Im dalej w kosmos, tym więcej zagadek. Największe niewiadome w astronomii

Jedną kosmiczną zagadkę udało się wyjaśnić już w pierwszych dniach nowego roku. Jeszcze zanim do akcji wszedł Teleskop Webba.

Na początku grudnia, chiński łazik księżycowy Yutu 2 wypatrzył na horyzoncie coś nietypowego. Obiekt przypominający sześcian został ochrzczony przez internautów "księżycową chatą" i rozbudził spekulacje o potencjalnie sztucznym pochodzeniu nietypowego znaleziska.

Aby z bliska przyjrzeć się "chacie", łazik przez miesiąc mozolnie brnął przez księżycowy pył. Wreszcie, w pierwszych dniach stycznia dotarł na tyle blisko, że mógłby zapukać do drzwi chaty. Gdyby istniała.

Bo z bliska, okazało się, że to żadna księżycowa hacjenda, a zwyczajny kamień. Całkiem ładny, ochrzczony został przez inżynierów nazwą "nefrytowy królik". Faktycznie królika nieco przypomina. Jeszcze raz potwierdziła się stara zasada astronomów, że prawidłowa odpowiedź na niemal każdą zagadkę w kosmosie brzmi "nie Obcy".

Ale zagadek pozostało wiele. W tym takie, w których odpowiedź "nie Obcy" wcale nie musi być najbardziej oczywistą.

Przede wszystkim - i to kwestia, która wisi nad astrofizyką jak wielka, ciemna chmura - nie mamy pojęcia, z czego składa się Wszechświat. Problemem jest to, że pod koniec lat 90-tych XX w. obserwacje Teleskopu Hubble’a pokazały, że prędkość rozszerzania się Wszechświata zwiększa się. Miliardy lat temu proces następował zdecydowanie wolniej.

Wszystkie nasze wyliczenia, wynikające ze znanych praw fizyki i obserwowanej przez nas zawartości Wszechświata wskazują, że jedynym wytłumaczeniem dla tego, że Wszechświat zachowuje się tak, jak zachowuje, jest to, że nasze instrumenty dostrzegają zaledwie 5 proc. składników Wszechświata. Kolejnych 25 proc - 5 razy więcej - to tak zwana "ciemna materia". Naukowcy wiedzą o jej istnieniu, bo potrafią zmierzyć jej wpływ na tę widzialną część Wszechświata. Ciemna materia, tak jak ta widziana gołym okiem, wywiera grawitacyjny wpływ na gwiazdy, galaktyki i chmury pyłu, dzięki czemu potrafimy stworzyć nawet mapy jej rozkładu w naszej Galaktyce. Tyle tylko, że to wszystko, co o niej wiemy. Wszelkie eksperymenty, prowadzone nawet na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, które miały schwytać cząsteczki składające się na ciemną materię zawiodły.

Mamy już dość dobre pojęcie, czym ciemna materia nie jest. Nie jest nią antymateria, ponieważ nie obserwujemy promieni gamma, które powstają w wyniku anihilacji, procesu następującego gdy antymateria styka się z materią. Nie są nią duże czarne dziury, bo choć bezpośrednio nie da się ich zaobserwować, to potrafimy je dostrzec szukając tzw. efektu soczewkowania grawitacyjnego wywołanego uginaniem światła przez ich grawitację. Nie są nią też ciemne obłoki zwyczajnej materii, cząstek zwanych barionami, bo bylibyśmy w stanie wykryć takie obłoki dzięki absorpcji przenikającego przez nie promieniowania.

Jest jednak kilka możliwości, którym naukowcy wciąż się przyglądają. Po pierwsze, wciąż istnieje niewielkie prawdopodobieństwo, że ciemną materią są obiekty złożone z materii jak najbardziej zwykłej, pod warunkiem, że jest ona związana w brązowych karłach lub masywnych, zwartych kawałkach złożonych z ciężkich pierwiastków. Ale najczęściej rozważaną możliwością jest to, że ciemna materia składa się z bardziej egzotycznych cząstek elementarnych, takich jak WIMPy (Weakly Interacting Massive Particles, słabo oddziałujące masywne cząstki), które oddziałują na resztę Wszechświata niemal wyłącznie za pomocą grawitacji.

