Nasłuchiwanie echa wielkiego wybuchu

Pod koniec 2012 r. mają zostać opublikowane wyniki bardzo precyzyjnych
kilkuletnich badań mikrofalowego promieniowania tła przeprowadzonych przez sondę
kosmiczną Planck. Istnieje szansa, że nowe informacje pozwolą na wejrzenie w
początek wszechświata zainicjowany wielkim wybuchem.

Mikrofalowe promieniowanie tła

Od roku 1929 wiemy, że odległe galaktyki oddalają się od nas z prędkością
wprost proporcjonalną do odległości od Ziemi. Dowodzi to ekspansji wszechświata,
podczas której galaktyki odsuwają się jedna od drugiej. Oznacza to, że we
wcześniejszych chwilach wszechświat miał większą gęstość materii i zgodnie z
prawami fizyki jego średnia temperatura była wyższa niż obecnie. Około 13,7
miliarda lat temu, czyli 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu wszechświata, jego
średnia temperatura wynosiła ponad 3000 K i wszechświat wypełniała plazma, tj.
zjonizowany gaz złożony głównie z elektronów i protonów. W takim gorącym
wszechświecie nie mogło rozchodzić się światło. Możemy zatem obserwować
wszechświat tylko do odległości około 13,7 miliarda lat świetlnych. Światło nie
może więc do nas dotrzeć z większej odległości. Obserwowalny przez nas
wszechświat ma zatem postać kuli o takim właśnie promieniu, w której centrum
jesteśmy. Nie wiemy, co znajduje się na zewnątrz tej kuli.

Kula ta, czyli dostępna dla naszych obserwacji część wszechświata, zwana
obserwowalnym wszechświatem, ma ogromne, trudne do uzmysłowienia rozmiary. Chcąc
pomóc naszej wyobraźni, przyjmijmy, że Droga Mleczna, będąca ogromnym systemem
gwiezdnym zawierającym około 300 miliardów gwiazd, w tym Słońce, mająca w
przybliżeniu kształt dysku, ma średnicę 1 mm. W tej skali promień obserwowalnego
wszechświata wynosi około 140 m, czyli 140 000 mm. Kula ta jest wypełniona
prawie równomiernie co najmniej 200 miliardami galaktyk, z grubsza milimetrowej
wielkości, oddalonych jedna od drugiej średnio o kilka centymetrów. Zauważmy, że
promień tej kuli w ciągu ostatnich 100 tysięcy lat zwiększył się w obranej skali
tylko o 1 mm, a więc w skali czasu istnienia ludzkiej cywilizacji jest
praktycznie niezmienny. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, obecnie
najdokładniej potwierdzoną eksperymentalnie teorią fizyczną, galaktyki oddalają
się od siebie, ponieważ unoszone są przez rozszerzającą się przestrzeń. Oznacza
to, że największa odległość, z której dociera do nas promieniowanie, w przyjętej
skali wynosi obecnie nie 140 m, lecz około 420 m.
W momencie ostatniego rozproszenia, 13,7 miliarda lat temu, promieniowanie to
odpowiadało promieniowaniu ciała doskonale czarnemu o temperaturze około 3000 K
i o długości fali światła widzialnego na poziomie 4-8 dziesięciotysięcznych mm.
Nim dotarło do Ziemi, na skutek rozszerzania się przestrzeni, długość jego fali
wzrosła do zakresu 1-5 mm, czyli do zakresu mikrofal. Z tego powodu
promieniowanie elektromagnetyczne docierające do nas z tej największej
odległości nazywa się mikrofalowym promieniowaniem tła. Odpowiada to
promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze około 2,7 K. Odkrycie
tego promieniowania w 1965 roku dowodzi, że wczesny wszechświat był bardzo
gorący i że powstał w procesie, który nazywamy wielkim wybuchem.

