Co se stane, až zhasne poslední hvězda?

Pod hvězdami: má vesmír konec?

Když za jasné bezměsíčné noci vyjdete ven, daleko za město, kde tmu neředí pouliční lampy ani záře výloh, stane se zvláštní věc. Člověk se mimoděk zastaví, zakloní hlavu a na chvíli zadrží dech.

Nad námi se klene hluboká černá propast posypaná tisíci chladných, třpytivých bodů. Vypadá to jako dokonalý obraz věčnosti. Hvězdy na obloze působí nehybně a samozřejmě, jako by tam stály odjakživa a měly tam zůstat navěky. Celé generace našich předků tomu věřily. Již od dob Aristotela vládlo přesvědčení, že zatímco na Zemi všechno vzniká, chátrá a umírá, nebeská klenba je stvořena z neměnné substance a nebe trvá věčně.

Jenže to byl jen klam naší lidské krátkověkosti.

Dnes už bezpečně víme, že vesmír měl svůj začátek. Před necelými čtrnácti miliardami let byl ve velmi horkém a hustém stavu, ze kterého se prostor začal rozpínat. Jestliže měl vesmír svůj počátek v čase, logicky se vkrádá otázka, před kterou nelze utéct: Bude mít také svůj konec?

Pokud ano – jak bude vypadat?

Myšlenkový pokus s kamenem

Představte si docela prostou věc. Obyčejný myšlenkový pokus, který můžete kdykoli vyzkoušet na louce za vsí.

Sehnete se a vezmete do ruky kámen. Kámen je chladný, drsný a těžký. Napřáhnete se a vší silou ho vymrštíte přímo vzhůru k noční obloze.

Všichni instinktivně víme, co bude následovat. Kámen letí nahoru, ale od první milisekundy ho neviditelná ruka zemské gravitace tahá zpátky. Kámen v letu ztrácí dech. Zpomaluje, vysoko nad vámi se na nepatrný zlomek vteřiny zastaví v bodě obratu a pak začne padat zpět k zemi, do vaší dlaně nebo do trávy.

Jenže co kdybyste měli k dispozici obří dělo a ten kámen vystřelili rychlostí dvanáct kilometrů za sekundu?

Tehdy překoná únikovou rychlost. Unikne ze sevření naší planety a vyletí do meziplanetárního prostoru. Nikdy už nespadne zpátky na Zemi. Přesto se stane něco podstatného. I v nekonečné dálce na něj bude gravitace Země – a všech ostatních těles ve vesmíru – stále působit. Její síla s rostoucí vzdáleností sice slábne, ale nikdy zcela neklesne na nulu.

Ten kámen bude po celou věčnost nepatrně brzdit. Poletí dál a dál, ale čím dál pomaleji.

Nikdy se nestane, že by vyhozený kámen sám od sebe uprostřed prázdnoty zrychlil. Tedy že by z ničeho nic zařadil vyšší rychlost a začal se vzdalovat ještě zběsileji. Cokoli bylo jednou vymrštěno, to se buď vrátí, nebo donekonečna zpomaluje.

Moderní věda stála na této prosté intuici po celé dvacáté století. Byla to skálopevná jistota, o které nikdo nepochyboval.

Právě tato jistota se jednoho dne obrátila v prach.

Abychom pochopili, jak dramatický ten zvrat byl, musíme se vrátit o sto let zpátky. Konkrétně do Berlína roku 1915.

Einstein a statický vesmír

Uprostřed první světové války tam Albert Einstein dokončuje svou obecnou teorii relativity. Einstein v ní nahradil starou Newtonovu gravitaci tvarem samotného časoprostoru. Hmota a energie říkají prostoru, jak se má prohýbat. Zakřivený prostor zase říká hmotě, jak se má pohybovat.

Jenže když Einstein v roce 1917 zkusil aplikovat své elegantní rovnice na vesmír jako celek, narazil na neřešitelný problém.

Jeho rovnice neúprosně ukazovaly, že vesmír nemůže být v klidu.