Jeśli jednak zagadka ciemnej materii jest trudna, to zagadka tego, z czego składa się kolejnych 70 proc. Wszechświata jest po prostu diabelska. Ma to być tzw. "ciemna energia", bezpośrednio odpowiadająca za coraz szybsze rozszerzanie się Wszechświata. Jednym z możliwych wyjaśnień jej natury jest to, że jest jedną z niepoznanych jeszcze własności pustej przestrzeni.

Jedna z wcześniejszych wersji einsteinowskiej grawitacji zawierała tzw. "stałą kosmologiczną", która stwierdzała, że pusta przestrzeń posiada energię, a im więcej pustki, tym więcej energii. To prowadziłoby do coraz szybszego rozszerzania się Wszechświata, co byłoby zgodne z obserwacjami. Tyle, że nikt nie rozumie dlaczego ta stała w ogóle miałaby istnieć. Inne z wyjaśnień wywodzi się z teorii kwantowej: stwierdza, że "pusta" przestrzeń wcale nie jest pusta, ale jest pełna tymczasowych, wirtualnych cząstek, które nieustannie formują się i znikają. Ale próby wyliczenia tego, ile energii dałoby to pustej przestrzeni, dało wyniki tak odległe od obserwacji, ze nie dało się ich do niczego dopasować.

Oczywiście są jeszcze inne możliwości. Na przykład to, że teoria grawitacji Einsteina, stojąca u podstaw astrofizyki, zawiera błąd lub nie uwzględnia jakiejś, jeszcze nieznanej nam siły. Sytuację komplikuje jeszcze dodatkowo fakt, że niedawne pomiary wykazały, że tempo, w jakim wszechświat się rozszerza nie jest jednorodne. Miejscami następuje szybciej, miejscami wolniej. Na razie wszystko wskazuje na to, że to, co uważamy za "normalny" Wszechświat jest maleńkim elementem o wiele bardziej złożonej całości. To my jesteśmy "nienormalni".

Inna wielka zagadka swoją nazwę zawdzięcza przypadkowemu spotkaniu podczas lunchu w 1950 r. Rozmowa podczas posiłku, w której brał udział noblista Enrico Fermi, zeszła na możliwość istnienia inteligentnego życia poza Ziemią. Po wymienieniu długiej listy powodów, dla których w zasadzie Wszechświat powinien tętnić życiem - jest niewiarygodnie stary i zawiera niemal nieskończoną liczbę gwiazd i planet dających niezbędne życiu warunki, Fermi zadał proste pytanie, na które nauka nie ma do dziś odpowiedzi. "Gdzie są wszyscy?".

Minęło ponad 70 lat, a my na to proste pytanie nie mamy żadnej odpowiedzi. W zasadzie zagadka tylko się pogłębia, bo im lepiej poznajemy Wszechświat, tym więcej potencjalnych miejsc, w których życie miałoby szansę się rozwinąć znamy. Astronomowie odnaleźli już ponad 60 podobnych do Ziemi planet znajdujących się w strefach biogennych gwiazd, a to dopiero kropla w oceanie: szacunki mówią o miliardach takich planet tylko w naszej galaktyce. Mimo to, i mimo lat nasłuchu, nie dostaliśmy nawet jednej wiadomości z pozdrowieniami. Nawet jednej malutkiej inwazji kosmitów.

Jest kilka potencjalnych wyjaśnień tego paradoksu. Wiele z nich powinno nas poważnie niepokoić.

Najogólniejszą jest tzw. hipoteza Wielkiego Filtra, mówiąca, że w procesie rozwoju życia pojawia się jakiś element - może wynikający z praw fizyki, może z reguł sterujących zachowaniem żywych istot - który sprawia, że w przytłaczającej ilości wypadków, albo żywe istoty nigdy nie docierają do poziomu cywilizacji technicznej, albo takie cywilizacje nie są w stanie przetrwać dostatecznie długo, by skontaktować się z nami. Może padają ofiarą chorób, wojen lub degeneracji własnej biosfery (takiej jak ta, którą aktualnie wdraża człowiek). Może jednak przyczyna jest zewnętrzna - w kosmosie czai się coś, co zjada młode cywilizacje na śniadanie.

