Kde jsme ve vesmíru?

Dr John Hartnett

Z creation.com/location-in-universe přeložil M. T. – 12/2011. Translation granted by Creation.com – přeloženo s povolením od Creation.com. Úvodní obrázek: Sloan teleskop.

Fourierovy analýzy počtu galaxií N(z) propočítané pro oba přehledy velkých galaxií, SDSS a 2dF GRS, naznačují, že galaxie preferují periodický rudý posuv. Existují dva způsoby, jak tato data interpretovat: 1) že ke zmíněnému jevu dochází čistě v prostoru rudého posuvu a je tedy důsledkem nějaké chyby pozorovatele a/nebo ve vesmíru docházelo v minulosti k oscilacím tempa rozpínání, či 2) že jde o skutečný vesmírný fenomén vznikající díky konkrétnímu umístění milionů galaxií na soustředných slupkách s pravidelnými rozestupy. Zmíněná vysvětlení lze ověřovat a prozatímní analýzy hovoří ve prospěch druhé alternativy. Ukáže-li se, že je to tak, bude to znamenat, že naše Galaxie leží asi 125 milionů světelných let od středu největší galaktické superstruktury, kterou kdy člověk pozoroval.

Obrázek 1. Digitální mapa oblohy (pomocí průzkumu Sloan Digital Sky Survey – SDSS). Všechny body představují galaxie vzhledem k Zemi, která je na vrcholu. Jejich vzdálenosti byly změřeny z jejich spekter; vznikla tak trojrozměrná mapa 3D hluboká 2 miliardy světelných let, na které je každá galaxie znázorněna jedním bodem. Tento obrázek představuje polovinu zveřejněné mapy; na celé mapě je 66 976 galaxií, které leží blízko roviny zemského rovníku, z celkového mapovaného počtu 205 443 galaxií (Zpracovalo Konsorcium pro astrofyzikální výzkum – ARC a Sloanovo centrum pro digitální mapování oblohy – SDSS; viz odkaz 1).

Robotické dalekohledy už zjistily polohu milionů zdrojů záření ve vesmíru a nasbíraly o nich nejrůznější data. Z nich byly sestaveny mapy ukazující, jak jsou na obloze kolem naší galaxie rozmístěny galaxie další. Na obrázku 1 je jedna taková mapa posetá desítkami tisíc galaxií. Na vrcholu najdeme Galaxii naší, rozsah celé mapy je však obrovský. Mapa je výsledkem jednoho takového průzkumu vesmíru, Sloanova digitálního průzkumu oblohy (SDSS); další mapa vznikla dvoustupňovým průzkumem galaktického rudého posuvu (2dF#1GRS).

V jednom článku (2) jsme já a můj kolega prokázali pomocí Fourierových analýz velikosti parametru rudého posuvu N(z) aplikovaných jak u SDSS tak u 2dF GRS, že galaxie upřednostňují periodický rudý posuv. Z N(z) jsme pak vypočítali diskrétní Fourierovy transformace, určili histogramy propočítáním pozorovaných rudých posuvů galaxií nalézajících se mezi z – δz/2 a z + δz/2 jako funkce rudého posuvu z, kde jsme většinou použili δz = 10^-3. Dostali jsme data pro 427 513 galaxií z pátého datového výstupu SDSS, kde vybírají vzorky dat především z oblasti zhruba od -10 do 70 stupňů rektascenze (RA) od nebeského rovníku.

• (rektascenze = úhel mezi deklinační kružnicí hvězdy a deklinační kružnicí jarního bodu. Je to tedy obdoba geografické délky, ve které deklinační kružnice jarního bodu odpovídá greenwichskému poledníku. Jde o jednu z rovníkových souřadnic. Pozn. překl.)

Také jsme obdrželi data pro 221 414 galaxií z 2dF GRS, kde jsou data omezena na oblast dvou stupňů RA symetricky rozdělenou mezi severní a jižní polokouli.

Z analýzy vyplynuly významné rozestupy rudého posuvu s hodnotami Δz = 0,0102, 0,0246 a 0,0448 v SDSS, s významností na úrovni nejméně 4σ (3), a značná shoda se stejnou analýzou z 2dF GRS. Použijeme-li pak Hubbleův zákon (4), tedy předpokládáme-li, že se Hubbleův zákon

vztahuje na tyhle galaxie s relativně nízkým rudým posuvem (z < 0.35), aniž bychom vycházeli z nějaké hotové kosmologie, pak závěr, ke kterému dospějeme, zní, že většina galaxií má značnou tendenci vyskytovat se na soustředných slupkách s periodicitami v reálném prostorovém rozložení. To bylo vymezeno směrem od rovníku (1) nahrazením z hodnotou Δz, z čehož vyplynuly pravidelné intervaly radiální vzdálenosti skutečného prostoru Δr. A kombinací výsledků z obou průzkumů dostaneme Δr = 31.7 ±1.8 h^-1 Mpc, 73.4 ± 5.8 h^-1 Mpc a 127 ± 21 h^-1 Mpc, kde Hubbleova konstanta činí H₀ = 100 kms^-1 Mpc^-1 a parametr h = H₀/100, jak je užívá standardní kosmologie.