Mikrofalowe promieniowanie tła okazało się praktycznie niezależne od kierunku
jego obserwacji, co świadczy o tym, że wczesny wszechświat był niezwykle
jednorodny. Na początku lat dziewięćdziesiątych satelita COBE (Cosmic Background
Explorer – Badacz Tła Kosmicznego) odkrył jednak niewielkie różnice temperatury
tego promieniowania rzędu jednej stutysięcznej. Świadczą one o tym, że w
pierwotnej plazmie istniały niewielkie zagęszczenia i rozrzedzenia. Te pierwotne
niejednorodności w rozkładzie materii doprowadziły później do powstania
wieloskalowej struktury wszechświata przejawiającej się w przestrzennym
rozkładzie galaktyk i gromad galaktyk.

Mikrofalowe promieniowanie tła zawiera informacje o najdawniejszej
przeszłości wszechświata, dlatego jego dokładne zbadanie należy do
najważniejszych zadań nauki.

Wielki wybuch

Rodzi się zasadnicze i niezwykle trudne pytanie o fizyczne przyczyny
wielkiego wybuchu wszechświata. Na to pytanie próbuje odpowiedzieć kosmologia
kwantowa, według której najprostszy scenariusz początku wszechświata mógł być
następujący. Na mocy praw fizyki kwantowej spontanicznie powstał wszechświat o
mikroskopijnej objętości i zerowej energii, co wynika z ogólnej teorii
względności, zawierający tylko tzw. ciemną energię o bardzo dużej gęstości
(energii w jednostce objętości). Mówimy o spontanicznej kreacji wszechświata,
ponieważ w fizyce kwantowej istnieją zjawiska, np. rozpad w danej chwili
konkretnego jądra pierwiastka promieniotwórczego, których przyczyn nie możemy
poznać metodami fizycznymi. Innymi słowy, przyczyny niektórych zjawisk
fizycznych są transcendentne względem metodologii badań fizycznych. Nie oznacza
to jednak, że filozoficzna zasada przyczynowości jest nieprawdziwa.

Podstawową cechą ciemnej energii jest jej niezależność od objętości
wszechświata, ponieważ jest to energia zawarta w samej przestrzeni. Ta cecha
ciemnej energii generuje ujemne ciśnienie, które powoduje błyskawiczny i z
narastającą szybkością wzrost objętości wszechświata. Proces błyskawicznego
narastania objętości przestrzeni wszechświata nazywa się inflacją kosmologiczną,
a ciemną energię najczęściej utożsamia się z tak zwaną fałszywą próżnią.

Czym jest jednak fałszywa próżnia? Fascynującą konsekwencję fizyki kwantowej
stanowi fakt, że pusta przestrzeń, w której nie ma cząstek, wcale nie jest
pusta. Przez cały czas spontanicznie (z punktu widzenia fizyki kwantowej)
kreowane i unicestwiane są w niej pary cząstek. Cząstki te noszą nazwę cząstek
wirtualnych. Pary różnych wirtualnych cząstek stale powstają i znikają. Cząstki
wirtualne, podobnie jak cząstki rzeczywiste, mogą oddziaływać ze sobą. Z tego
powodu mogą istnieć różne stany próżni. Stan próżni o nie najniższej energii
nazywa się właśnie stanem fałszywej próżni. Podczas inflacji kosmologicznej pary
wirtualnych cząstek mogą zostać znacznie szybciej rozdzielone, niż ulec
anihilacji. Dzięki temu, kosztem energii fałszywej próżni, wirtualne cząstki
stały się cząstkami rzeczywistymi. Stan fałszywej próżni uległ załamaniu i
gwałtownie zmalała gęstość ciemnej energii. Kosztem tej energii powstały nagle w
szybko rozszerzającym się wszechświecie rzeczywiste cząstki, tworzące plazmę o
ogromnej gęstości i bardzo wysokiej temperaturze. Nastąpił proces
wszechświatowej detonacji, zwany wielkim wybuchem. Powstałe w wielkim wybuchu
rzeczywiste cząstki przyciągają się wzajemnie dzięki siłom grawitacyjnym, co
spowodowało spowolnienie ekspansji wszechświata. Nastąpił koniec inflacji
kosmologicznej. Stopniowo zmniejszała się gęstość i temperatura plazmy
wypełniającej wszechświat, która 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu osiągnęła
temperaturę około 3000 K i dopiero poniżej tej temperatury wszechświat stał się
przezroczysty dla światła.

