Je vesmír nekonečný? Jak velký je pozorovatelný vesmír

Je vesmír nekonečný? Poctivá odpověď zní, že to zatím nevíme. Víme ale přibližně, jak velká je část vesmíru, z níž k nám mohly dorazit informace: její dnešní průměr vychází asi na 93 miliard světelných let. Právě záměna této pozorovatelné oblasti za celý vesmír stojí za řadou zdánlivých paradoxů. Hranice našeho rozhledu totiž nemusí být hranicí prostoru.

Co je pozorovatelný vesmír

Pozorovatelný vesmír je oblast, ze které k nám za dosavadní historii kosmu mohl dorazit signál pohybující se nejvýše rychlostí světla. Slovo „pozorovatelný“ zde označuje fyzikální možnost získat informaci. Neznamená, že astronomové už vyfotografovali každou galaxii nebo že ji dnešní dalekohledy skutečně dokážou zachytit. Slabý objekt může zůstat nedostupný přístrojům, i když leží uvnitř této oblasti.

Celý vesmír naproti tomu zahrnuje i prostor, o kterém tímto způsobem zatím žádnou zprávu nemáme. Neznáme jeho celkový objem ani případný konečný rozsah. Číslo 93 miliard světelných let proto odpovídá na otázku „jak velký je pozorovatelný vesmír“, nikoli na otázku „kolik prostoru vůbec existuje“. Přidat k němu libovolný násobek a označit výsledek za velikost celého kosmu by bylo nepodložené.

Pomůže představa výhledu z rozhledny. Kruh krajiny, který odtud obsáhnete, neříká, že za ním země končí. Kosmická hranice má jinou příčinu než zakřivení Země nebo mlha, ale logika je podobná: mez pozorování a okraj pozorované věci jsou dva různé pojmy. Ve vesmíru tuto mez určují čas, šíření světla a vývoj rozpínání.

Jak velký je pozorovatelný vesmír v číslech

Světelný rok je jednotka vzdálenosti: dráha, kterou světlo ve vakuu urazí za rok. Samotný název proto může mást. Věk udáváme v letech, rozměr ve světelných letech. U kosmických rozměrů navíc musíme říct, ke kterému okamžiku se vzdálenost vztahuje. Zde jde o dnešní vzdálenost v kosmologickém modelu, nikoli o délku cesty naměřenou na nehybné mapě.

Hodnota 93 miliard je zaokrouhlená. Například popularizační výklad NASA uvádí asi 92 miliard světelných let, zatímco její prezentace k Webbovu dalekohledu pracuje s poloměrem asi 46,5 miliardy. Pro pochopení problému je podstatný řád a definice vzdálenosti. Nejde o přímé měření pásmem mezi dvěma viditelnými okraji, ale o výsledek popisu rozpínajícího se vesmíru.

Proč 13,8 miliardy let neznamená poloměr 13,8 miliardy světelných let

V nehybném prostoru by jednoduchá úvaha fungovala: vezmete dobu letu, vynásobíte ji rychlostí světla a dostanete vzdálenost. Kosmos však nehybný není. Zatímco světlo putovalo k nám, měnily se vzdálenosti mezi vzdálenými oblastmi. Dnešní poloha zdroje tedy není jeho polohou v okamžiku, kdy záření vyzářil. Stejná cesta má v měnícím se prostoru jiný vztah k dnešní mapě.

Představte si značky na pružném pásu, který se postupně natahuje. Posel přechází od jedné značky ke druhé, ale rozestupy na pásu se během jeho cesty zvětšují. Až dorazí, vzdálenost mezi značkami už neodpovídá jejich původnímu rozestupu. Je to pouze pomůcka k představě, nikoli výpočet kosmu. Ukazuje však, proč nelze dnešní vzdálenost získat pouhým násobením stáří vesmíru rychlostí světla.

Astronomové proto započítávají celou historii rozpínání. Výsledkem je současný poloměr pozorovatelné oblasti kolem 46,5 miliardy světelných let. Světlo přitom nikde ve svém bezprostředním okolí nemuselo překročit světelnou rychlost. Rychlý růst vzdálenosti mezi velmi vzdálenými oblastmi není totéž co let rakety místním prostorem. Tyto dvě „rychlosti“ se nesmějí zaměňovat.

Kde je okraj a proč nejsme středem vesmíru

Na hranici pozorovatelné oblasti podle tohoto popisu nestojí zeď. Je to horizont daný tím, odkud k nám mohly přijít informace. Pozorovatel ve vzdálené galaxii by svůj rozhled popisoval vzhledem ke své poloze. Naše umístění uprostřed vlastní pozorovatelné oblasti proto není důkazem výjimečného postavení Země. Je to důsledek toho, že všechny přijaté zprávy vyhodnocujeme právě tady.

Podobně nemá standardní homogenní model rozpínání jediné centrum, od kterého by galaxie odlétaly do předem připravené prázdnoty. Vzdálený pozorovatel by viděl stejný obecný vzorec vzdalování jako my. Velký třesk si proto nelze přesně představovat jako výbuch uprostřed místnosti. Takový obraz podsouvá jak zvláštní místo exploze, tak prostor kolem ní, které model nevyžaduje.