Może inna cywilizacja, która uznała, że nie chce sąsiadów. Najważniejsze pytanie w tej hipotezie brzmi: czy filtr jest za, czy przed nami. Jeśli już go nieświadomie pokonaliśmy - na przykład rozwijając technologie pozwalające nam opuścić naszą planetę i stworzyć "kopię zapasową" cywilizacji na innej - możemy być w kosmosie sami, bo inni po prostu nie pokonali tego płotka. Jeśli jednak jest przed nami, oznacza to, że dni naszej własnej cywilizacji mogą być policzone. Problem z tą hipotezą jest taki, że w zasadzie trudno nawet uznać ją za naukową hipotezę. Jedyną jej weryfikacją byłoby to, gdyby nasza cywilizacja nagle znalazła się w "filtrze", czymkolwiek on by nie był. Ale wtedy ta wiedza już raczej nikomu się nie przyda.

Ale nie musimy szukać Obcych daleko. Co prawda raczej pewne jest, że w naszym bezpośrednim sąsiedztwie nie ma żadnych zaawansowanych cywilizacji (a są tacy, którzy powątpiewają, czy inteligentna cywilizacja istnieje nawet na Ziemi), ale nie oznacza to, że inne obiekty Układu Słonecznego są zupełnie pozbawione życia.

Ostatnie lata przyniosły tu prawdziwą rewolucję i dziś trudno znaleźć naukowca, który zupełnie by taką możliwość odrzucał. Tyle że potwierdzenie, że gdzieś w Układzie Słonecznym istnieją choćby obce mikroby, byłoby piekielnie trudne.

Kandydatów na dom dla takich prymitywnych sąsiadów jest wiele.

Mars - wiemy dobrze, że w punkcie wyjścia był bliźniaczo podobny do Ziemi. CO prawda jego oceany wyschły miliardy lat temu, ale do dziś na Marsie istnieje woda, a w pewnych miejscach także warunki pozwalające na jej topnienie. Jako, że zakładamy, że istnienie płynnej wody jest niezbędnym warunkiem do powstania życia podobnego do ziemskiego, sprawia to, że Czerwona Planeta jest oczywistym miejscem do jego poszukiwań. Zwłaszcza, że naukowcy odkryli kilka zagadkowych sygnałów, które w przypadku Ziemi zapewne byłyby interpretowane jako możliwe przejawy działalności mikroorganizmów, na przykład pojawiające się okresowo w marsjańskiej atmosferze pióropusze metanu.

Wenus - jej atmosfera na poziomie gruntu przypomina co prawda szybkowar, a nawet najtwardsze, radzieckie sondy zbudowane jak atomowe łodzie podwodne wytrzymywały tam najwyżej kilkadziesiąt minut, ale nawet piekielna Wenus mogłaby, hipotetycznie gościć żywe istoty. Nie na powierzchni, a wysoko w atmosferze. Czubki wenusjańskich chmur znajdują się na wysokości, na której warunki dużo bardziej przypominają ziemskie.

Można wyobrazić sobie, że byłyby tam w stanie przetrwać bakterie. Co więcej, nietypowe zjawiska zachodzące w chmurach - okresowo pojawiające się na nich ciemne plamy - przypominają części naukowców wykwity glonów w ziemskich oceanach, a wykryta w nich fosfina mogłaby być rezultatem metabolizmu żywych istot. Ale to tylko jedno z możliwych wyjaśnień.

Europa i Enceladus - pod pewnymi względami, dwa ogromne, lodowe księżyce wydają się stworzone dla życia. Oba mają najprawdopodobniej ogromne oceany, zawierające więcej wody, niż wszystkie morza na świecie razem wzięte. Mają też źródła energii - grawitacyjny wpływ Jowisza i Saturna sprawia, że na ich dnie najprawdopodobniej kwitną wulkaniczne kominy, podobne do tych, które w ziemskich oceanach gromadzą wokół siebie całe miniekosystemy odcięte od słońca. Wreszcie gruba warstwa lodu pokrywająca ich powierzchnię izoluje je od promieniowania kosmicznego.