Prostor obsahuje miliardy rozesetých hvězd a všechny se navzájem gravitačně přitahují. Kdyby byl vesmír nehybný, gravitace by ho dříve či později musela strhnout do sebe. Celý kosmos by se zhroutil do jediného ohnivého bodu, do katastrofální singularity.

Jenže v Einsteinově době panovala mezi astronomy neotřesitelná shoda. Vesmír je statický, věčný a neměnný. Mléčná dráha byla považována za celý svět a o žádném rozpínání nikdo neuvažoval.

Einstein stál před těžkým dilematem. Věřit svým revolučním rovnicím, nebo obecnému přesvědčení své doby?

Génius tehdy zaváhal.

Aby zabránil gravitačnímu kolapsu, vpašoval do rovnic matematickou berličku. Označil ji řeckým písmenem Lambda – kosmologická konstanta. Představovala hypotetickou odpudivou sílu samotného vakua, nastavenou s chirurgickou přesností tak, aby přesně vyvážila přitažlivost veškeré hmoty. Vesmír díky ní zůstal stát na místě.

Jenže to bylo zdánlivé vítězství.

Mladý belgický kněz a fyzik Georges Lemaître a ruský matematik Alexandr Fridman v Petrohradu brzy našli řešení, v nichž se vesmír rozpíná nebo smršťuje. Arthur Eddington později ukázal, že i Einsteinova přesná rovnováha je nestabilní. Představte si naostřenou tužku postavenou na stůl přímo na její špičku. Teoreticky existuje přesný bod rovnováhy, kdy může stát. Jenže v reálném světě stačí mikroskopický záchvěv podlahy nebo nepatrný závan vzduchu a tužka spadne.

Přesně takový byl Einsteinův statický vesmír. Byl totiž nestabilní. Stačilo malé zahuštění hmoty a zřítil by se. Stačilo nepatrné zředění a začal by se nekontrolovaně nafukovat.

Hubble a rozpínání prostoru

Řešení Lemaîtra a Fridmana připouštěla vesmír, který se mění. Mohl se buď smršťovat, nebo rozpínat.

Roku 1929 přišel definitivní zvrat. Kalifornská hora Mount Wilson hostila tehdy největší dalekohled planety – stopalcový Hookerův teleskop. Pracoval tam americký astronom Edwin Hubble společně se svým asistentem Miltonem Humasonem.

Humason byl bývalý honák mul, který po horských stezkách tahal stavební materiál pro observatoř, pak tam dělal školníka a nočního hlídače. Byl ale tak nesmírně bystrý a trpělivý, že se vypracoval v mistrného pozorovatele. Dokázal mrazivé noci v kopuli trávit tím, že desítky hodin exponoval fotografické desky se slaboučkým světlem vzdálených mlhovin.

Hubble a Humason zkoumali záření těchto mlhovin – vzdálených galaxií. Světlo rozkládali hranolem na barevné spektrum. Znali Dopplerův jev. Když se k vám blíží houkající sanitka, její tón je vyšší. Jakmile vás mine a vzdaluje se, zvuk skokem poklesne. Světlo se chová stejně. Vzdalující se zdroj má své světelné vlny natažené k červené barvě.

Výsledek jejich měření byl ohromující. Téměř všechny vzdálené galaxie vykazovaly rudý posuv. Navíc – čím byla galaxie dál, tím rychleji se vzdalovala.

Neznamenalo to, že bychom byli středem světa, z něhož všichni prchají. Znamenalo to, že se rozpíná samotný prostor mezi nimi. Byla to analogie kynoucího těsta s rozinkami. Jak bochánek kyne, každá jednotlivá rozinka se vzdaluje od všech ostatních.

Když Einstein navštívil Mount Wilson a viděl data na vlastní oči, musel kapitulovat. Podle pozdějších vzpomínek fyzika George Gamowa označil kosmologickou konstantu za svůj největší životní omyl. Přímý záznam tohoto výroku ale nemáme. Einstein ji ze svého modelu vyškrtl.

