Jaký tvar má vesmír? Ani koule, ani sedla. Je jako list papíru, vypočítali vědci

Teorie obecné relativity, podle níž se může vesmír zakřivovat, připouští tři možné tvary, kterých může vesmír nabýt: plochý jako list papíru, uzavřený jako koule nebo otevřený jako pero či sedlo. Tato astronomická geometrie není nic triviálního - závisí na ní osud vesmíru, vysvětluje magazín Discover.

„Tvar vesmíru nás poučuje o jeho minulosti a budoucnosti,“ řekl k tomu kosmolog Princetonské univerzity David Spergel. Ať už se bude vesmír donekonečna rozšiřovat, nebo se nakonec zhroutí, ať už je konečný, nebo nekonečný, všechno to jsou otázky, které se vážou k jeho tvaru.

Ikonické momenty 2022 ve vesmíru: Působí jako ze sci-fi filmu, jde ale o realitu

Na záležitosti, která vyvolává tak velkolepé otázky, jsou její složky pozoruhodně prosté. Nejzazší struktura vesmíru závisí jen na dvou faktorech: jeho hustotě a míře rozšiřování.

Zhruba dvě třetiny vesmíru tvoří temná energie a čtvrtina je temná hmota. Zbytek je normální hmota zahrnující planety, hvězdy a další tělesa. Hustota vesmíru se zase vztahuje k tomu, kolik této hmoty se vměstná do daného objemu prostoru.

Pokud je hmota vesmíru dostatečně velká k tomu, aby překonala sílu jeho rozšiřování, pak se vesmír zkroutí do koule. Tomu se říká uzavřený model, jehož pozitivní zakřivení připomíná právě kouli. Tento vesmír má vlastnost, ze které jde hlava kolem: je konečný, ale nezná hranic. Nějaký intergalaktický Fernão de Magalhães by takový vesmír mohl obeplouvat, aniž by kdy narazil do stěny nebo přepadl přes okraj.

Na druhé straně, pokud je hustota vesmíru nízká a nedokáže zastavit rozšiřování, vesmír se obalí opačným směrem. Tak by vznikl otevřený vesmír s negativním zakřivením připomínajícím sedlo.

Plochý vesmír

A pak je tu nejpravděpodobnější scénář. Většina kosmologických důkazů ukazuje na to, že hustota vesmíru je přesně taková, jaká má být - odpovídá asi šesti protonům na 1,3 krychlového metru - a že se šíří všemi směry bez pozitivního nebo negativního zakřivení. Jinak řečeno, vesmír je plochý.

Co to ale znamená? Není to dvojrozměrná plochost toho druhu, se kterým se setkáváme v každodenním životě, ale pomocí několika analogií si ji můžete představit.

Sonda Pioneer 10 letěla tam, kam nikdo před ní. Nesla poselství pro mimozemšťany

Řekněme, že stojíte v rohu čtvercové místnosti. Ujděte deset stop podél zdi do druhého rohu a otočte se o devadesát stupňů. Ujděte dalších deset stop a zase se otočte o devadesát stupňů. Udělejte to ještě dvakrát a ocitnete se tam, odkud jste vyšli - obešli jste čtverec. To je standardní euklidovská geometrie, kterou jsme se všichni učili na střední škole, a pokud doplníte jednu dimenzi, dostanete plochý vesmír.

V pozitivně zakřiveném prostoru, který představuje uzavřený vesmír, by takový experiment přinesl jiný výsledek. V tomto případě začnete na zemském rovníku a vydejte se k severnímu pólu. Pak se otočte o devadesát stupňů a jděte zpět k rovníku. Zase se otočte o devadesát stupňů a běžte zpět k místu, odkud jste vyrazili. V případě plochého vesmíru jste museli k tomu, abyste se vrátili, odkud jste vyšli, čtyřikrát zatočit, v případě uzavřeného vesmíru stačily otočky tři.