Ta sama warstwa sprawia jednak, że o wędkarstwo będzie na nich trudno. Jakakolwiek sonda, która miałaby sprawdzić, czy pod lodem znajduje się życie, musiałaby najpierw przewiercić się przez kilka kilometrów zmarzliny. Ale być może jest sposób na obejście tego problemu: zarówno Enceladus jak i Europa mają ogromne gejzery, które oceaniczną wodę wyrzucają aż w kosmos. Zamiast schodzić pod lód, naukowcy mogliby pobrać próbki oceanicznej wody z orbity. I poszukać w nich markerów życia. Najbliższa misja na Europę ma tam dolecieć w 2030 r.

Tytan - Sąsiad Enceladusa jest może jeszcze ciekawszy, z małym zastrzeżeniem. Pokryty gęstymi chmurami Tytan jest pokryty morzami złożonymi ze związków organicznych, zbliżonymi składem do ropy naftowej. Nigdzie poza Ziemią nie ma tyle potencjalnego budulca dla życia. Jest tylko jeden problem. Tytan jest zbyt zimny, by powstała tam biochemia podobna do Ziemskiej. Przy -180 stopniach Celsjusza nawet najbardziej odporna bakteria miałaby problem.

Co nie wyklucza możliwości, że na Tytanie operuje inna, bardziej obca biochemia, w której miejsce wody zająłby metan albo etan. Takie organizmy wdychałyby wodór zamiast tlenu, metabolizowałyby go za pomocą acetylenu zamiast glukozy i wydychały metan zamiast dwutlenku węgla. W 2005 roku astrobiolog Chris McKay argumentował, że gdyby na powierzchni Tytana istniało takie życie, jego wpływ dałby się zmierzyć poprzez badanie atmosfery księżyca: poziomy wodoru i acetylenu byłyby wymiernie niższe niż oczekiwano.

W 2010 r. Darrell Strobel z Johns Hopkins University zidentyfikował większą obfitość wodoru cząsteczkowego w górnych warstwach atmosferycznych Tytana w porównaniu z dolnymi warstwami. Jego odkrycia były zgodne z wyliczeniami McKaya.

W poszukiwaniach życia poza Ziemią, kluczowe znaczenie ma tzw. strefa biogenna: obszar wokół gwiazdy, w którym energia docierająca z gwiazdy pozwala na utrzymanie na powierzchni planety temperatur, w których może istnieć ciekła woda. Za blisko - woda wyparowuje. Za daleko - zmienia się w bezużyteczny biologicznie lód. Rozmiary tej strefy różnią się w zależności od gwiazdy - tam, gdzie gwiazda świeci jaśniej, musi być od niej bardziej oddalona, tam gdzie jest bledsza, bo jest np. czerwonym karłem, taka strefa znajduje się tuż przy niej.

Tyle, że sama strefa to nie wszystko. Widzimy to dobrze w naszym Układzie Słonecznym. W strefie biogennej Słońca znajduje się nie jedna, ale trzy planety. Ale doskonale wiemy, że i na Wenus i na Marsie życie miałoby zdecydowanie gorzej. Nie wiemy tylko dlaczego. Co doprowadziło do tego, że Wenus zmieniła się w szklarnię, Mars zamarzł, a tylko Ziemia wytworzyła bujną biosferę.

W przypadku Marsa zagadka jest podwójna. Wiemy, że ok. 3 mld lat temu miał oceany, a dziś ich nie ma, ale w sumie powinno być odwrotnie. 3 mld lat temu Mars był poza strefą biogenną, która na przestrzeni miliardów lat przesunęła się nieco pod wpływem rosnącej aktywności Słońca.

