarza Eärendila. Poza światem starogermańskim i uniwersum Tolkiena (gdzie „gwiazda Eärendila” odgrywa rolę Wenus) Ēarendel znalazł sobie miejsce także we współczesnej astronomii. Nazwano tak najdalszą znaną gwiazdę, WHL0137-LS, zaobserwowaną przez teleskop Hubble’a w 2022 r. dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu. Powstała ona niecały miliard lat po Wielkim Wybuchu, a jej obecna odległość od Słońca w układzie współrzędnych współporuszających się wynosi ok. 28 miliardów lat świetlnych.

W językach bałtosłowiańskich również występuje słowo *h₂awsro- w sensie rzeczownikowym np. w postaci litewskiego aušra, łotewskiego austra i prasłowiańskiego *u(s)tro (wszystkie o znaczeniu ‘świt, brzask, rano’). Często się zdarza w wielu językach, że słowo ‘rano’ przybiera ubocznie znaczenie ‘jutro’ (tzn. nadchodzące rano), tak jak ‘wieczór’ przybiera znaczenie ‘wczoraj’ (tzn. zeszły wieczór). Na przykład w rosyjskim útro oznacza ‘rano’ ale zwrot *za utra > závtra oznacza ‘jutro’. We współczesnym polskim *u(s)tro > jutro całkowicie straciło pierwotne znaczenie, choć w XV w. jeszcze można było „wstać z jutra” (tzn. o świcie), Zachowały je niektóre derywaty, zwłaszcza jutrzenka (do XVI w. także justrzenka), słowo nie tylko oznaczające brzask poranny, ale używane również jako nazwa Wenus (w roli Gwiazdy Porannej, lecz i Wieczornej, bo do ówczesnych Polaków dotarła już elementarna wiedza astronomiczna). Pochodzi ono od prasłowiańskiego przymiotnika *ustrьnъ (staropolskie jutrzny ‘poranny’), a ten z kolei od prabałtosłowiańskiego *aušrinas. Po stronie bałtyjskiej mamy litewski przymiotnik aušrinis, także o znaczeniu ‘poranny’, i jego żeńską formę przerobioną na rzeczownik,  aušrinė, odpowiadającą znaczeniowo słowiańskiej jutrzence. W folklorze litewskim Aušrinė to także nazwa Wenus i imię bogini świtu.

I kto by pomyślał, że skromne słowo polskie jutro posiada koneksje etymologiczne z boginiami świtu w mitologii indoeuropejskiej (Eos, Uszas, Aurora), a pośrednio także z planetą Wenus, z żeglarzem Eärendilem i najdalszą gwiazdą, jaką znamy?