Jaký tvar může mít vesmír a je konečný?
Prostor může mít různou geometrii a různé celkové uspořádání. Kosmologové zkoumají jeho zakřivení, možnost konečného objemu i hranice toho, co můžeme pozorovat. K odpovědím využívají reliktní záření, rozložení galaxií a modely rozpínání.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Co znamená tvar prostoru
Když se ptáme na tvar vesmíru, zajímá nás například to, jak v něm souvisejí vzdálenosti a úhly. Těmto vlastnostem říkáme geometrie. Na velkých měřítkách ji popisujeme pomocí prostorového zakřivení.
Základní modely vycházejí z kosmologického principu: dostatečně velké oblasti mají v průměru podobné vlastnosti na různých místech a v různých směrech. Umožňuje to zkoumat celkovou geometrii a rozpínání, zatímco jednotlivé galaxie a kupy popisujeme podrobněji.
Tři možnosti prostorové křivosti
V plochém prostoru platí na velkých měřítkách známá geometrie: součet úhlů trojúhelníku tvořeného nejpřímějšími drahami je 180 stupňů. Při kladném zakřivení může být větší; při záporném menší. Na malém výseku i velmi rozsáhlého zakřiveného prostoru mohou být rozdíly nepatrné.
Povrch koule, rovina a sedlo nabízejí dvourozměrné pomůcky pro tyto vztahy. Skutečný prostor má tři rozměry. Jeho křivost určujeme z měření uvnitř prostoru; obrázky pomáhají představit si její účinky.
V obvyklém kosmologickém členění se modelům s kladnou křivostí říká uzavřené, s nulovou ploché a se zápornou otevřené. Jejich celkovou konečnost dále upřesňuje topologie.
Jak může být prostor konečný a bez okraje
Povrch koule má konečnou plochu a při cestě po něm nenarazíme na okraj. Podobně lze v matematice popsat trojrozměrný prostor s konečným objemem a bez hranice.
O celkovém propojení prostoru rozhoduje topologie. Představme si jako pomůcku plochou herní mapu, na které se po opuštění jednoho okraje objevíme na protějším: body obou okrajů jsou propojené. I plochý prostor tak může mít konečný objem. Geometrie a topologie jsou dvě vlastnosti, které společně určují, jaké celkové uspořádání připadá v úvahu.
Co nám řekne světlo z dávného vesmíru
Ve vzoru reliktního záření rozpoznáváme charakteristická úhlová měřítka. Jejich porovnání s výpočty raného vesmíru a s rozložením galaxií pomáhá určit prostorovou křivost. Kombinace měření reliktního záření družicí Planck a údajů o rozložení galaxií ukazuje, že prostorová křivost vesmíru je blízká nule. Výsledky tak dobře odpovídají modelu s plochým prostorem.
Výsledek vždy doprovází nejistota a předpoklady použitého modelu. Celkové propojení prostoru vědci zkoumají také hledáním shodných vzorů v mapě reliktního záření. V některých modelech konečného vesmíru by k nám světlo ze stejné oblasti mohlo dorazit různými cestami, takže by se její obraz na obloze opakoval. Dosavadní měření ponechávají otázku konečnosti celého vesmíru otevřenou.
Jak velká část vesmíru je pozorovatelná
Pozorovatelný vesmír zahrnuje místa, odkud k nám od raných epoch stihlo dorazit světlo či jiný signál. Protože se prostor během jeho cesty rozpínal, jsou dnešní vzdálenosti těchto míst větší než součin doby letu a rychlosti světla. V základním modelu vychází dnešní poloměr pozorovatelné oblasti přibližně 46 miliard světelných let, zatímco stáří vesmíru činí asi 13,8 miliardy let.
Částicový horizont vymezuje dosah dosavadního šíření signálu. Kosmologický horizont událostí, pokud jej daný model má, souvisí s tím, odkud k nám ještě mohou dorazit signály vyslané nyní. Závisí také na budoucím rozpínání. Schéma odděluje tyto dvě otázky; převod rudého posuvu na dobu letu a dnešní vzdálenost rozvíjí samostatné téma s příklady.
Částicový horizont vymezuje oblast, odkud k nám od raných dob vesmíru až do dneška mohl dorazit signál. Za tuto hranici zatím nedohlédneme, protože světlo odtamtud nemělo dost času k nám doputovat. Kosmologický horizont událostí odpovídá na jinou otázku: odkud k nám ještě někdy může dorazit světlo vyslané právě nyní? Za touto hranicí se prostor rozpíná tak, že k nám takové světlo nedorazí ani v libovolně vzdálené budoucnosti.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Jak tvar souvisí s budoucností
Budoucí rozpínání závisí současně na geometrii, obsahu vesmíru a vlastnostech temné energie. Vědci proto posuzují různé kombinace těchto předpokladů. Scénáře postupného vyhasínání, smršťování či rozpadu struktur vysvětluje téma o možném konci vesmíru.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Otázky ohledně křivosti prostoru, celkové velikosti vesmíru a dosahu našeho pozorování spolu souvisejí, ale každá se týká jiné vlastnosti. Jejich rozlišení pomáhá pochopit, co nám měření říkají o tvaru a velikosti vesmíru.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)