V obvyklé analýze, ve standardní kosmologii, se používá prostorová dvoubodová čili autokorelační funkce, aby se definovala nereálná pravděpodobnost (ve srovnání s pravděpodobností očekávanou při náhodném rozmístění), že dvojici galaxií najdeme v daném odstupu. Za tím účelem musíme předpokládat kosmologický princip (5). Pak můžeme odvodit ze zmíněné dvoubodové korelační funkce silové spektrum P(k) (6). Jeho hodnotu předpovídají teorie vzniku velkorozměrových struktur ve vesmíru a srovnává se s hodnotou naměřenou či přesněji řečeno vypočítanou z dat, která máme k dispozici.

Hodnoty silového spektra P(k) využíváme ke stanovování fluktuací měrné hmotnosti na různých úrovních během kosmologického času. Tady platí předpoklad, že díváme-li se zpět do prostoru rudého posuvu, díváme se vlastně zpět v kosmologickém čase, a ve světle kosmologického principu svědčí tedy zmíněné fluktuace měrné hmotnosti prostě o míře uspořádání do trsů v určité minulé epoše (z), jelikož neexistuje žádný zvláštní či upřednostňovaný rámec, ze kterého by se měl vesmír pozorovat.

Derivováním P (k) využíváme funkci window (obvykle Gaussovu) k redukci šumu, který lze pozorovat v hustotě fluktuací jako funkci k nebo 1/Δz. Účinkem je však vyhlazení ‚signálu‘, který hledáme, obsaženého ve ‚špicích‘ v malých intervalech rudého posuvu (1/Δz) . Po použití této metody bez gaussovské funkce window jsme přesto i tak našli významnou periodicitu prostoru rudého posuvu (vlastně prostoru k) v obou sadách dat v intervalech rudého posuvu odpovídajících prvním dvěma shora uvedeným intervalům, tj. v Δz = 0.0102 a 0.0246. Nespojitá Fourierova transformace (FT) nevyhlazených N(z) dat má však mnohem větší citlivost ke zjištění periodicity prostoru rudého posuvu při nižších hodnotách Δz. A třetí významná periodicita rudého posuvu, kde Δr = 127 ± 21 h^-1 Mpc zkoumaná metodou FT, přináší stejné výsledky, ke kterým dospěli Broadhurst et al. (1990) (7) při zkoumání galaxií pole úzkým svazkem paprsků. Posledně uvedená hodnota je všeobecně interpretována jako míra uspořádanosti vesmírných galaxií do trsů.

• (galaxie pole = osamocená galaxie, která nepatří k žádné kupě galaxií. Osamocených galaxií je poměrně málo. Na každých 25 galaxií v kupách připadá jedna galaxie pole. Polem se zde rozumí zorné pole. Pozn. překl.)

I my jsme uplatnili počítání přímých párů. Jinou cestou, jak zjistit, zda jsou galaxie odděleny periodickým intervalem rudého posuvu, je vypracovávání histogramů pomocí propočítávání počtu dvojic (N_pairs) galaxií, které jsou stejně vzdáleny (Δz) v prostoru rudého posuvu, a pak hledání nadbytečných vrcholů v histogramech N_pairs. Jelikož se rudé posuvy měří radiálně směrem od pozorovatele ve středu dění, kolem kterého jsou rozloženy, zjišťuje tahle metoda vzdálenost prostoru rudého posuvu s ohledem na zmíněnou symetrii. Jak se ukázalo, nebyla tak citlivá, ale přece jen zjistila první dvě dříve uvedené vzdálenosti, tj. Δz = 0.0102 a 0.0246.

Nakonec jsme provedli korelační analýzu obou průzkumů. Porovnali jsme N(z) z obou tak, že jsme uměle posunuli rudý posuv itého zásobníku (situovaného mezi z_i – δz/2 a z_i + δz/2) v jednom průzkumu a znovu propočítali krok za krokem korelační funkci R^2. Podrobnosti viz práci označenou č. 2. Významná prostorová oblast 2dF GRS se do značné míry překrývá s SDSS, takže bychom očekávali, že R^2 pro neposunuté zásobníky bude vykazovat významnou korelaci. To, co jsme zjistili, bylo zajímavé. Zjistili jsme periodicitu korelační funkce R^2 s periodou Δz ≈ 0.027. Jde tu opět o hlavní jasně viditelnou periodicitu rudého posuvu jako na obrázku 1. A tyhle výsledky lze vyložit buď jako důkaz reálné prostorové struktury s naší Galaxií kosmologicky blízko jejího středu nebo jako prostorový důsledek rudého posuvu tam, kde ve vesmíru docházelo v minulých dobách k oscilacím v tempu rozpínání. Tento druhý názor zastává i Hirano et al. (2008) (8); zmínili jsme se o něm v práci uvedené pod č. 2.

Buďto je uvedený jev zcela poplatný rozpínání vesmíru, a jde tedy pouze o prostorový důsledek rudého posuvu, protože rudý posuv má jen jeden rozměr, nebo vyplývá z reálné struktury vesmíru. Protože jsme schopni mapovat pouze radiální složku rudého posuvu, předpokládajíce, že je způsobena pohybem galaxií od nás pryč, pak by bylo pouhým zdáním, že jsou galaxie uspořádány do kruhů (či slupek v 3D prostoru) v důsledku toho, že tempo rozpínání vesmíru v minulosti oscilovalo. Kdyby tomu tak bylo, pak by se nám to jevilo tak, že všechny galaxie uhánějí pryč od středu, a že středem zmíněných kruhů je právě pozorovatel, a ani o kousek mimo to (9).

Slabinou uvedeného pojetí je fakt, že jeho zastánci implicitně předpokládají, že rozložení galaxií ve vesmíru musí být ve velmi velkém měřítku v zásadě náhodné a uspořádané pouze do kosmické sítě vláken a prázdnot, tak jak to postuluje kosmologický princip. Tudíž cokoli jiného, co vidíte, musí být důsledkem nějakého jiného jevu než je reálná struktura prostoru.

„To, co mě opravdu zajímá, je otázka, zda měl Bůh při tvoření světa na vybranou“ – Albert Einstein (10)

Obrázek 2. Albert Einstein během přednášky ve Vídni roku 1921 (ve věku 42 let).

Avšak je-li námi zkoumaný jev skutečným projevem prostoru, znamená to, že galaxie se fyzicky nacházejí v soustředných slupkách, které se v rozpínajícím se vesmíru pohybují pryč od nás, kteří jsme ve středu. Z tohohle výkladu rovněž vyplývá, že místní vesmír, který vidíme kolem sebe, má přinejmenším jedno zvláštní místo, střed, a my jsme v něm či blízko něho. Tahle myšlenka je v rozporu s kosmologickým principem, který, jak si jistě vzpomínáte, vychází z předpokladu, že ve vesmíru neexistuje Stvořitel, plán ani účel. Proto tedy myšlenka, že bychom snad mohli žít v centru vesmíru či blízko něho, je naprosto nepřijatelná pro všechny, kdo zastávají ateistické a/nebo nebiblické názory.

Není tak snadné popsat reálnou prostorovou strukturu vesmíru, protože nemáme žádný nezávislý kalibr vesmírných vzdáleností. Takže hledí-li astronomové do mapy podobné té na obrázku 1, vidí ve skutečnosti mapu rudých posuvů a směrů na obloze, ze kterých k nám dorazilo světlo. A pak k tomu, aby zjistili vzdálenost zdrojové galaxie, musí předpokládat Hubbleův zákon.

Může však existovat cesta, jak rozlišovat mezi oběma zmíněnými možnostmi. Jak jsem se již zmínil, pokud střed galaktických struktur o velkých rozměrech se kryje s naší galaxií, znamenalo by to, že máme co dělat s pouhým důsledkem rudých posuvů, a nikoli s podstatnou vlastností reálného prostoru – i když i toto by také nebylo možno dokázat, protože prostě nemáme nezávislý kalibr vzdáleností. Pokud se však střed soustředných galaktických slupek překrývá v prostoru ještě i v jiném bodě, pak to svědčí o reálné prostorové struktuře, a nikoli o pouhém důsledku účinku rudého posuvu v prostoru.

Ve svém druhém článku (11) jsem objevil skutečnou prostorovou superstrukturu, obsahující zřejmě milióny galaxií, ve které byly upřednostňovány galaxie ležící na periodicky prostorově koncentrických slupkách se středem vzdáleném asi 26.86 h^-1 Mpc od nás. Nikdo zatím toto nevyvrátil. Udělal jsem předpoklad, že pro malé rudé posuvy platí, že hledíme na rozložení galaxií v prostoru podle jejich rudých posuvů. Pak jsem vše doplnil o algoritmus, který by uměle posunul střed v reálném prostoru, přepočítal, co všechno by obnášely všechny ty rudé posuvy, kdybychom je nahlíželi z tohoto nového středu, určil N(z), a přepočítal FT z tohoto nového N(z). Pak jsem porovnal hodnotu druhého Fourierova vrcholu (prostorového intervalu rudého posuvu), abych zjistil, kde by měl být skutečný fyzický střed. Ten leží tam, kde se nachází maximum na amplitudě Fourierova vrcholu.

