Na całym świecie budowane są coraz nowsze i większe teleskopy, pozwalające na obserwowanie obiektów w przestrzeni kosmicznej, oddalonych od nas o lata świetlne. Ostatnie badania wprowadzają nowe spojrzenie na temat ich możliwości i poważnie martwią astrofizyków.
Podobno ludzkie oko jest w stanie dostrzec najdrobniejsze szczegóły przedmiotu z odległości jednego metra. Jest to nazywane "rozdzielczością". Najlepsza rozdzielczość dla układu optycznego, jakim jest oko, jest określana jako stosunek widzianej długości fali światła do wielkości otworu, przez który przechodzi jego wiązka.
W astronomii rozdzielczość działa na takiej samej zasadzie. Nieustannie chcemy obserwować więcej obiektów i widzieć wszystko dokładniej, nic więc dziwnego, że budowane są coraz nowsze i większe teleskopy. Jednak ostatnie badania zdają się burzyć znany od dawna porządek, dotyczący zasad optyki i ogniskowej obiektywu. Naukowcy sugerują, że Wszechświat ma po prostu fundamentalne ograniczenie rozdzielczości. Nieważne więc, jak duży zbudujemy teleskop, bo i tak nie zobaczymy odległych galaktyk tak dobrze, jak byśmy chcieli.
Coraz większe zwierciadła nie pomogą
Największe teleskopy na Ziemi, pracujące w zakresie światła widzialnego - takie jak Bardzo Duży Teleskop czy Teleskopy Kecka - mają lustra o średnicy około 10 m. Obecnie planowana jest budowa teleskopów ze zwierciadłami o średnicy 30-40 m (jest to tzw. Ekstremalnie Wielki Teleskop). Jednak istnieje jeden problem, jeśli światło obiektu (niezależnie czy jest to np. świeca, latarnia czy gwiazda) na drodze od źródła do wykrycia, jest zaburzone, to nigdy nie będziemy w stanie uzyskać teoretycznie najostrzejszego obrazu. Bez względu na to jak duży teleskop zbudujemy i jak dobrą optykę będzie posiadał.
Wiadomo, że światło często płata nam figle. Np. gdy patrzymy na dno basenu, kafelki zdają się marszczyć i tańczyć. Albo, gdy wkładamy słomkę do szklanki z wodą i widzimy jej pozorne "załamanie" na styku powietrza i cieczy. Światło, które dociera do teleskopów, musi pokonać burzliwą atmosferę, co stanowi problem dla astronomów.
Gdy idealnie równoległe fale na oceanie napotykają na swojej drodze rafę koralową, zaburza ona ich przepływ. Analogicznie działa to w przypadku fal elektromagnetycznych, do których należy światło. Jednak tu zaburzenie skutkuje rozmyciem obrazu. Aby uzyskać ostry obraz, trzeba by umieścić teleskop w przestrzeni kosmicznej, ponad atmosferą. Jest to jednak bardzo kosztowne. Można by także zastosować optykę adaptatywną, jednak jest to bardzo skomplikowane i trudne technicznie.
Co ma do tego fizyka kwantowa?
Najnowsze badania, przedstawione w tym roku podczas Zgromadzenia Ogólnego Międzynarodowej Unii Astronomicznej, przewidują, że w najbliższym czasie do badań natury przestrzeni kosmicznej, wykorzystywana będzie fizyka kwantowa. Charakter czasoprzestrzeni na poziomie kwantowym może prowadzić do pewnego rodzaju "fundamentalnej granicy rozdzielczości" kosmosu. Istnieją więc pewne obawy, odnośnie tego, jak wyraźnie teleskopy przyszłości będą pokazywać odległe galaktyki.
Według opisu grawitacji Einsteina, każda masa, niezależnie od tego jak jest mała, powoduje wygięcie czasoprzestrzeni. Najlepszym tego przykładem jest soczewkowanie grawitacyjne odległych galaktyk przez ogromne klastry. Fotony, czyli cząstki światła podróżując przez taką "pieniącą się" czasoprzestrzeń, będą ulegać wpływom, podobnym do tych, kiedy światło przechodzi przez grubą turbulencyjną warstwę atmosfery.
Efekty są niemal znikome, ale foton wyemitowany z odległej galaktyki, musi przebyć długą podróż. A po drodze może także napotkać niezliczone "perturbacje fazowe" spowodowane pienistą naturą czasoprzestrzeni. Obecnie przewiduje się, że efekt ten jest nawet mniejszy niż w przypadku najdoskonalszych obrazów, jakie możemy wykonać przy pomocy najlepszych teleskopów. Jednak jeśli przedstawiona teoria jest prawdziwa, rozmycie kosmicznych obrazów może być widoczne także przez teleskopy najnowszej generacji, w tym Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który ma zostać uruchomiony w 2018 roku.
Nie pokonamy granicy rozdzielczości wszechświata
Jednak żadna teoria łącząca spojrzenie Einsteina na temat grawitacji z mechaniką kwantową, nie jest powszechnie akceptowana, więc powinniśmy traktować te przewidywania z przymrużeniem oka. Nawet jeśli będzie to skutkować frustracjami astrofizyków, studiujących szczegółową strukturę najbardziej odległych galaktyk.
Co ciekawe, nieważne jak duże będą budowane teleskopy na Ziemi czy w przestrzeni kosmicznej. Naturalna granica rozdzielczości wszechświata uniemożliwia nam zbadanie najodleglejszych obiektów. Wynika to z procesów kwantowych, jednak skutkuje na skalę kosmologiczną. To trochę jak kosmiczny spisek i może się okazać, że nigdy nie poznamy niektórych sekretów natury.
Autor: zupi/jap / Źródło: IFL Science
Źródło zdjęcia głównego: NASA