Zagadka jego śmierci jest nieco mniejsza: ostatnie badania sond marsjańskich dostarczyły przekonujących dowodów na to, że zgubę Marsa wywołał brak pola magnetycznego. Bez tej kosmicznej tarczy, jego atmosfera została stopniowo rozdmuchana przez wiatr kosmiczny. A bez atmosfery planeta po prostu zamarzła. Nie wiemy jednak na pewno, dlaczego Mars pola magnetycznego nie ma, i czy oznacza to, że nasze własne także może zniknąć.

Śmierć Wenus jest dużo bardziej tajemnicza. Według opublikowanych w 2019 r. badań naukowców z Centrum Goddarda NASA, Wenus prawdopodobnie utrzymywała stabilne temperatury i miała oceany wody przez miliardy lat, zanim coś nie wywołało drastycznych zmian na planecie.

Podobnie jak inne planety, Wenus uformowała się ok. 4,5 mld lat temu. Przez mniej więcej trzy miliardy lat miała umiarkowany klimat, podobny do ziemskiego. Ale między 700 a 750 milionów lat temu coś spowodowało uwolnienie dwutlenku węgla ze skał na planecie, zupełnie zmieniając jej klimat. Jedną z możliwości jest gigantyczna, trwająca dziesiątki milionów lat wulkaniczna erupcja, która zupełnie przeobraziła planetę.

Gdyby nie to, Wenus do dziś mogłaby w zasadzie być tak zielona, jak Ziemia. Mimo, że otrzymuje dwa razy więcej promieniowania słonecznego, mogłaby mieć do dziś oceany. Czy te procesy, które ją zabiły, mogłyby powtórzyć się tutaj? Nie możemy jednoznacznie odpowiedzieć na to pytanie.

Wyliczenie planet Układu Słonecznego nie jest trudne. Mamy cztery planety skaliste, cztery gazowe giganty i kupę gruzu okrążającą najdalsze rubieże Układu Słonecznego. Niektóre z elementów tego rumowiska, takie jak Pluton czy Sedna są naprawdę imponujące i w zasadzie też mogłyby być (a w przypadku Plutona były) uważane za planety, ale jest ich tak wiele, i są o tyle mniejsze od "prawdziwych" planet, że wrzucono je do pudełka z nazwą "planety karłowate". Zawartość tego pudełka zresztą stale rośnie w miarę tego, jak astronomowie coraz dokładniej badają mroczne pustkowia poza orbitą Neptuna i Urana - szacuje się, że poza orbitami tych gigantów może znajdować się nawet 70 tys. planetek o średnicach przekraczających 100 km.

Ale może tam być coś jeszcze. W 2016 r. astronomowie Mike Brown i Konstantin Batygin odkryli coś niezwykłego. Orbity wielu spośród znanych nam obiektów z okolic Plutona wyglądają dziwnie. Są zbyt wydłużone, nachylone pod nietypowymi kątami, wreszcie wydają się być "zsynchronizowane", jakby coś, jakiś masywny obiekt, spychał mniejsze planetki ze swojej drogi. Zdaniem astronomów z Caltech może to być nieznana jeszcze planeta, znajdująca się tak daleko, że prawie nie dociera do niej światło słoneczne. Co sprawia, że jest niezwykle trudna do wypatrzenia. Taka "Planeta 9" znajdowałaby się nawet tysiąc razy dalej od Słońca, niż Ziemia, a rok na niej trwałby 10 tys. ziemskich lat. Okresowo jednak zbliżałaby się do Słońca na o wiele mniejszą odległość, wynoszącą zaledwie 75 jednostek astronomicznych (czyli średnich odległości Ziemi od Słońca).

Jeśli istnieje, Planeta 9 jest zapewne tzw. "superziemią", czyli skalistym globem dużo masywniejszym, od naszej planety - znamy wiele takich planet okrążających inne gwiazdy i zagadką było, dlaczego żadna nie powstała w naszym Układzie Słonecznym. Mogłaby też być niedużym gazowym olbrzymem. Nieco bardziej "odjechane" hipotezy mówią też, że tajemniczy obiekt nie jest w ogóle planetą, a maleńką czarną dziurą. Obiekt o masie wielokrotnie większej od Ziemi byłby jednak wówczas nie do wypatrzenia, bo, jako czarna dziura, miałby średnicę piłki do koszykówki.