Jen málo věcí v kosmologii je tak jasných, jako stáří našeho vesmíru. Když se zeptáte libovolného kosmologa, téměř ihned a automaticky získáte odpověď 13,8 miliardy let. Tuto hodnotu přitom známe jen zhruba posledních 14 let, od doby činnosti kosmické sondy Planck. Je tomu ale skutečně tak? Vody odborné komunity nedávno značným způsobem rozčeřila velmi odvážná a také velmi silně kontroverzní hypotéza, podle níž je náš vesmír výrazně starší. A protože má tato hypotéza základ v kosmologických pozorováních Webbova dalekohledu, podíváme se na ni dnes trochu podrobněji.

Určování stáří vesmíru

Po většinu historie lidského druhu jsme neznali věk vesmíru ani trochu přesně. V závislosti na tom, v jaké době a společnosti jste žili a jakému náboženství věřili, mohli byste získat výrazně rozdílnou odpověď. V podstatě kdekoliv na škále od několika tisíc let až po nekonečně dlouhý čas. Existovaly totiž různé filosofické a náboženské směry, které někdy předpokládaly stvoření světa před určitou dobou, jindy tvrdily, že vesmír je věčný a neměnný.

Specialisté na stanovování doby, před níž byl stvořen svět, byli v historické době zejména různí křesťanští učenci, myslitelé a filosofové. Mezi ně patřili například i slavní fyzikové Isaac Newton a Johannes Kepler. Nejvíce se ale podobnými výpočty proslavil irský arcibiskup James Ussher, který určil dokonce datum stvoření a to na 22. října 4004 před naším letopočtem. Tuto konstrukci pěkně parafrázuje americký písničkář Roy Zimmerman ve své písni Creation Science 101. Jeho, u nás bohužel téměř neznámou, tvorbu, mohu vřele doporučit.

Ale zpět ke kosmologii. V průběhu 19. století začalo být na základě nových poznatků z fyziky a geologie zřejmé, že Země musí být stará minimálně desítky, spíše stovky milionů let. Záhy se podařilo poměrně přesně určit, že nejstarší horniny na Zemi (nacházejí se na území Severozápadních teritorií nedaleko Velkého otročího jezera v Kanadě) jsou staré zhruba 4 miliardy let. Vesmír tedy rozhodně nebyl stvořen před tisíc roky, ale existuje již nejméně několik miliard let.

Přesněji ale dlouho nikdo stáří vesmíru určit nedokázal. Dlouho se říkalo, že to může být v podstatě jakákoliv hodnota mezi pěti a dvaceti miliardami let. Poté ovšem přišly sondy zkoumající reliktní záření a naše znalosti zásadním způsobem vylepšily. Z výsledků observatoře COBE vyplynul věk kosmu 15 miliard let, sondy WMAP a Planck toto číslo upřesnily na 13,7, respektive 13,8 miliardy let. Tato dodnes platná hodnota se už zapsala do povědomí nejen kosmologů, ale i vědců obecně.

Kosmologická pozorování Webbova dalekohledu

V loňském roce započala vědecká mise Webbova teleskopu a s ní přišla i smršť nových informací. Podařilo se pozorovat množství velmi vzdálených galaxií s někde až neuvěřitelným rudým posuvem. Některé z nejzajímavějších kandidátských objektů už astronomové odhalili jako chyby měření, přesto se povedlo překonat rekord pro nejvzdálenější potvrzenou galaxii (GLASS-z12). Navíc jsou tyto vzdálené galaxie poměrně dost vyvinuté, proto se zdá, že musely prodělat evoluci dlouho stovky milionů let. Kosmologové rozhodně neočekávali takový vzhled jen 400 milionů let po Velkém třesku.

Je potřeba si uvědomit, že se stáří vesmíru určuje podle rudého posuvu, což je prodloužení vlnové délky na straně přijímače. Pokud se světlo z nějakého zdroje na počátku existence kosmu vyzářilo například ve viditelném oboru, za dobu života vesmíru se, vzhledem k jeho expanzi, vlnová délka zvýšila a my jej proto vidíme v infračervené nebo dokonce mikrovlnné oblasti. Podle hodnoty rudého posuvu můžeme určit, jak je daný objekt daleko a tudíž i to, jak starý byl v té době vesmír. Pro velmi vzdálené galaxie je třeba provádět jisté korekce, ale v zásadě tento postup funguje vcelku dobře.

Tedy alespoň za předpokladu, že platí standardní kosmologický model, jehož nejlepší parametrizací je model ΛCDM. To je ta teorie, podle níž existuje kromě běžné baryonové hmoty (5 % hmoty-energie vesmíru) také temná hmota, která se na celkovém složení našeho kosmu podílí 28 procenty a temná energie tvořící zbylých 67 procent.

Model ΛCDM přitom spoléhá na správnost obecné teorie relativity. Tato teorie gravitace zatím prochází všemi experimentálními testy jako nůž máslem, takže jde o rozumný předpoklad. Dále zde musí existovat temná hmota, která zodpovídá za formování kosmických struktur a temná energie pohánějící kosmickou expanzi. A nakonec se očekává, že je vesmír na velkých škálách homogenní a izotropní. Tedy v průměru stejný ve všech místech a ve všech směrech.