Proč mělo rozpínání zpomalovat

Vesmír nebyl nehybný. Začal Velkým třeskem a od té doby se rozpínal.

Tím se znovu vracíme k našemu hozenému kameni.

Celou druhou polovinu dvacátého století měli fyzikové jasno v tom, jaká je základní mechanika kosmu. Samotný prostor se rozpínal z počátečního horkého a hustého stavu. Nebyl to výbuch hmoty do okolní prázdnoty.

Ale ve vesmíru působí gravitace. Každá galaxie, každá hvězda a každý atom přitahuje všechno ostatní. Gravitace veškeré hmoty musela fungovat jako neviditelná kosmická brzda. Rozpínání vesmíru muselo každou vteřinu, každý den, každý milion let zpomalovat.

Nikdo nepochyboval o tom, že vesmír brzdí. Vědci se přeli pouze o to, jak silná ta brzda je.

Odpověď závisela na jediné věci. Na průměrné hustotě hmoty ve vesmíru. Nabízely se v zásadě dva hlavní scénáře:

První možnost: Velký krach. Pokud je ve vesmíru dostatek hmoty – pokud je hustota vyšší než kritická mez – gravitace nakonec zvítězí. Rozpínání bude zpomalovat, až se za mnoho desítek miliard let úplně zastaví. Kámen dosáhne svého nejvyššího bodu. Pak začne nevyhnutelný pád. Galaxie se začnou vracet k sobě, rudý posuv vystřídá modrý a celý kosmos skončí v ohnivém kolapsu. Byl by to Velký třesk puštěný pozpátku.

Druhá možnost: Velké vychladnutí. Pokud je hmoty ve vesmíru málo, gravitace expanzi nikdy zcela nezastaví. Bude ji sice neustále brzdit, ale kámen poletí navždy. Galaxie se od sebe vzdálí do temnoty, plyn v nich dojde, hvězdy postupně vyhasnou a vesmír za nepředstavitelně dlouhou dobu pomalu a tiše vychladne.

Celé generace astronomů se snažily spočítat galaxie a zjistit, na které straně vah stojíme. Zda nás čeká ohnivý konec v kolapsu, nebo mrazivé umírání v nekonečném chladu.

Nikdo nečekal, že příroda chystá odpověď, která vyrazí dech oběma táborům.

Supernovy a překvapení roku 1998

Píše se rok 1998. Dva soupeřící mezinárodní vědecké týmy vstupují na scénu.

Jeden vede Saul Perlmutter z kalifornské univerzity v Berkeley. Druhý tým, který hledal vzdálené supernovy, vede Brian Schmidt v Austrálii společně s Adamem Riessem v Berkeley.

Oba týmy si daly za cíl změřit to, co dosud nikdo nezměřil přesně. Tempo, jakým vesmír brzdí.

Proto potřebovaly pohlédnout hluboko do minulosti. Světlu nějaký čas trvá, než k nám dorazí. Když se podíváte na objekty vzdálené miliardy světelných let, vidíte vesmír v dobách jeho mládí.

Klíčem k měření se staly supernovy typu jedna a. Jde o termonukleární exploze bílých trpaslíků – nesmírně hustých hvězdných jader. Výbuch může spustit přísun hmoty ze sousední hvězdy nebo spojení dvou bílých trpaslíků. Rozběhne se prudké jaderné hoření a hvězda exploduje v nepředstavitelném záblesku.

Tyto exploze jsou si velmi podobné, ale nezáří všechny úplně stejně. Podle průběhu zjasnění a slábnutí se jejich jas dá přepočítat na skutečnou svítivost. Proto slouží jako vesmírné standardní svíčky.

Její vzdálenost spočítáte z toho, jak slabá se vám svíčka zdá. Rudý posuv vám ukáže, o kolik se prostor od té doby roztáhl. Vědci chtěli porovnat rozpínání před miliardami let s rozpínáním dnes a změřit brzdění kosmu.

Když Adam Riess a Brian Schmidt dali v lednu tisíc devět set devadesát osm data do počítače, byli přesvědčeni, že mají v programu chybu.