Pokud v tom máte pořád zmatek, což je naprosto pochopitelné, je tu ještě jeden příklad: v plochém vesmíru dvě rakety letící vedle sebe vždy poletí paralelně. V uzavřeném vesmíru je to nepravděpodobné. Cesty obou raket by se totiž od sebe odchýlily, jejich let by sledoval zakřivení prostoru, a nakonec by se zatočily tak, že by se potkaly na místě, odkud vzlétly.

A v negativně zakřiveném otevřeném vesmíru by se rakety rozlétly od sebe a už nikdy by se nepotkaly.  

Energie se ruší

Fyzikové mají za to, že vesmír je plochý. K plochému vesmíru poukazuje hned několik důkazních linií: světlo zbylé po velkém třesku, míra rozšiřování vesmíru v různých místech a způsob, jakým vesmír „vypadá“ z různých úhlů, vysvětlili experti magazínu Live Science.

Astrofyzik David Spergel se výzkumu tvaru vesmíru věnuje desítky let. Před dvaceti lety vydal studii, ve které měřil nepravidelnosti v takzvaném reliktním záření (kosmickém mikrovlnném pozadí CMB), světle zbylém po velkém třesku, pozorovaném sondou NASA pro výzkum tohoto záření a později družicí Planck Evropské vesmírné agentury.

Města budoucnosti? Lidé by mohli bydlet na asteroidech, tvrdí vědci

V plochém vesmíru je množství pozitivní a negativní energie přesně stejné a obě se proto navzájem ruší. V zakřiveném vesmíru bude jedna vyšší než druhá. „Plochý vesmír odpovídá vesmíru s nulovou energií,“ řekl Spergel pro Live Science.

V tomto případě měření fluktuací reliktního záření sondou NASA nasvědčuje jak tomu, že je vesmír nekonečný, tak tomu, že je plochý. Spergel tato měření srovnal ještě s daty z družice Planck, čímž možný tvar vesmíru dál vymezil. „Zakřivení můžeme měřit s určitou nejistotou, proto můžeme tvrdit, že zakřivení je nulové s určitou nejistotou. Můžeme ji snížit, ale geometrii (tedy tvar vesmíru - pozn. red.) můžeme jen zúžit,“ řekl astrofyzik.

Další důvod, proč si je Spergel tak jistý, že vesmír je plochý, je jeho prudké rozšiřování, zachycené Hubbleovou konstantou. Jelikož vesmír začal existovat jako kompaktní koule hmoty, která se začala roztahovat pozoruhodnou rychlostí, projevuje se toto roztahování jako plocha nebo jako tvar ploše co nejbližší.

Kritická hustota

Doklady o plochosti vesmíru se také projevují v tom, co se označuje jako kritická hustota. V kritické hustotě bude hypotetický vesmír plochý a nakonec by se přestal rozšiřovat, ale teprve až po nekonečně dlouhém uplynutém času, alespoň podle australské Swinburnovy technologické univerzity. Pokud by měl hypotetický vesmír vyšší hustotu, měl by zakřivení jako koule a nakonec by se kvůli své gravitaci zhroutil do sebe - uvažovaný fenomén známý jako „Velký křach“.

Webbův teleskop našel možná nejstarší galaxii. Snímky uchvátily vědce

Plochému vesmíru nasvědčují i další důkazy: je izotropický, což znamená, že ze všech úhlů vypadá stejně. Fyzik Anton Chudajkin z ruského Institutu pro nukleární výzkum se spolu s kolegy s cílem odhadnout zakřivení vesmíru podíval na data z oscilace běžné neboli „baryonové“ hmoty a také na modely ukazující, jak se atomová jádra těžší než vodík vytvořila brzy po velkém třesku. „Hmota a světlo se v různých geometriích vyvíjejí odlišně, což nám umožňuje z pozorovaných dat extrahovat trojrozměrný tvar vesmíru,“ řekl Chudajkin pro Live Science.

Výzkum vydaný ve časopisce Physical Review zjistil, že s odchylkou přesnosti 0,2 procenta je vesmír plochý. „Data, která jsme shromáždili, ukazují, že prostorové zakřivení odpovídá nule,“ napsali badatelé ve studii. „V mezích statistické nejistoty to implikuje, že náš vesmír je nekonečný,“ dodali.