Fale grawitacyjne

Z ogólnej teorii względności Einsteina wynika, że niewielkie zaburzenia
geometrii przestrzeni rozchodzą się w pustej przestrzeni z prędkością światła w
próżni. Są to tak zwane fale grawitacyjne. Dowolne ciało, które w trakcie ruchu
nie zachowuje symetrii sferycznej i nie porusza się ruchem prostoliniowym,
emituje fale grawitacyjne. Fale grawitacyjne, tak jak fale elektromagnetyczne,
są falami porzecznymi, to znaczy, że drgają w płaszczyźnie prostopadłej do
kierunku ich rozchodzenia się. Sposób drgań na tej płaszczyźnie nazywa się
polaryzacją fali. Gdy drgania odbywają się w jednym kierunku na tej
płaszczyźnie, to mówimy, że fala spolaryzowana jest liniowo.

Podobnie jak fale elektromagnetyczne fale grawitacyjne mogą przenosić
informację i energię od źródła, które je wytwarza. Co więcej, fale grawitacyjne
mogą się rozchodzić w ośrodku, który pochłania wszystkie postacie promieniowania
elektromagnetycznego. Podobnie jak promieniowanie rentgenowskie pozwala
lekarzowi zajrzeć do wnętrza ciała pacjenta przez tkanki, które nie
przepuszczają światła, tak fale grawitacyjne powinny umożliwić badaczom
obserwację zjawisk astrofizycznych niedających się zobaczyć w żaden inny sposób.
Fal grawitacyjnych dotąd nie zarejestrowano bezpośrednio, niemniej obserwacje
astronomiczne potwierdzają, że fale takie generowane są przez układy podwójne
pulsarów, czyli szybko wirujących (do 600 obrotów na sekundę) nadzwyczaj gęstych
gwiazd neutronowych. Spodziewamy się, że najsilniejszym źródłem fal
grawitacyjnych był proces inflacji związany z wielkim wybuchem.

Jak już wiemy, plazma, która wypełniała wszechświat w ciągu pierwszych 380
tysięcy lat po wielkim wybuchu, była nieprzezroczysta dla promieniowania
elektromagnetycznego, natomiast fale grawitacyjne powstałe w okresie inflacji
mogły bez przeszkód rozchodzić się w tej plazmie. Te pierwotne, inflacyjne fale
grawitacyjne rozchodziły się po całym wszechświecie i 380 tysięcy lat później
pozostawiły ślad w postaci drobnych niejednorodności w mikrofalowym
promieniowaniu tła.

Niezwykle szybkie rozszerzanie się przestrzeni wszechświata w okresie
inflacji rozciągnęło mikroskopową długość fali grawitacyjnej do rozmiarów
makroskopowych. W ten sposób fale grawitacyjne odzwierciedlają warunki panujące
we wszechświecie w pierwszych chwilach po wielkim wybuchu. Jeżeli inflacyjne
fale grawitacyjne faktycznie istnieją, to są one najstarszymi reliktami we
wszechświecie, powstałym około 380 tys. lat przed wyemitowaniem mikrofalowego
promieniowania tła. Można powiedzieć, że stanowią one po prostu echo wielkiego
wybuchu.

Długości inflacyjnych fal grawitacyjnych mogą być zawarte w bardzo szerokim
przedziale od 1 cm do 1023 km, czyli do rozmiarów obecnie obserwowanego
wszechświata. Teoria inflacyjna przewiduje, że najdłuższe fale grawitacyjne
powinny mieć największe natężenie, ponieważ ich długość zależy od tempa
rozszerzania się wszechświata, proporcjonalnego do skali energii, w której
nastąpiła inflacja.