Supernovy byly slabší, než měly být.

Byly zhruba o pětadvacet procent slabší. Znamenalo to jediné. Ležely mnohem dál, než by odpovídalo jakémukoli modelu zpomalujícího se vesmíru. Prostor mezi námi a supernovami se za tu dobu roztáhl mnohem víc, než kdokoli čekal.

Vědci přepočítávali data znovu a znovu. Hledali mezihvězdný prach, prověřovali dalekohledy. Současně dospěl Perlmutterův tým k navlas stejnému závěru.

Rozpínání vesmíru nezpomaluje. Kámen vyhozený do vzduchu neztrácí dech. Kámen stoupá stále rychleji.

Rozpínání vesmíru se zrychluje.

Temná energie

Byl to naprostý vědecký otřes, oceněný v roce 2011 Nobelovou cenou. Znamenalo to, že v prázdném prostoru musí působit neznámá odpudivá síla, pro niž kosmolog Michael Turner navrhl název temná energie.

Einsteinova zavržená kosmologická konstanta vstala z mrtvých.

Prvních osm miliard let po Velkém třesku byl vesmír menší a hustší, takže gravitace hmoty expanzi skutečně brzdila. Jenže jak se prostor zvětšoval, hmota se ředila. Podle standardního modelu zůstávala hustota temné energie – energie samotného vakua – stále stejná.

Zhruba před pěti miliardami let, právě v době, kdy se začala rodit naše sluneční soustava, nastal bod zlomu. Temná energie převážila nad gravitací. Vesmír šlápl na plyn.

Dnes víme, že běžná hmota, ze které jsme stvořeni my i hvězdy, tvoří pouhých pět procent vesmíru. Sedmadvacet procent tvoří temná hmota. Celých šedesát osm procent představuje temná energie.

Právě v její povaze leží odpověď na otázku, jak skončí náš svět.

Velké vychladnutí

Dnes před námi leží tři hlavní vědecké scénáře konce vesmíru. Tři různé cesty, kterými se může osud kosmu ubírat podle toho, jak se temná energie zachová v budoucnu.

Pojďme se po nich vydat.

První a v současnosti nejpravděpodobnější scénář nese název Velké vychladnutí, neboli Tepelná smrt vesmíru.

Vychází z předpokladu, že temná energie je skutečně neměnnou kosmologickou konstantou, jak navrhoval Einstein. Její hustota zůstává stálá a zrychlující se rozpínání nikdy neskončí.

Jaký to má význam pro budoucnost?

Představte si, že žijete na ostrově uprostřed oceánu a okolní pevniny se od vás vzdalují stále vyšší rychlostí.

Expanze za sto miliard let způsobí, že vzdálené galaxie, které s námi nejsou gravitačně vázané, překročí kosmologický horizont událostí. Prostor mezi námi a jimi se bude rozpínat rychleji než světlo. Jejich záření k nám už nikdy nedorazí a zmizí za oponou neviditelna.

Naše Mléčná dráha se mezitím může slít se sousední galaxií v Andromedě do jediné větší galaxie. Zatím ale není jisté, zda se opravdu spojí. Kdyby v ní za sto padesát miliard let žili nějací astronomové, pohlédli by na noční nebe a neviděli by nic než svou vlastní galaxii obklopenou nekonečnou, neprostupnou černotou. Neměli by jak zjistit, že kdysi existoval Velký třesk nebo cizí galaxie. Považovali by svůj hvězdný ostrov za celý, osamělý a neměnný svět.

Ale ani tento ostrov nezůstane svítit věčně.

Poslední hvězdy a temná éra

Zhruba za sto bilionů let dojde v galaxiích plynný vodík potřebný k tvorbě nových hvězd. Poslední generace hvězd pomalu dohoří. Nejdéle vydrží drobní červení trpaslíci, kteří své palivo šetří celé biliony let. Ale nakonec vyhasnou i oni.

Vesmír se ponoří do tmy. Zůstanou jen vyhaslé hřbitovní pozůstatky. Černí trpaslíci, neutronové hvězdy a černé díry.

