Zaginanie światła w spekulacjach o gęstości wszechświata

Czasoprzestrzeń jest tworem wymyślonym przez Einsteina w celu opisania zjawiska grawitacji. Jest to model rzeczywistości, w której dokonujemy działań w 3 wymiarach przestrzennych i jednym czasowym. Zagięcie czasoprzestrzeni następuje pod wpływem masy. Im cięższa masa w danej przestrzeni, tym większe zagięcie czasoprzestrzeni. Zagięcie czasoprzestrzeni objawia się np. tym, że światło przebiegające koło ciężkiej gwiazdy zagina się. Tor światła zostaje zagięty także wtedy, gdy przebiega ono nieopodal czarnej dziury, dobiega ono do obserwatora nie po linii prostej, ale po krzywej lub nie do biega wcale.

Zagięcie czasoprzestrzeni objawia się również tym, że im większa jest siła grawitacji (większa masa) tym szybciej płynie czas. Czas w górach płynie wolniej niż nad morzem, ale są to różnice tak niewielkie, że idą w ułamki sekundy w stosunku do długości naszego życia. Są to jednak zauważalne różnice gdy omawiamy cały kosmos, czarne dziury i porównujemy je z naszymi warunkami na Ziemi.

Światło widzialne tworzą fale elektromagnetyczne o długości około 5 x 10-5 cm. Promienie rentgenowskie mają długości mniejsze niż 10-7 cm, są więc 500 razy krótsze od fal widzialnych. Jednocześnie foton rentgenowski niesie 500 razy więcej energii niż foton optyczny. Obecność promieni X w kosmosie jest oznaką bardzo wysokiej temperatury, która może powstawać w pobliżu czarnych dziur. Czarne dziury są naprawdę fascynującym i przerażającym tematem.

Z czarnej dziury nie może wydostać się ani materia, ani światło, ani żadna informacja.

Aby zademonstrować ten fakt posłużmy się przykładem obserwatora stojącego na Ziemi i spoglądającego w kierunku gwiazdy Wega, najjaśniejszej gwiazdy w gwiazdozbiorze Lutni, która znajduje się około 25 lat świetlnych od Słońca. Oznacza to, że światło potrzebuje 25 lat, by dotrzeć z Wegi do Ziemi. Zgodnie z ogólną teoria względności, światło zagina się w pobliżu obiektów grawitacyjnych, ale zawsze skłania się ku temu by utrzymać stosunkowo stałą ścieżkę docierając do obserwatora.

Gdyby w pobliżu toru światła od Wegi do Ziemi znajdowała się czarna dziura, ten sam obserwator nie ujrzałby Wegi, pomimo tego że Wega wciąż istniałaby w tym samym miejscu, 25 lat świetlnych od Słońca. Czarna dziura dzięki silnemu grawitacyjnemu przyciąganiu pochłonęłaby światło.

Efekt zaginania się światła w czarnej dziurze można wykorzystać przy hipotetycznej próbie obliczenia gęstości wszechświata. Rozważmy hipotetyczną możliwość istnienia czarnej dziury wielkości naszego znanego nam wszechświata. Szacujemy wiek Wszechświata na 1/H 0 ( gdzie H 0 jest stałą Hubble’a), promień Wszechświata to c/( H 0 ), czyli z grubsza 20 miliardów lat świetlnych. Teraz spróbujmy znaleźć gęstość czarnej dziury o masie M wielkości wszechświata.

Używając równań dla kuli, gęstość otrzymujemy przez dzielenie masy przez objętość. Aby obliczyć masę wszechświata należałoby wziąć hipotetyczny promień wszechświata i podstawić za R S w równaniu na promień Schwarzschilda: R S = ( 2 GM ) ( c 2 ) - 1.

Po tym działaniu rozwiązane dla M jest następujące:

 

Używając powyższą uzyskaną masę M poszukujemy gęstości wszechświata przy objętości kuli z promieniem c / ( H 0 ).

Niechaj H 0 = ( 20 km/sekunda) / (106 l.y.), otrzymujemy hipotetyczne:

Oczywiście dokładna gęstość Wszechświata pozostaje nieznana, możemy polegać tylko na przybliżeniach studiując nasze wyniki. Według Dr. Alana H. Guth’a (autora książki "Wszechświat inflacyjny"), gęstość masy Wszechświata powinna mieścić się granicach pomiędzy 4.5 x 10 - 30 g/cm 3 a 1.8 x 10 - 29 g/cm 3.

Tłumaczenie i opracowanie tekstu Agnieszka Zawada na podstawie:
1. Philip Mathew „In the Belly of an Angry Giant: Speculations on Residing in a Very Large Black Hole” 2003. Materiały Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego.
2. J. Geoffrey Poor, Ph.D., Dalton State College, 2003. Materiały Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Odsłony: 7561