K tomu ale navíc existuje několik nevyslovených předpokladů, které se v rámci modelu ΛCDM uplatňují. Ty jsou pro platnost modelu zásadní, ale většina fyziků je bere za natolik jasné, že je obvykle ani nejmenuje. Za prvé jde o to, že jsou základní fyzikální zákony za všech okolností a ve všech místech prostoru i času stejné a neměnné. Za druhé se totéž předpokládá o základních fyzikálních konstantách. A konečně třetí bod spočívá v tom, že jediný účinek, který má prázdný prostor na světlo je vliv na jeho vlnovou délku, tedy rudý posuv.

Podle našich dosavadních zkušeností by měl model ΛCDM platit. Současně ale víme, že má i jisté nedostatky, které naznačují, že by pravděpodobně mohla existovat nějaká pokročilejší teorie, jejímž by byl model ΛCDM pouhým přiblížením. Soudobé kosmologické poznatky proto mohou být a dost možná též budou ještě nějakým způsobem upraveny.

Je vesmír skutečně starý 13,8 miliardy let?

Ale to není všechno, občas se objeví zprávy o určitých kulových hvězdokupách nebo jednotlivých hvězdách, jež by měly mít stáří vyšší než 13,8 miliardy let. Jinými slovy by tedy objekty ve vesmíru měly být starší než sám vesmír. Ve fyzice si dokážeme představit opravdu skoro všechno, ale tady se i ti největší optimisté celkem shodnou, že je to zjevný nesmysl.

Než však budeme na základě případů, jako je HD 140283 (nazývaná Metuzalémova hvězda), u níž se odhaduje věk na 14,46 miliardy let, vyvozovat dalekosáhlé závěry, je na místě se přece jen trochu zastavit a zamyslet. Určování věku hvězd i kulových hvězdokup vykazuje totiž z metodologického hlediska poměrně značnou chybu, takže zatímco věk vesmíru je ze sondy Planck určen na 13,799 miliard let s chybou plus minus pouhých 21 milionů let, u Metuzalémovy hvězdy je rozptyl plus minus 800 milionů let.

Přesto ale existence takto staré hvězdy (i pokud nemá 14,46 miliardy let, vznikla brzy po velkém třesku) v kombinaci s novými pozorováními velmi vzdálených, nečekaně vyvinutých a překvapivě malých galaxií vyvolává celou řadu otázek. Jsou naše kosmologická měření správná? Nebo jsme se dopustili nějaké zásadní chyby? To zatím nevíme jistě. Začínají se ale znovu vynořovat některé nápady navržené původně fyziky v minulém století.

Zatímco řada fyziků se snaží dosavadní kosmologické poznatky zachovat a předkládají různé argumenty, proč by měly být naše současné znalosti o vesmíru správné, někteří kosmologové mají úplně odlišný názor. Vzpomeňme si na výše uvedený model ΛCDM a nevyslovené předpoklady nutné pro jeho fungování, univerzální platnost fyzikálních zákonů a základních konstant a vliv prázdného prostoru na elektromagnetické záření. Fyzikové z Ottawy stojící za novým odborným článkem nechávají většinu předpokladů modelu ΛCDM platných, současně ale přinášejí několik změn.

Návrat unaveného světla?

Podle jejich nové práce by náš vesmír neměl být starý 13,8 miliardy let, ale rovnou 26,7 miliardy let. Věk kosmu by se tak zvýšil téměř dvakrát. Pokud by jejich verze odpovídala skutečnosti, řešilo by to otázku velmi mladých a zdánlivě příliš vyvinutých galaxií. Ty by měly dostatek času se vyvinout do pozorované podoby, problém by tak zkrátka přestal existovat.

Jak ale zajistit, aby vesmír mohl mít 26,7 miliardy let, když se všechna dosavadní měření shodují na hodnotě 13,8 miliardy let? Kanadští specialisté oprášili starou hypotézu významného švýcarsko-amerického astronoma Fritze Zwickyho, jež se označuje vzletným názvem „unavené světlo“. Zwicky navrhoval, že rudý posuv vzdálených galaxií není způsoben tím, že by se vesmír rozpínal a tyto galaxie se od nás vzdalovaly, ale tím, že fotony letící k nám z dalekých končin kosmu postupně ztrácejí energii (a dostávají se tedy více do červené oblasti spektra).

Unavené světlo mohlo nějakou dobu rozpínání vesmíru konkurovat, ale postupně se idea dostávala stále více mimo hlavní vědecký proud až nakonec byla díky moderním kosmologickým pozorováním téměř zcela opuštěna. Už Richard Tolman v první polovině minulého století navrhl test této hypotézy, který se však dočkal realizace až v moderní době. Od 90. let jej fyzikové několikrát provedli a vždy dospěli k závěru, že unavené světlo nedokáže uspokojivě vysvětlit kosmologický rudý posuv.