Pozostaje jednak problem, w jaki sposób rozróżnić, czy fluktuacje temperatury
mikrofalowego promieniowania tła wynikają z fluktuacji gęstości plazmy, czy
pochodzą od fal grawitacyjnych. Odpowiedź na to pytanie ma związek z
własnościami polaryzacyjnymi mikrofalowego promieniowania tła. W czasie, w
którym wszechświat stał się przezroczysty dla światła, fotony mikrofalowego
promieniowania tła po raz ostatni rozproszyły się na elektronach plazmy.
Niektóre z tych fotonów zderzyły się z elektronami pod dużym kątem i uległy
polaryzacji liniowej. Taki rodzaj polaryzacji mikrofalowego promieniowania tła
odkryto dopiero w 2002 roku, ponieważ efekt tej polaryzacji jest ponad dziesięć
razy słabszy od efektu zmian temperatury tego promieniowania.

Kluczem do detekcji inflacyjnych fal grawitacyjnych jest fakt, że zaburzenia
plazmy spowodowane przez fale grawitacyjne prowadzą do powstania innego rodzaju
rozkładu polaryzacji niż wywoływane niejednorodnościami gęstości cząstek. Fale
grawitacyjne mają wewnętrzną rotację, gdyż będąc zaburzeniami geometrii
przestrzeni, rozchodzą się jako lewo- lub prawoskrętne. Można powiedzieć, że
rozkład zaburzeń mikrofalowego promieniowania tła spowodowany przez fale
grawitacyjne ma różną od zera rotację, natomiast zaburzenia wytwarzane przez
niejednorodności w rozkładzie gęstości cząstek mają rotację zerową.

Jeżeli więc, na podstawie dokładnych pomiarów wykonanych przez sondę
kosmiczną Planck, będzie można zmierzyć polaryzację mikrofalowego promieniowania
tła i wydzielić część z różną od zera rotacją, to będzie można obliczyć
amplitudę bardzo długich fal grawitacyjnych powstałych podczas inflacji
kosmologicznej. Ponieważ amplituda tych fal jest określona przez gęstość ciemnej
energii wywołującej inflację, będzie także możliwe wyznaczenie jej wartości.

Sonda Planck została wyniesiona w przestrzeń kosmiczną przez europejską
rakietę Ariane 5 ECA 14 maja 2009 r. i skierowana na trajektorię transferową
prowadzącą do punktu Lagrange´a L2 układu Ziemia-Słońce oddalonego od Ziemi
półtora miliona kilometrów. Po ponad dwu latach badań, z nieosiągalną do tej
pory dokładnością, 14 stycznia 2012 r. zakończono piąty i zarazem ostatni
przegląd mikrofalowego promieniowania tła na całym firmamencie. Obecnie trwa
skomplikowana analiza uzyskanych wyników, które są na tyle precyzyjne, że być
może pozwolą na znalezienie echa wielkiego wybuchu w postaci zaburzeń
mikrofalowego promieniowania tła wywołanych przez inflacyjne fale grawitacyjne.
Wyniki tej analizy, na które z napięciem czekają kosmologowie z całego świata,
mają zostać opublikowane pod koniec tego roku.

Takie odkrycie rozszerzyłoby nasze zrozumienie wszechświata aż do znikomego
ułamka sekundy po wielkim wybuchu. Jeśli jednak inflację wywołały inne procesy
fizyczne, zachodzące później i przy niższej energii, sygnał fal grawitacyjnych
będzie zbyt słaby, aby go wykryć na podstawie wyników zebranych przez sondę
Planck.

Kosmologowie, nie mając dostatecznej wiedzy, nie są pewni, jak i czy w ogóle
doszło do inflacji kosmologicznej. Nie mogą więc określić wielkości sygnału
polaryzacyjnego spowodowanego inflacyjnymi falami grawitacyjnymi. Wykrycie tego
sygnału przez sondę Planck byłoby nie tylko niepodważalnym dowodem na to, że
inflacja faktycznie zaszła, ale również niezwykłą okazją do spojrzenia wstecz, w
najdalszą, możliwą do badania metodami fizycznymi przeszłość.

Prof. Zbigniew Jacyna-Onyszkiewicz
kierownik Zakładu Fizyki Kwantowej Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu