Kosmos doskonale czarny

NAGRODA NOBLA 2006
Kosmos doskonale czarny
Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2006 otrzymali John Cromwell Mather z NASA Goddard Space
Flight Center i George Fitzgerald Smoot z Uniwersytetu
Kalifornijskiego w Berkeley. Obaj Laureaci urodzili się
w Stanach Zjednoczonych w 1945 r. Nagrodzono ich za
„odkrycie anizotropii mikrofalowego promieniowania tła
(MPT) i potwierdzenie jego termicznego charakteru”.
termicznym o temperaturze kilku kelwinów. Promieniowanie to jest reliktem pierwotnej, gorącej plazmy, w której
cząstki materii i światła pozostawały w równowadze termodynamicznej na początku kosmicznej ewolucji. W tych
początkowych chwilach po Wielkim Wybuchu materia wypełniająca Wszechświat była bardzo gęsta i bardzo gorąca
(miała temperaturę biliardów stopni – przeszło milion razy
wyższą niż w centrum Słońca). Wskutek rozszerzania się
Wszechświata materia robiła się coraz rzadsza i coraz zimniejsza. Kilkaset tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, gdy
temperatura spadła do ok. 3000 K, nastąpiła rekombinacja wodoru i Kosmos stał się przezroczysty dla promieniowania. W ciągu 14 miliardów lat, które upłynęły od
Wielkiego Wybuchu, temperatura promieniowania obniżyła się do 2,7 K, ale zachowany został jego termiczny
charakter. Taka właśnie jest dziś temperatura Kosmosu!
Cała przestrzeń jest wypełniona tym promieniowaniem –
w każdym centymetrze sześciennym wokół nas jest około
300 fotonów MPT. Maksimum natężenia odpowiada falom
o długości 1,9 mm. Jest to najstarsze promieniowanie we
Wszechświecie. Na dotarcie do nas zużyło czas równy niemal wiekowi Wszechświata. Jednocześnie pochodzi ono
z najodleglejszych obszarów, jakie możemy obserwować.
John Mather przedstawia na konferencji prasowej zorganizowanej w NASA kilka dni po przyznaniu Nagrody Nobla za
rok 2006 jedne z pierwszych danych uzyskanych przy użyciu
satelity COBE (fot. NASA/Bill Ingalls)
To już druga Nagroda Nobla przyznana za badania
MPT. Pierwszą, w 1978 r., otrzymali Arno Penzias i Robert Wilson za odkrycie tego promieniowania w połowie
lat sześćdziesiątych. Odkrycie to zapoczątkowało rozwój
nowoczesnej kosmologii i raz na zawsze przemieniło ją
z (pseudo)filozoficznych spekulacji w szczegółową naukę
empiryczną.
Promieniowanie, o którym mowa, zwane też kosmicznym promieniowaniem reliktowym, jest pozostałością po
pierwszych 300 tysiącach lat po Wielkim Wybuchu, który
14 miliardów lat temu zapoczątkował ewolucję Wszechświata. Teoria Wielkiego Wybuchu prowadzi do trzech
fundamentalnych przewidywań. Po pierwsze, przestrzeń
powinna się rozszerzać i to zostało potwierdzone odkryciem przez Edwina Hubble’a, w latach dwudziestych ubiegłego wieku, zjawiska „ucieczki galaktyk”, obserwowanego jako przesunięcie linii widmowych ku czerwieni.
Po drugie, atomy we Wszechświecie powinny występować przede wszystkim w postaci wodoru i helu (wszystkie
cięższe to jedynie śladowa domieszka) i to zostało potwierdzone przez Cecilię Payne-Gaposchkin jeszcze w latach trzydziestych. Trzecie przewidywanie, wysunięte pod
koniec lat czterdziestych przez George’a Gamowa, mówiło, że cały Kosmos jest wypełniony promieniowaniem
2
George Smoot przy detektorze fal centymetrowych wykorzystanym w latach siedemdziesiątych do pomiaru anizotropii dipolowej MPT z samolotu U2 (jeszcze przed budową i użyciem
do pomiarów satelity COBE)
Penzias i Wilson zbadali jedynie podstawowe własności tego promieniowania – przybliżony termiczny charakter i izotropię; z każdego kierunku dociera do nas promieniowanie o takim samym (w przybliżeniu) natężeniu.
Innymi słowy, w każdym miejscu niebo jest tak samo ciepłe (a raczej zimne!). Mapa nieba, obserwowanego wtedy
POSTĘPY FIZYKI
TOM 58
ZESZYT 1
ROK 2007
Nagroda Nobla 2006
w zakresie fal centymetrowych, nie wykazywała żadnych
szczegółów, było to bowiem jakby zdjęcie tego niemowlęcego Wszechświata zrobione marnym aparatem, przy użyciu mało czułej kliszy.