Vědcům z Ottawy to ale nevadí, protože netvrdí, že je unavené světlo jediným řešením kosmologických rudých posuvů. Ve skutečnosti sice říkají, že myšlenka unaveného světla je správná a takový jev se uplatňuje, avšak současně s tím se také náš vesmír rozpíná. Tento fakt je totiž dobře prokázaný, čili jej nelze snadno opomenout či opustit. Jejich práce si bere z obou možností něco a reinterpretuje rudý posuv jako hybridní jev na němž se podílí kosmická expanze i unavené světlo.

Mění se v čase fyzikální konstanty?

Ale to nestačí. Pouze hypotéza unaveného světla nemůže soudobá kosmologická měření upravit tak, abychom obdrželi věk vesmíru rovný 26,7 miliardám let. Aby vše správně fungovalo, museli fyzikové oprášit i další starou ideu navrženou již slavným britským fyzikem Paulem A. M. Diracem. Konkrétně jde v tomto případě o tzv. vazebné konstanty. Jedná se o základní fyzikální konstanty určující intenzitu jednotlivých fyzikálních sil. Tím řídí také interakce mezi částicemi.

Byl to právě Paul Dirac, který předpovídal, že se tyto konstanty v čase mění, dokonce se to snažil dokazovat, avšak neúspěšně. Dodnes pokračují pokusy změřit změny základních fyzikálních konstant v průběhu doby existence vesmíru. Nejčastěji se operuje s gravitační konstantou, jež je logicky vazebnou konstantou gravitační síly, nebo s konstantou jemné struktury, která odpovídá za interakci elektromagnetickou. Toto pátrání ovšem prozatím nepřineslo žádný výsledek. Nějaké náznaky se objevily, avšak nejde o nic spolehlivého a jasného.

Pokud nicméně dovolíme konstantám, aby se v čase vyvíjely, lze v kombinaci s výše uvedeným unaveným světlem získat potřebné kosmologické parametry pro model vesmíru předkládaný v nové práci kanadských fyziků. I vzdálené galaxie s vysokým rudým posuvem by potom měly pro vývoj nikoliv nižší stovky milionů let, ale miliardy let, což zcela postačuje. Poměrně dosti vyvinuté galaxie z tohoto období tak tento model vysvětluje relativně dobře.

Dle tvrzení kanadských fyziků se ovšem nemění jen a pouze gravitační konstanta či konstanta jemné struktury, ale také hodnota rychlosti světla nebo Planckova konstanta. Tyto základní parametry se ovšem nemění jen tak, ale všechny současně. A to je důvod, proč u vzdálených galaxií vidíme fungovat stejné fyzikální zákony. Předpokladem je, že se konstanty sice změnily, ale tím, že došlo k posunům více hodnot najednou, výsledný efekt bude stejný a my neuvidíme žádnou změnu.

Kanadští specialisté navíc předpokládají, že ani kosmologická konstanta není tím, čím se zdá. Myslí si totiž, že tradiční výklad, kdy je kosmologická konstanta ztotožněna s temnou energií, a odpovídá tedy za zrychlenou expanzi vesmíru, není správný. Podle nich kosmologická konstanta sice existuje, ale odpovídá za časový vývoj vazebných konstant v průběhu času. Tato úprava nám může vysvětlit to, proč jsou galaxie s vysokým rudým posuvem pozorované Webbem tak malé.

Díky těmto úpravám se může poměrně zásadně změnit situace pro vysoké rudé posuvy. Věk vesmíru by se totiž zvýšil a většina tohoto stárnutí by se odehrála velmi brzy. Podle standardního modelu ΛCDM jsou objekty s rudým posuvem 10 staré nějakých 420 milionů let. Přidáním unaveného světla se ale tato hodnota zvýší na dvě miliardy let. A jestliže dodáme navíc i měnící se konstanty, stoupne nám věk těchto galaxií na celých šest miliard let.

Jak rozhodnout mezi jednotlivými modely?

Věda je pěkná a zajímavá v tom, že umožňuje rozhodnout mezi několika konkurenčními modely. A to nikoliv na základě krásy, elegance, složitosti nebo osobních postojů. Ve skutečnosti nám stačí znát odpověď na dvě zásadní otázky. Za prvé musíme zjistit, jaký model lépe odpovídá všem relevantním pozorováním a získaným údajům, v tomto případě kosmologickým. A za druhé je potřebné určit, která z hypotéz má méně volných parametrů.

První bod je vcelku očekávatelný. Aby nějaká hypotéza mohla platit, musí být v souladu se stávajícími poznatky, které o dané oblasti výzkumu (v našem případě vesmíru) máme. Ale pozor! Musíme vzít v úvahu všechno, tedy velké i malé rozměry, od kosmologických měřítek na škále miliard světelných let až po miniaturní délky na úrovni subatomárních částic. Nelze tzv. vybírat rozinky, tedy jen ty části, které se nám do našich představ hodí.

Pokud jde o druhý bod. Představme si, že máme dvě hypotézy. Obě nám dávají stejné předpovědi. Jedna z nich to ale dokáže s menším počtem volných parametrů. Která je lepší? Pochopitelně ta s menším počtem volných parametrů. Ukažme si to na jednoduchém příkladu. Vezměme si klasický geocentrický model se svými epicykly, deferenty a ekvanty. Pokud by došlo k objevu nové planety, nedokáže tento model vysvětlit její pohyb až dokud uměle nedosadíme její zjištěné parametry.