Pokud se naplní některé hypotézy částicové fyziky o rozpadu protonů, rozpadala by se postupně i samotná pevná hmota. Rozpad protonu jsme však dosud nepozorovali a jeho případnou dobu života neznáme. Poslední mrtvé planety by se rozplynuly jako led v teplé vodě.

Černé díry a tepelná smrt

Jedinými pány kosmu zůstanou černé díry. Ale jak v roce 1974 teoreticky ukázal Stephen Hawking, ani ony nemusí trvat věčně. Podle jeho výpočtu vlivem kvantových procesů velmi pomalu vyzařují energii. Velmi hmotné černé díry by se mohly vypařit za nepředstavitelných deset na stou let – za jeden googol roků. Jde o odhad závislý na jejich hmotnosti a na platnosti této předpovědi.

Pak by nastala éra temnoty. Zůstával by stále chladnější prostor s čím dál menšími rozdíly, ze kterých lze získat využitelnou energii. Tomuto vyrovnávání rozdílů říkáme tepelná smrt vesmíru.

Velké roztržení: podmíněný scénář

Druhý scénář vede k mnohem prudšímu konci. Jde o Velké roztržení.

Tuto možnost propočítali v roce 2003 fyzikové Robert Caldwell, Marc Kamionkowski a Nevin Weinberg. Položili si provokativní otázku: Co když temná energie není konstantní? Jenže co když její hustota s rozpínáním prostoru roste?

Této hypotetické formě se říká fantomová energie.

Kdyby temná energie byla fantomová a její vlastnosti se dál neměnily, tempo rozpínání by rostlo až k nekonečné hodnotě v konečném čase. Odpudivá síla vakua by sílila takovým tempem, že by postupně překonala všechny ostatní přírodní síly.

Podle výpočtu těchto tří fyziků by konec měl podobu postupného odpočtu. Pro názornost zvolili model, v němž je poměr tlaku temné energie k její hustotě energie mínus jedna a půl. Dnešní měření takové hodnotě spíše nenasvědčují. Následující čísla proto nejsou předpovědí pro náš vesmír. Jsou příkladem, co by tento konkrétní model znamenal. Kosmologický horizont událostí by se začal smršťovat kolem nás.

Zhruba šedesát milionů let před konečným okamžikem by fantomová energie přemohla gravitaci uvnitř Mléčné dráhy a roztrhala naši galaxii.

Několik měsíců před koncem by odpudivá síla přemohla samotné sluneční soustavy. Gravitační pouto mezi Sluncem a planetami by prasklo a Země by byla vymrštěna do temnoty.

Třicet minut před koncem by odpudivá síla prostoru přemohla gravitační soudržnost samotné Země. Naše planeta by se roztrhala na kusy v gigantické explozi.

Rozpínání by v posledních zlomcích sekundy zasáhlo i mikrosvět. Překonalo by elektromagnetickou sílu držící pohromadě molekuly – všechny předměty i naše buňky by se rozpadly na prach částic.

Přibližně deset na minus devatenáctou sekundy před koncem by se podle tohoto modelu rozpadly i atomy. Ještě kratší zbývající čas by mohl stačit na atomová jádra a částice, ze kterých jsou složena.

Velký krach a možnost odrazu

Model by v konečném bodě dospěl k singularitě. Naše rovnice však na této hranici přestávají spolehlivě popisovat skutečnost.

Pak je tu třetí scénář: Velký krach. Spolu s ním spojená naděje na Velký odraz.

Jenže co když temná energie není neměnná konstanta ani fantomová síla, ale dynamické pole, které se v čase vyvíjí? Fyzikové pro něj mají název vypůjčený ze starověku. Kvintesence, pátý element.

Dynamické pole může v čase slábnout, a dokonce změnit své znaménko.

Některé modely naznačují, že temná energie by se v budoucnu mohla vyčerpat a překlopit v sílu přitažlivou. Pokud by se to stalo, odpudivá síla by zmizela a gravitace by znovu převzala vládu. Kámen by přestal zrychlovat, zastavil se a začal padat zpět.