Známé přirovnání k nafukujícímu se balonku funguje, pokud za celý modelový vesmír považujeme pouze jeho povrch. Rozestupy značek na povrchu rostou, aniž by některá značka musela být středem rozpínání. Vnitřek balonku ani pokoj kolem něj do této analogie nepatří. Z obrázku tedy nelze vyvozovat, že se skutečný vesmír musí rozpínat do nějakého dalšího vnějšího prostoru.

Ani samotné galaxie se nenafukují jako značky namalované na gumě. Gravitačně vázané systémy mají vlastní dynamiku a kosmickou expanzi jednoduše nekopírují. Balonek vysvětluje rostoucí rozestupy ve velkém měřítku, nikoli zvětšování planet, hvězd nebo lidského těla. Dobrá analogie pomáhá právě tehdy, když víme, kterou vlastnost představuje a kde její platnost končí.

Znamená plochý vesmír nekonečný vesmír?

Výsledky mise Planck dobře odpovídají standardnímu modelu s prostorově plochou geometrií. „Plochý“ zde neznamená tenký jako list papíru. Jde o geometrii trojrozměrného prostoru ve velkých měřítkách. Takový výsledek je důležitým vodítkem při porovnávání kosmologických modelů, sám ale nepředstavuje měření veškerého existujícího prostoru. Model slučitelný s daty a důkaz nekonečnosti jsou různě silná tvrzení.

Vedle geometrie rozhoduje také topologie, tedy způsob, jakým je prostor jako celek propojený. Konečný prostor může být bez okraje a existují i konečné ploché modely. Jako čistě myšlenkovou pomůcku lze použít herní plochu, na níž postava po odchodu pravým okrajem vstoupí zleva. Její lokální okolí neprozradí okamžitě, jak je propojen celý herní svět.

To není tvrzení, že náš vesmír funguje jako taková hra. Je to protipříklad k úsudku „plochý, tedy určitě nekonečný“. Abychom rozlišili možné celkové podoby prostoru, potřebujeme další pozorovatelné znaky. Z omezené oblasti nemůžeme prostě vyvodit vlastnost celku. Zatím tedy zůstávají otevřené jak nekonečnost, tak některé konečné možnosti.

Kosmologický model přitom není libovolná představa. Musí společně vysvětlit různé měřené vlastnosti záření a vývoje vesmíru. Planck porovnával informace z teploty, polarizace i gravitačního čočkování reliktního záření a našel dobrou shodu se základním modelem. Právě tato souhra umožňuje odvozovat i parametry, jako je stáří kosmu. Přesnost odhadu uvnitř určitého modelu však stále neznamená, že byl přímo změřen celý vesmír nebo definitivně určena jeho globální podoba.

Co ukazují nejvzdálenější snímky a mapa reliktního záření

Hubbleův snímek Ultra Deep Field obsahuje téměř deset tisíc galaxií v malém výřezu oblohy. Je působivý právě tím, kolik různých galaxií se vejde do zdánlivě nenápadného směru. Není však fotografií celého vesmíru ani jeho obvodu. Galaxie na něm mají různou vzdálenost a sledujeme je v různých obdobích jejich historie, nikoli všechny v jednom společném „teď“. Převést takový výřez na odhad počtu galaxií v pozorovatelném vesmíru proto vyžaduje zohlednit i objekty, které snímek nezachytil.

Kosmická expanze navíc protahuje vlnové délky putujícího záření. Světlo raných galaxií proto může k dalekohledu dorazit v infračervené oblasti, přestože původně vyšlo jako viditelné či ultrafialové. Právě to vysvětluje význam infračervených přístrojů pro studium mladého vesmíru. Červenější světlo je v tomto kontextu stopou proměny prostoru během cesty, nikoli fotografií červeně natřené kosmické hranice.

Ještě starší obraz poskytuje reliktní neboli kosmické mikrovlnné záření. V raném horkém plazmatu se světlo opakovaně rozptylovalo na volných elektronech. Přibližně 380 tisíc let po velkém třesku se vesmír ochladil natolik, že vznikaly neutrální atomy a záření mohlo volněji putovat. Pozorujeme tak stopu doby dávno před vznikem dnešních galaxií.

Barevná mapa mise Planck zobrazuje drobné teplotní rozdíly tohoto záření napříč oblohou. Barvy zvýrazňují nerovnoměrnosti spojené se zárodky pozdějších struktur. Oválný obrys je způsob převedení celé oblohy na plochý obrázek, podobně jako u mapy světa. Neudává oválný tvar vesmíru a neukazuje vnější pohled na kosmos.

Na menších vzdálenostech lze vývoj studovat mnohem podrobněji, například přes hvězdné populace a dějiny Andromedy. Hluboké snímky vzdálených galaxií a detailní rozbor blízké galaxie tak poskytují různé druhy informací. Při čtení zprávy o novém pozorování se vyplatí rozlišit, zda jde o detail uvnitř známého systému, nebo o pohled do ranější epochy kosmu.

Jak číst tvrzení o velikosti vesmíru

U každého podobného údaje pomohou tři otázky: Mluví se o celém vesmíru, nebo o pozorovatelné části? Je uveden poloměr, nebo průměr? A označuje vzdálenost dnešní rozestup, nebo dobu letu světla převedenou na světelné roky? Bez těchto upřesnění mohou dvě správná čísla působit jako rozpor. Přesná formulace je zde užitečnější než další desetinné místo.