Pak tu však máme Newtonův model, který předpokládá, že je pohyb planet ve Sluneční soustavě ovládán gravitační silou. Ukázalo se, že pohyb pozemských těles souvisí s pohyby nebeských objektů. Najednou jsme byli schopni předpovědět a vysvětlit pohyb nově objevených těles. Zjistili jsme, že pozice a pohyb objektů na obloze, jejich oběžná dráha, orbitální rychlost, vzdálenost od Slunce a řada dalších parametrů spolu souvisí a jsou řízeny právě gravitační silou.

Oba modely popisují vlastně to samé, ale Newtonova teorie má mnohem méně volných parametrů a její predikční schopnost je nesrovnatelně lepší. Podobných příkladů bychom mohli jmenovat celou řadu. Vraťme se ale ke kosmologii. Je lepší standardní kosmologický model nebo hypotéza navržená kanadskými fyziky? Můžeme se podívat na dostupná data.

Jak pravil Richard Feynman: „Základní pravidlo vědy zní, že nesmíte oklamat sami sebe. A oklamat sebe je nejsnazší.“ Už jsme si řekli, že se nelze dívat jen na fakta, která vaši hypotézu podporují. Naopak byste měli co nejpečlivěji zvážit také vše co s ní může být v rozporu. Jinak totiž můžete snadno dojít k nepravdivým a dosti zkresleným závěrům.

V tomto případě je potřeba si uvědomit, že kdyby se světlo „unavilo“ nebo se měnily fyzikální konstanty, neodpovídalo by to jen za efekty, které se fyzikové z Ottawy tímto snaží vyřešit, ale současně by to vedlo k celé škále zajímavých efektů, které bychom také měli pozorovat, avšak nevidíme je. Oč jde? Projděme si stručně alespoň čtyři základní body.

Důkazy proti nové hypotéze

Za prvé zde máme očekávaný efekt rozmazání vzdálených objektů. Kdyby se světlo v průběhu letu k Zemi „unavilo“, vedlo by to k tomu, že by se extrémně vzdálené objekty nejevily jen červenější, ale oproti objektům v popředí by byly také rozmazanější. To si uvědomoval už Fritz Zwicky, proto je ve skutečnosti unavené světlo jeden z konceptů, který ve nefungoval ani v době svého prvního návrhu. Už Zwicky totiž věděl, že by vzdálené objekty měly být rozmazané mnohem více, než pozorujeme.

Typickým příkladem jsou gravitační čočky, kde sledujeme dvojici objektů. Ten v popředí slouží jako čočka, která zesiluje a ohýbá světlo vzdálenějšího zdroje. Jestliže je představa unaveného světla správná, měli bychom vidět, že je kupa galaxií v popředí výrazně ostřejší, než mnohem vzdálenější čočkovaný objekt. Ve skutečnosti je tomu ale tak, že na všech snímcích gravitačních čoček jsou různě vzdálené zdroje světla stejně ostré, žádné očekávané rozmazání nebylo nikdy nalezeno. Jinými slovy, pozorovaný rudý posuv je ze 100 % kosmologický.

Za druhé by unavené světlo odstranilo tzv. kosmologickou dilataci času. Čím více je světlo posunuto směrem k červené části spektra a tedy k nižším energiím, tím déle trvá, než pozorovatel uvidí stejný počet vyzářených vlnových délek. Kupříkladu objekt s rudým posuvem 1 má oproti objektu s rudým posuvem 0 svou vlnovou délku nataženou o 100 %. Abychom tedy z tohoto zdroje zachytili stejný počet vrcholů a údolí vln, museli bychom čekat dvakrát delší dobu.

To ale znamená, že když se podíváme na vzdálené objekty, měli bychom u nich zachytit kosmologickou dilataci času. Z našeho pohledu by se mělo zdát, že jejich hodiny běží pomaleji oproti našim. A tento efekt skutečně pozorujeme například u dalekých supernov. Čím vyšší rudý posuv supernovy, tím je světelná křivka v čase protáhlejší.

Nedávno se totéž povedlo zaznamenat i u kvasarů. V případě kvasarů vzdálených více než 13 miliard světelných let se opět ukazuje, že je rudý posuv ze 100 % kosmologický. U kvasarů navíc pozorujeme časovou dilataci přesně v souladu s modelem ΛCDM. Zdá se nám, jakoby čas v raném vesmíru plynul pomaleji. Tyto efekty nelze vysvětlit unaveným světlem.

Za třetí musíme poznamenat, že by unavené světlo mělo vliv i na spektrum reliktního záření. Je třeba si uvědomit, že zatímco i ty nejvzdálenější galaxie dosahují rudého posuvu kolem 12 (současný rekord je 12,1), reliktní záření má neuvěřitelný rudý posuv 1089 (ano, čtete správně). Toto záření se v době oddělení od látky nacházelo ve viditelné části spektra, dnes je posunuto až do oblasti mikrovln.