Byl by to film puštěný pozpátku.

Galaxie by se začaly přibližovat, rudý posuv by vystřídal modrý posuv. Hvězdy by se k sobě blížily a noční nebe by zářilo jasněji než den.

Pak by nastala ohnivá fáze. Jak by se prostor zmenšoval, reliktní mikrovlnné záření z Velkého třesku by se stlačovalo a zahřívalo. Mikrovlny by se proměnily ve viditelné světlo a nakonec spalující rentgenové paprsky.

Samotný prostor mezi hvězdami by se rozehřál na miliony stupňů. Hvězdy by se neměly jak ochlazovat a začaly by se vařit a vybuchovat zvenčí dříve, než by se stihly fyzicky srazit.

Celý vesmír by se slil do jediné ohnivé plazmy a zkolaboval do singularity.

Zda by to byl definitivní konec, nikdo neví. Některé hypotetické kvantové modely připouštějí, že nikoli. Tedy že by smršťování mohl vystřídat nový Velký odraz. Kvantové jevy by v těchto modelech mohly zabránit singularitě a odrazit prostor do nové expanze. Nevíme ale, zda takový model popisuje skutečný vesmír. Vesmír by byl jako věčně dýchající organismus, v němž po každé smrti následuje nové zrození.

Co dnes víme a nevíme

Kde se tedy dnes nachází hranice našeho poznání?

Poctivá vědecká odpověď zní. S jistotou to zatím nevíme.

Dnes máme na oběžné dráze evropský teleskop Euclid a v Chile začíná pracovat revoluční observatoř Very Rubinové. Jejich hlavním úkolem je proměřit chování temné energie s dosud nevídanou přesností. Zjistit, zda je to skutečně nehybná kosmologická konstanta, neklidný fantom, nebo proměnlivá kvintesence.

Většina měření dnes ukazuje k první variantě. Tedy k pomalému, chladnému vyhasnutí – k Velkému vychladnutí. Některé nové výsledky projektu pro měření temné energie, známého jako Desi, však naznačují, že se temná energie možná s časem mění. Tento náznak zatím není potvrzený a otázka zůstává otevřená.

Krátké okno života ve vesmíru

Když člověk těmto kosmickým horizontům naslouchá, může se ho snadno zmocnit pocit marnosti a bezvýznamnosti.

Jaký smysl má veškeré naše lidské snažení, k čemu jsou města, knihy, umění, láska a vědecké objevy, když za biliony let všechno beze stopy pohltí chladná, temná prázdnota? Jaký smysl to celé mělo, když i samotné atomy může čekat rozpad a zapomnění?

Ale dá se na to pohlédnout i docela jinak.

Vesmír nepotřebuje trvat věčně, aby měl smysl. Žádná velká symfonie nehraje donekonečna. Její krása a hodnota spočívají v tónech, které znějí právě teď v koncertním sále. Žádný lidský život netrvá věčně, a právě vědomí konečnosti mu dává hloubku, váhu a vzácnost.

Celé nepředstavitelně dlouhé dějiny kosmu obsahují jen velmi krátké, mimořádné okno. Období, kdy ve vesmíru svítí hvězdy. Období, kdy se z prachu těchto hvězd mohly zformovat kamenné planety s oceány a atmosférou. Tehdy na jedné z těch planet mohl vzniknout život, který vyvinul oči, mozek a vědomí.

Právě my jsme tímto oknem.

Právě my jsme způsob, jakým vesmír po čtrnácti miliardách let procitl, posadil se na břehu noci, zaklonil hlavu a udiveně pohlédl sám na sebe.

Vyhozený kámen může letět dál, ale vesmír kolem něj se mění. Žádný plamen nebude hořet bez konce.

Ale právě teď – v této vteřině, v této kosmické chvíli – je noc plná světel. Máme to neuvěřitelné štěstí, že jsme u toho.

Pod hvězdami, které tu pro nás dnes večer stále svítí, můžeme dál hledat odpověď.