Zjistil jsem, že střed soustředných slupek s Δz ≈ 0.027, které jsou nejlépe patrné z obrázku 1, se nekryje s polohou naší Galaxie v prostoru, nýbrž že leží zhruba o 26.86 h^-1Mpc čili kolem 125 milionů světelných let od nás (za předpokladu, že h = 0.72). To je stále relativně malá vzdálenost v měřítku analyzované velkoprostorové struktury – rozprostírající se na ploše mnoha miliard světelných let.

Blízko středu masivní superstruktury čítající miliony galaxií

Důkazy hovoří ve prospěch těch jevů, které vycházejí z reálné struktury prostoru, protože sférické slupky periodického rudého posuvu nemají střed v naší Galaxii. Kdyby šlo o systematický důsledek zkreslení v důsledku pozorování, očekávali bychom, že středem slupek bude pozorovatel. Třebaže všechny výzkumy ještě neskončily a jsou potřeba další analýzy, máme důkazy o supermasivní reálné prostorové struktuře, možná zahrnující mnoho milionů galaxií, s naší Mléčnou dráhou umístěnou někde poblíž jejího středu, nikoli však ve středu samotném.

Každopádně máme zcela zvláštní místo, duchovně jako střed Boží pozornosti a možná i fyzicky někde blízko středu největší galaktické struktury, kterou kdy člověk ve vesmíru pozoroval. Nejsme tu náhodou, nýbrž proto, že Bůh stvořil obyvatelnou Zemi, a proto, že nám chtěl ukázat svou slávu.

„Jeho věčnou moc a božství, které jsou neviditelné, lze totiž od stvoření světa vidět, když lidé přemýšlejí o jeho díle, takže nemají výmluvu“ (Římanům 1:20).

Jsou bez výmluvy.

Odkazy

1. For a more detailed and complete map, where luminosity is represented by colour, see: www.sdss.org/news/releases/galaxy_zoom.jpg.
2. Hartnett, J.G. and Hirano, K., Galaxy redshift abundance periodicity from Fourier analysis of number counts N(z) using SDSS and 2dF GRS galaxy surveys, Astrophysics and Space Science 318(1, 2):13–24, 2008; preprint available at: arxiv.org/abs/0711.4885.
3. I.e. Four standard deviations.
4. Hubble law: v = H0 r, where v is the velocity of the expansion of the universe, as determined by the redshift of the galaxies in it. Here redshift z = v/c for small redshifts, where c is the speed of light in vacuum. The distance to the galaxy is represented by r and H0 is the Hubble constant, which has been very difficult to determine but nowadays lies somewhere between 55 and 80 km/s/Mpc.
5. It essentially assumes that the galaxies in the universe are uniformly yet randomly distributed throughout the cosmos on some very large scale. Therefore all observers at all locations in the universe at the same epoch should see the same distribution of galaxies. There are no favoured places. Richard Feynman succinctly describes the problem of the Cosmological Principle:
   “ … I suspect that the assumption of uniformity of the universe reflects a prejudice born of a sequence of overthrows of geocentric ideas … It would be embarrassing to find, after stating that we live in an ordinary planet about an ordinary star in an ordinary galaxy, that our place in the universe is extraordinary … To avoid embarrassment we cling to the hypothesis of uniformity.” Feynman, R.P., Morinigo, F.B. and Wagner, W.G., Feynman lectures on gravitation, Penguin Books, London, p. 166, 1999.
6. The power spectrum is essentially the square of the Fourier frequencies in k-space but calculated with a windowing function. Here k=1/Δz is the inverse of the redshift interval.
7. Broadhurst, T.J., Ellis, R.S., Koo, D.C. and Szalay, A.S., Large-scale distribution of galaxies at the Galactic poles, Nature 343:726, 1990.
8. Hirano, K., Kawabata, K. and Komiya, Z., Spatial periodicity of galaxy number counts, CMB anisotropy, and SNIa Hubble diagram based on the universe accompanied by a non-minimally coupled scalar field, Astrophys. Space Sci. 315:53, 2008.
9. This situation would also be indistinguishable from real space structure exactly centred on our galaxy.
10. Einstein made this remark to Ernst Straus, his assistant from about 1950–1953 at the Institute for Advanced Study at Princeton (Holton, G., Einstein’s third paradise, Daedalus, Fall 2003, pp. 26–34; p. 30, www.aip.org/history/einstein/essay-Einsteins-Third-Paradise.pdf, accessed 7 May 2010).
11. Hartnett, J.G., Fourier analysis of the large scale spatial distribution of galaxies in the universe; in: Proceedings of the 2nd Crisis in Cosmology Conference, Potter, F. (Ed.), Port Angeles, WA, ASP Conference Series 413:77–97, 2009.