Pokud je rudý posuv reliktního záření způsoben kosmologickou expanzí, zachová si toto záření svůj charakter absolutně černého tělesa. Spektrum distribuce fotonů zůstává v tepelné rovnováze, avšak hustota počtu fotonů klesne, takže odpovídá hustotě černého tělesa s nižší teplotou. Pokud by platil model unaveného světla, energie fotonů reliktního záření by klesla, ovšem hustota počtu fotonů by se nezměnila. V důsledku toho bychom měli vidět, že se spektrum “unaveného světla“ výrazně odlišuje od spektra záření absolutně černého tělesa o stejné teplotě.

Jenomže výsledky z experimentů toto nepotvrzují, právě naopak. Fyzikové se snažili hledat jakékoliv odchylky spektra reliktního záření od spektra absolutně černého tělesa, nicméně spektrum reliktního záření mu odpovídá naprosto dokonale. Ve skutečnosti jde o nejlepší spektrum černého tělesa, které kdy bylo ve fyzice získáno. Ukazuje se proto, že reliktní záření nemůže být tvořeno unaveným světlem. Ledaže by se podařilo v reliktním záření najít nějakou „nečernou“ složku. Nic takového však dodnes pozorováno nebylo.

Za čtvrté tady máme problém měnících se konstant. Ty se v principu měnit mohou, nic proti tomu. Objevuje se nám ale jedna nesnáz. Takové proměny by se neprojevily pouze ve vzdáleném vesmíru, ale museli bychom je spatřit i na Zemi. Zatímco kosmologické procesy jsou citlivé zejména na gravitační konstantu, rychlost světla a Planckovu konstantu, atomové přechody by zase výrazně ovlivnily změny rychlosti světla a Planckovy konstanty.

V laboratoři dnes umíme změřit poměrně přesně magnetický moment elektronu nebo princip ekvivalence. V obou případech nám tato data dávají velmi jasná a striktní omezení na to, jak moc se mohly příslušné konstanty v průběhu času měnit. V Gabonu se ale nachází také přirozený jaderný reaktor Oklo. Díky němu víme, za jakých podmínek probíhaly jaderné reakce před téměř dvěma miliardami let.

Ukazuje se, že konstanta jemné struktury, jež přímo závisí na elementárním náboji, rychlosti světla, Planckově konstantě a permitivitě vakua, se může měnit pouze o hodnotu 3 x 10^-17 za rok. Jinými slovy, změna vyloučená není, nicméně dané číslo je miliardkrát menší, než potřebuje kanadský model.

Ačkoliv zní změny základních konstant nebo unavené světlo lákavě až přitažlivě, musíme se oprostit od našich přání a přijmout fakta taková jaká jsou. Projevuje se čím dál jasněji, že tyto myšlenky nemají žádnou oporu v reálných vědeckých datech. Můžeme sice vyzobat pár rozinek, které naznačují něco jiného, ale při podrobnějším zkoumání zjistíme, že této představě odporují gravitační čočky, reliktní záření, jakož i pozemské jaderné reaktory. A to už je trochu moc na to, aby si tato hypotéza udržela životaschopnost.

Jak přesně můžeme určit věk vesmíru?

Jistěže o našem vesmíru nevíme všechno, avšak můžeme jasně říci, že jeho stáří je 13,8 miliardy let, nikoliv 26,7 miliardy let. Můžeme to ale tvrdit opravdu jistě? Ukazuje se, že ano, tuto hodnotu máme prokázanou s velkou mírou jistoty. Jak to astronomové dokázali určit tak přesně? Vcelku snadno lze obdržet spodní limit věku kosmu. Stačí nám pozorovat hvězdy v naší Galaxii a najít ty nejstarší. Na základě fyzikálních vlastností hvězd v kulových hvězdokupách existuje shoda, že jsou tyto hvězdy staré asi 12 – 12,5 miliardy let. Vesmír tedy nemůže být mladší, než tento časový úsek.

Díky Einsteinově obecné relativitě a práci kosmologů jako byli Fridman, Lemaître nebo Hubble ovšem víme, že existuje vztah mezi množstvím a typem hmoty a energie přítomné v kosmu a tím, jak rychle se vesmír rozpíná. Nová kosmologická měření udávají složení vesmíru na 68 % temné energie, 27 % temné hmoty, 4,9 % běžné baryonové hmoty, 0,1 % neutrin a 0,01 % fotonů. Tato čísla souhlasí s mnoha pozorováními, jako jsou měření reliktního záření, baryonové akustické oscilace a podobně.

Zásluhou observatoří WMAP, Planck nebo Atacama Cosmology Telescope (ACT) jsme dokázali určit hodnotu tzv. Hubbleova parametru, to je současnou rychlost expanze prostoročasu na cca 68 km/s/Mpc a to s chybou pouze 2 %. Při známém složení vesmíru to odpovídá tomu, že Velký třesk proběhl před 13,8 miliardami let. Nicméně, asi jste zaznamenali to, že se v kosmologii v současnosti objevuje jistý problém v určení hodnoty Hubbleova parametru. Zatímco z reliktního záření nám vychází 68 km/s/Mpc, z měření supernovy typu Ia dostáváme hodnoty mezi 72 a 76 km/s/Mpc.

