Donedávna sa zdalo, že nikdy nedokážeme získať podrobnejšie informácie o počiatku nášho vesmíru – Veľkom tresku. Prvopočiatočné médium existujúce v ranom vesmíre bolo totiž pre svetlo nepriehľadné. Pokiaľ však tesne po počiatku sveta existovali aj intenzívne gravitačné vlny, stojí za pokus pomocou štúdia týchto vĺn hľadať, čo sa vtedy vo vesmíre dialo. Podarilo sa však existenciu týchto prvotných gravitačných vĺn potvrdiť?
„Vedci intenzívne študujú výsledky teleskopov skúmajúcich reliktné žiarenie, zatiaľ však nemajú nezvratné dôkazy pre existenciu prvotných gravitačných vĺn, ani proti nej“.
Vedecké novinky sa často podsúvajú verejnosti v extrémne zjednodušenej podobe, ale o to s bombastickejším označením. Pomenovanie Higgsovho bozónu božskou časticou je len jedným, aj keď vypuklým príkladom. V marci tohto roku médiá priniesli titulky ako Objav potvrdzujúci teóriu Big Bangu a iné bombastické titulky. Aj renomovaný časopis Nature v polovici marca tohto roku prispel s názvom Teleskop zaznamenal obraz gravitačných vĺn. Pretože rozumná popularizácia vedy má nepochybne pozitívny vplyv na spoločnosť, snažíme sa v októbrovom čísle časopisu Quark objasniť, o čo vlastne v tomto prípade ide, a tiež spôsob, ako to vedci dosiahli.
Prvotné nerovnomerné rozloženie hmoty
Izotropiu pozorovaného reliktného vesmírneho žiarenia mierne narúša náš pohyb (Zeme spolu s celou Slnečnou sústavou) oproti mikrovlnnému pozadiu. V dôsledku relatívneho pohybu zdroja a pozorovateľa (Dopplerov jav) sa mení vlnová dĺžka pozorovaných elektromagnetických vĺn. Preto pozorujeme o niečo vyššiu intenzitu v smere pohybu a naopak, o niečo nižšiu v opačnom smere. V tepelnom vyjadrení predstavuje tento rozdiel len 3,3 mK, je teda asi 800-krát menší oproti samotnému žiareniu. Ešte jemnejšie rozdiely v pozorovanej intenzite mikrovlnného žiarenia, vyjadrené v tepelnej škále na úrovni len 30 μK (100 000-krát menšie ako samotné žiarenie), sa namerali medzi oblasťami oblohy pozorovanými pod vzájomnými uhlami väčšími ako 10°. Pod uvedeným uhlovým rozostupom pozorujeme totiž také oblasti vesmíru, ktoré v čase vzniku mikrovlnného žiarenia nemohli byť v príčinnej súvislosti (kauzálne závislé). Inými slovami, tieto malé variácie teploty (či intenzity) mikrovlnného žiarenia odrážajú prvotnú nerovnomernosť rozloženia hmoty (energie) vo veľmi ranom vesmíre a majú pôvod pravdepodobne ešte pred dobou označovanou ako inflačná fáza vývoja vesmíru.
Čo nám môže prezradiť polarizácia
Každé žiarenie sa okrem intenzity a charakteristického spektra frekvencií, resp. vlnových dĺžok dá charakterizovať aj polarizáciou. A práve sledovanie polarizácie reliktného kozmického žiarenia je základom súčasných diskusií o možnostiach štúdia raného vesmíru.
Fyzici si už dlho uvedomujú, že polarizácia mikrovlnného žiarenia môže ukrývať dôležité informácie o histórii vesmíru. Lenže nízka intenzita signálu reliktného žiarenia doteraz neumožňovala jeho pozorovania v jednotlivých rovinách polarizácie. Nádejou pre súčasné pozorovania je pokrok vo vývoji detektorov žiarenia pracujúcich pri veľmi nízkych teplotách. Súčasné experimenty sledujúce mikrovlnné vesmírne žiarenie využívajú kombinovanú schému anténneho systému a tepelného detektora.
Antarktické teleskopy sledujúce reliktné žiarenie
Vodné pary v atmosfére silno pohlcujú reliktné žiarenie, a to je hlavný dôvod, prečo sú teleskopy pracujúce na frekvenciách pri ktorých reliktné žiarenie dosahuje maximálnu intenzitu umiestnené v Antarktíde. Priamo na južnom póle vedci postavili hneď dva teleskopy – BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization experiment) a SPT (South Pole Telescope), pričom ďalšie sú aj na antarktických výskumných staniciach iných krajín.
Kozmická sonda verzus Antarktída
Asi je namieste otázka, či je konštrukcia zložitého detekčného systému na sledovanie polarizácie mikrovlnného žiarenia a jeho prevádzka v extrémnych podmienkach Antarktídy zmysluplná. Podstatne presnejšie meranie polarizácie mikrovlnného reliktného žiarenia už vykonala sonda Planck, vzdialená 1,5 milióna km od Zeme v okolí tzv. druhého Lagrangeovho bodu. Toto meranie však nie je zatiaľ vyhodnotené, výsledky analýz sa očakávajú v najbližšom čase.
Zmysel prevádzky teleskopov typu BICEP2 spočíva v tom, že umožňuje meranie opakovať, zmeniť aparatúru a oblasť pozorovania, čo v prípade kozmických sond po vyčerpaní zásob kryogénnych kvapalín možné nie je. Navyše prevádzka vedeckých zariadení v Antarktíde – aj napriek ich zložitosti – je omnoho lacnejšia než vývoj kozmických sond a ich doprava do vesmíru.
Pochybnosti nad výsledkami
Z prvotného signálu sa po zložitých analytických procedúrach podarilo získať informáciu o polarizácii, v ktorej bola potvrdená prítomnosť B-módov. Ich prítomnosť signalizuje, že v ranom vesmíre existovali intenzívne gravitačné vlny. Ďalšie analýzy a úvahy širšej komunity vedcov naštrbili dôveru v pozorovanie potvrdzujúce existenciu gravitačných vĺn v ranom vesmíre z viacerých dôvodov. Prvým je skutočnosť, že pozorovaný bol len malý kúsok viditeľnej oblohy, konkrétne 380 štvorcových stupňov, čo je len 1/170 celej oblohy. Druhým je možný vplyv galaktického prachu, ktorý by mohol vysvetliť minimálne 15 % z pozorovaného efektu. Ďalej prichádza do úvahy ovplyvnenie reliktného žiarenia veľkými hmotnými telesami vo vesmíre (gravitačné šošovky).
Vzhľadom na niektoré problematické časti analýzy primárneho signálu teleskopu BICEP2 je namieste počkať si na ďalšie výsledky, najmä zo sondy Planck, a spolu s komentárom z Nature konštatovať, že zatiaľ nemáme dôkaz pre existenciu prvotných gravitačných vĺn, ani proti nej.
Autor: doc. RNDr. Pavol Valko, CSc., Ústav jadrového a fyzikálneho inžinierstva, Fakulta elektrotechniky a informatiky STU, Bratislava
Foto a ilustrácie: ESA – D. Ducros a http://bicepkeck.org
Viac sa dočítate v časopise Quark (číslo 10/2014).
Uverejnila: ZČ