Przez ćwierć wieku astronomowie szukali szczegółów na tym zdjęciu. Starali się też potwierdzić planckowski
charakter widma. Sprawa była niebagatelna. Te szczegóły
to nic innego jak „obraz” najstarszych struktur, a właściwie protostruktur we Wszechświecie – pierwotnych zagęszczeń i rozrzedzeń w kosmicznej plazmie, w epoce,
gdy nie było jeszcze nie tylko planet i gwiazd, ale nawet
galaktyk czy gromad galaktyk. Z tych zagęszczeń powstały
później, w wyniku niestabilności grawitacyjnej, obiekty
w Kosmosie. Znalezienie fluktuacji w rozkładzie temperatury MPT było więc potwierdzeniem hipotezy o powstawaniu kosmicznej struktury wskutek tej niestabilności. Obserwacje MPT prowadzone z Ziemi są trudne. Poszukiwane
fluktuacje są bardzo małe, zaledwie rzędu jednej stutysięcznej kelwina.
Sama Ziemia i atmosfera są źródłami bardzo silnego
szumu mikrofalowego, z którego niełatwo wyłowić kosmiczny sygnał. Maksimum w rozkładzie i wienowska
część widma przypada na podczerwień. Atmosfera uniemożliwiała więc bezsprzeczne potwierdzenie termicznego
charakteru promieniowania MPT – przesądzałby on o jego
pochodzeniu, a niezaburzone widmo – o spokojnej, adiabatycznej ekspansji Wszechświata.
Mather i Smoot stali na czele zespołu ludzi, którzy do
obserwacji MPT zbudowali i wykorzystali satelitę COBE
(COsmic Background Explorer) oraz analizowali uzyskane
wyniki. Na początku lat dziewięćdziesiątych, dzięki danym zebranym przez tę sondę, zespół Mathera i Smoota
opublikował pierwszą mapę nieba oglądanego w zakresie
mikrofalowym, na której widoczne były fluktuacje w rozkładzie temperatury MPT (patrz okładka). Było to fantastycznym potwierdzeniem teorii Wielkiego Wybuchu i teorii powstawania struktury (np. galaktyk) we Wszechświecie. Jednocześnie z wielką dokładnością potwierdzono termiczny charakter tego promieniowania, co oznaczało, że
dobrze rozumiemy procesy fizyczne, jakie zachodziły podczas ewolucji Kosmosu w ciągu 14 miliardów lat. Kosmos
okazał się najdoskonalszym ciałem doskonale czarnym, jakie znamy, struktura rzeczywiście powstała w wyniku nie-
stabilności grawitacyjnej, a przez prawie 14 mld lat Kosmos podlegał spokojnej, adiabatycznej ekspansji.
Satelita COBE (źródło: NASA/COBE Science Team)
Kosmologia przeżywa swój złoty wiek. Zaledwie
15 lat temu Mather i Smoot publikowali pierwsze mapy
fluktuacji MPT, o rozdzielczości zaledwie 7 stopni kątowych, a dziś, wciąż pracująca w Kosmosie sonda WMAP
(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) dostarcza map
o rozdzielczości ok. 10 minut kątowych (por. okładka)
i dokonuje pomiarów polaryzacji liniowej MPT. W roku
2007 planowane jest wystrzelenie przez ESA (European
Space Agency) sondy Planck. Będzie ona miała jeszcze większą czułość, jeszcze lepszą zdolność rozdzielczą,
a także możliwość pomiaru polaryzacji kołowej MPT. Polaryzacja taka byłaby narzucana fotonom MPT przez tło fal
grawitacyjnych, pochodzących z epoki kosmicznej inflacji.
Jej wykrycie byłoby pierwszym dowodem na to, że inflacja rzeczywiście zaszła, i pozwoliłoby określić, w jakiej
chwili (tj. przy jakich energiach) to się stało. Jeśli polaryzacja kołowa fotonów MPT zostanie wykryta, to zapewne
będzie trzecia Nagroda Nobla za badanie mikrofalowego
promieniowania tła.
Stanisław Bajtlik
CAMK PAN
Warszawa
NASZA OKŁADKA:
Mapy nieba przedstawiające fluktuacje temperatury mikrofalowego promieniowania tła; współrzędne galaktyczne, odwzorowanie Mollweidego. Fluktuacje odzwierciedlają zaburzenia w rozkładzie materii, z których powstała obserwowana struktura – gromady i supergromady galaktyk oraz wielkie pustki między nimi.
U góry: ważona kombinacja liniowa (ang. Internal Linear Combination Map) pięciu map częstości promieniowania otrzymanych
POSTĘPY FIZYKI
TOM 58
ZESZYT 1
za pomocą sondy WMAP (źródło: NASA/WMAP Science Team);
użyte wagi minimalizują wkład tła galaktycznego, tak by powstał
niezaburzony obraz anizotropii MPT; liniowa skala fluktuacji wokół temperatury 2,73 K od −200 do +200 µK. U dołu: zredukowana mapa MPT po odjęciu promieniowania dipolowego i galaktycznego, zmierzona przez satelitę COBE (źródło: NASA/COBE
Science Team).
ROK 2007
3