Tento rozpor není úplně obrovský, ale existuje. Pro představu, pokud by hodnota určená z reliktního záření byla špatně a správně by byl Hubbleův parametr získaný ze supernov, klesl by věk vesmíru na 12,8 miliardy let. Jenomže ve skutečnosti jsou měření reliktního záření velmi přesná, nelze je tedy jen tak zahodit. Reliktní záření odpovídá nejlépe vesmíru s Hubbleovým parametrem 68 km/s/Mpc a složením vesmíru 68 % temné energie, 27 % temné hmoty a 5 % normální hmoty.

Můžete ale klidně tyto hodnoty změnit, budou-li se měnit všechny společně. Pokud chcete například zvýšit rychlost současné expanze na 74 km/s/Mpc, můžete to udělat a stále dostanete velmi dobrou (ne však úplně dokonalou) shodu s kosmologickými pozorováními. Musíte ale současně změnit soudobé složení vesmíru na 5 % běžné hmoty, 20 % temné hmoty a 75 % temné energie. Zajímavé je, že se věk vesmíru ani v případě těchto úprav téměř nezmění. Stále získáte hodnotu 13,8 miliard let a chybou asi 1 %, takže vesmír je starý něco mezi 13,67 a 13,95 miliardami let.

V dnešní době nám stále zbývá vyřešit značné množství velkých kosmologických záhad. Například by nás právě zajímalo, proč dávají různé metody mírně odlišnou hodnotu Hubbleova parametru. Chceme taktéž odhalit povahu temné hmoty a temné energie. Nicméně víme dosti jistě, že všechna získaná data souhlasí jen a pouze s kosmem vzniklým při Velkém třesku před 13,8 miliardami let. Vesmír nemůže mít 5 miliard let, 10 miliard let, ba ani 20 miliard let, ale jen 13,8 s velmi malým povoleným rozmezím (maximálně nižší stovky milionů let). Jestliže vám budou nějaké senzační novinové titulky tvrdit opak, buďte prosím velmi obezřetní.

Musíme upravit stávající kosmologii kvůli pozorováním Webba?

Jistěže o našem vesmíru nevíme všechno, avšak můžeme jasně říci, že jeho stáří je 13,8 miliardy let, nikoliv 26,7 miliardy let. Fenomén mladých galaxií pozorovaných Webbovým dalekohledem tedy musíme vysvětlit nějak jinak. Podařilo se objevit množství dosti vzdálených galaxií. Jak jsme si řekli, zdá se, že tyto galaxie jsou vyvinuty více, než by v této fázi kosmické historie měly být, jako kdyby jejich evoluce trvala delší dobu. Nejde přitom jen o jejich hmotnost, jsou rovněž až nečekaně jasné, také mají oproti očekávání vyšší obsah těžších prvků, více tvoří nové hvězdy a podobně.

Nové objevy navíc stále přicházejí. Existuje přitom limit, jak rychle mohou rané galaxie hromadit materiál. Za určitých podmínek lze sice tento limit překonat, přesto mají mnozí pocit, že je něco v nepořádku a domnívají se, že bude potřeba naše kosmologické modely upravit. Je tomu ale skutečně tak? Občas mají někteří lidé tendenci se okamžitě uchýlit k velmi fantastickým vysvětlením. Vzduchem létají nové fyzikální zákony a efekty nebo neznámé formy hmoty.

Vraťme se ale opět k vědecké metodice. Ta nám říká, že hledat takováto neobvyklá řešení může být v pořádku, ale až v okamžiku, kdy vyčerpáte všechny konvenční možnosti standardního přístupu. Měli bychom se ujistit, že jsme nikde nic nezanedbali nebo nepřehlédli. Kupříkladu je třeba ověřit, zda námi očekáváné chování kosmu odpovídá tomu, jak se vesmír skutečně projevuje. Představitelná je celá řada chyb, které si nyní stručně nastíníme.

Předně je třeba si uvědomit, že první průzkumy vzdáleného vesmíru, které Webb provádí pocházejí z velmi malých částí oblohy. Tato místa přitom mohou být v průměru netypická. Je proto vhodné si počkat na další průzkumy v delším časovém horizontu, jež by měly pokrýt asi padesátkrát větší oblast. Ty už by mohly napovědět o (ne)obvyklosti prohlížených míst mnohem více.

Dále je možné, že pozorování vzdálených galaxií ovlivňují jejich supermasivní černé díry. Ty tehdy měly dostatek materiálu, proto většinou disponovaly akrečním diskem, o němž se domníváme, že celkem silně zářil. Světlo vydávané těmito objekty může znečišťovat pohled na tyto galaxie. Vlivem toho se může zdát, že jsou daleké galaxie hmotnější a bohatší na hvězdy, než jak je tomu ve skutečnosti. Tuto otázku může rozhodnout jen úplná spektroskopická analýza, která prozatím chybí.

Problém může představovat i to, že je Webbův dalekohled oproti očekávání lepší a výkonnější. To se může zdát zvláštní, ale tento fakt by mohl pozorování ovlivnit. Galaxie v raném vesmíru totiž nemusí být jasnější a hmotnější oproti očekávání, jen se nám tak mohou jevit v důsledku nadprůměrného výkonu JWST. Při správné kalibraci ale může přinejmenším část problému zmizet.

Vidíme tedy sami, že získaná data nemusí být správná a také naše chápání formování struktur v raném vesmíru může být chybné. I když tedy existují jisté náznaky toho, že může být nutné některé poznatky kosmologie upravit, vyvozovat v tuto chvíli závěry o tom, že je potřeba upravovat model ΛCDM je dost předčasné. Potřebujeme další a lepší průzkumy raného vesmíru, jinak ani nemůžeme s jistotou říct, že mají nalezené galaxie opravdu neobvyklé vlastnosti. To v tuto chvíli řeší nový průzkum COSMOS-Web.

Ale i v případě, že galaxie tyto charakteristiky mají, není nutné hned sahat k radikálním řešením. Na scéně jsou i možnosti, jež by celou věc vysvětlily, aniž by zaváděly nějakou zásadně novou fyziku. Dost dobře si dokážeme představit, že i když jsou skutečně tyto galaxie tak hmotné a jasné, bude bez větších problémů umět získané údaje vysvětlit gravitace, elektromagnetismus a fyzika plazmatu. Nezapomínejme prosím, že fyzika nemá být o velkohubých prohlášeních, ale o důkazech. Jaká jsou tedy známá fakta?

Opravdu pozorování vzdálených galaxií odporují kosmologickým modelům?

Počáteční podmínky vesmíru jsou dobře známé z reliktního záření. Také zákony řídící gravitační sílu a tvorbu struktur známe dost dobře. Zdálo by se tedy, že naše předpovědi vzniku a vývoje struktur v raném vesmíru budou velmi přesné a pokud jsou nějaké galaxie hmotnější, než podle simulací mají být, znamená to obtíže. Zvláště, když víme, že právě numerické simulace mají s reprodukcí takto masivních galaxií tak brzy po vzniku kosmu problém.

Už víme, že v pozorováních může být celá řada chyb. Pokud jsou ale správná, způsobí to obtíže? Řekli jsme si, že úplně novou fyziku možná zavádět nemusíme. Jsou ale potřeba vůbec nějaké změny? K tomu nám právě mohou více říci simulace. Donedávna se zdálo, že i tato oblast výzkumu má s kosmologickými pozorováními JWST problém. Nyní se ale ukazuje, že to možná nebude tak žhavé.

Musíme uvědomit, že ani ty nejlepší simulace nejsou dokonalé a obsahují některé nedostatky. Jeden takový představovalo poměrně nízké rozlišení. Dnes už však umíme udělat lepší modely nabízející větší hmotnostní i prostorové rozlišení. Mohli byste se ptát, zda tato skutečnost udělá velký rozdíl. A ukazuje se, že skutečně ano. Nové simulace vrhají na problém dost jiné světlo.

Podíváme-li se na výsledky nedávno provedených simulací s výrazně lepším rozlišením, zjistíme, že v některých oblastech prostoru dojde k přehuštění. Tato místa nejsou pochopitelně úplně častá, ale existují. A nabalují na sebe hmotu podobně jako sněhová koule valící se ze svahu nabírá další sníh. Čili množství v nich nasbírané hmoty je už za krátkou dobu dosti velké. Právě tyto shluky postupně rostou a tvoří se v nich nejstarší a nejhmotnější galaxie raného kosmu.

V tomto případě nám potom zcela postačí uvažovat i realistické odhady rychlosti tvorby nových hvězd, abychom získali výsledek v plném souladu s modelem ΛCDM. Jinými slovy, nové simulace ukazují, že galaxie pozorované Webbovým dalekohledem mohou být v rámci standardní kosmologie naprosto typickými zástupci. Ačkoliv JWST zcela jistě najde mnoho zajímavého, tvrzení o tom, že jeho měření úplně rozbourala kosmologii a představy o vývoji raného kosmu jsou zřejmě vcelku přehnané.

Závěr

Ačkoliv zní tvrzení o tom, že je vesmír dvakrát starší, než jsme si mysleli velmi zajímavě, je třeba brát podobné silné výroky velmi opatrně. Zcela chápu, proč tyto myšlenky řadu lidí přitahují a chtějí jim věřit, jenže (jak řekl Carl Sagan) silná tvrzení vyžadují silné důkazy. Zvláště pak taková, která staví desítky let výzkumu v jedné konkrétní oblasti fyziky na hlavu. Než abychom je přijali jako fakt, je mnohem lepší se nejprve zamyslet, zda k vysvětlení našeho problému opravdu nestačí nějaké konvenční řešení, a nebo zda jsme dokonce nepřehlédli zásadní chybu měření. I když je totiž Webbův dalekohled skvělý přístroj, to, že je vesmír starý 13,8 miliardy let se asi hned tak měnit nebude.

Poznámky autora

1. Velkou inspirací k sepsání tohoto článku mi, kromě původního výzkumu, byla série článků předního kosmologa Ethana Siegela, která vyšla na anglickém webu Big Think.
2. Za cenné připomínky k textu děkuji Martinu Škorpíkovi. Za nesmírně užitečné osobní konzultace a debaty potom Miroslavu Havránkovi.

Doporučená literatura

• Steven Weinberg – „The First three minutes“ – česky jako „První tři minuty“ (Mladá fronta, 1998)
• Jiří Grygar – „Vesmír jaký je“ (Mladá fronta, 1997)
• Simon Singh – „The Big Bang. The Most Important Scientific Discovery of All Time and Why You Need to Know About it“ – česky jako „Velký třesk (Argo a Dokořán, 2007)
• Lawrence Krauss – „ Atom: An Odyssey from the Big Bang to Life on Earth … and Beyond“ – česky jako „Proměny vesmíru“ (Paseka, 2007)
• Brian Clegg – „Before Big Bang“ – česky jako „Před velkým třeskem“ (Argo a Dokořán, 2011)
• Janna Levin – „How the Universe Got Its Spots“ – česky jako „Jak vesmír přišel ke svým skvrnám“ (Argo a Dokořán, 2003)
• George Johnson – „Miss Leavitts Star’s“ – česky jako „Až na konec vesmíru“ (Argo a Dokořán, 2007)
• Robert Kirshner – „The Extravagant Universe. Exploding Stars, Dark Energy and the Accelerating Cosmos“ – česky jako „Výstřední vesmír“ (Paseka, 2005)

Použité a doporučené zdroje

• NASA Webb: https://webb.nasa.gov/
• Webb Telescope: https://webbtelescope.org/
• ESA Webb: https://esawebb.org/
• ALMA: http://www.almaobservatory.org/
• GLASS: https://glass.astro.ucla.edu/
• NASA Hubble: https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.html
• ESA Planck: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck
• Atacama Cosmology Telescope: https://act.princeton.edu/

Zdroje obrázků

• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2013/03/planck_and_the_cosmic_microwave_background/12585610-3-eng-GB/Planck_and_the_Cosmic_microwave_background_pillars.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1c/James_Ussher_by_Sir_Peter_Lely.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f9/4%2C030%2C000%2C000_Years_Acasta_Gneiss.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/47/James_Webb_Space_Telescope_2009_top.jpg/1280px-James_Webb_Space_Telescope_2009_top.jpg
• https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2022/07/sei_115555193.jpg
• https://itu.physics.uiowa.edu/sites/itu.physics.uiowa.edu/files/2021-08/itu/redshift_galaxyspectra.png
• https://www.nist.gov/sites/default/files/styles/2800_x_2800_limit/public/images/2020/10/13/matter_pie_0.png?itok=VHAm-1J5
• https://www.astronomy.com/-/media/Images/Magazine%20Articles/2019/August/ASYGL0819_01.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/26/Oldest_star_in_solar_neighbourhood.jpg/1024px-Oldest_star_in_solar_neighbourhood.jpg
• https://img.luzernerzeitung.ch/2018/4/14/3f96d678-94c0-48da-ae13-091bc610c0ac.jpeg
• https://www.uottawa.ca/faculty-science/sites/g/files/bhrskd386/files/2022-08/Raj%20Gupta.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/50/Paul_Dirac%2C_1933.jpg
• https://s3mn.mnimgs.com/img/shared/content_ck_images/ck_5ef5f680c74a0.jpeg
• https://nineplanets.org/wp-content/uploads/2020/09/speed-of-sound-travel.jpg
• https://d20khd7ddkh5ls.cloudfront.net/scientific_method.jpeg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0e/Cassini_apparent.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/39/GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg/1200px-GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg
• https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/main_image_deep_field_smacs0723-5mb.jpg
• https://i.stack.imgur.com/j9aD4.gif
• https://www.astro.ucla.edu/~wright/tiredlit.gif
• https://www.astro.ucla.edu/~wright/tiredlit2ball.jpg
• https://static.scientificamerican.com/sciam/assets/media/inline/blog/Image/Oklo_2.jpg
• https://www.obkjedu.cz/data_2/fotogalerie/368normal.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/82/Globular_Cluster_M2.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2007/01/planck_in_space/9880824-3-eng-GB/Planck_in_space_pillars.jpg
• https://www.nist.gov/sites/default/files/images/2021/09/30/ACT%20telescope.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2018/07/measurements_of_the_hubble_constant/17601905-1-eng-GB/Measurements_of_the_Hubble_constant.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Distant_galaxy_GN-z11_in_GOODS-N_image_by_HST.jpg
• https://news.stv.tv/wp-content/uploads/2022/07/8c428b22f8acd1988ef91727006c09d7-1659184656.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/JADES2.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/CEERS1.jpg
• https://miro.medium.com/v2/resize:fit:1200/1*Uzvq0XvVvnnJVE-3gHMJbA.jpeg
• https://physics.aps.org/assets/d7cc4c9a-bd50-4ec7-b401-60c854d7dc5a/e16_2.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/The_History_of_the_Universe.jpg