Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
W marcu 2014 r. świat naukowy zelektryzowała publikacja wyników eksperymentu BICEP2 – superczułego radioteleskopu zainstalowanego na Biegunie Południowym – dotyczących „niemowlęcego” stanu Wszechświata. Dane potwierdzały tzw. inflacyjną teorię ekspansji Wszechświata – popularną wśród teoretyków, lecz dotychczas nieudowodnioną. Na dodatek zdawały się potwierdzać istnienie fal grawitacyjnych, przewidzianych przed stuleciem przez Alberta Einsteina.
Publikację wyników eksperymentu zauważyła nawet prasa popularna. Jednak po początkowej euforii pojawiły się pierwsze głosy krytyczne. Wyniki uzyskane przez obserwatorów z Bieguna Południowego stały w sprzeczności z danymi pochodzącymi z satelity Planck. W obu urządzeniach badano różne aspekty tego samego zjawiska – tzw. mikrofalowego promieniowania tła. Uzgodnienie tych rezultatów wymagało zaawansowanej i drobiazgowej analizy całego szeregu efektów, zarówno fizycznych, jak i statystycznych, mogących mieć wpływ na końcową interpretację. 13 marca 2015 r. naukowcy z BICEP2 i projektu Planck opublikowali wyniki wspólnej analizy, które potwierdziły początkowe obawy.
Sensacyjny efekt rzekomo zaobserwowany z Bieguna Południowego został prawdopodobnie spowodowany przez zwykły pył galaktyczny.
Żeby zrozumieć, o co to całe zamieszanie, musimy cofnąć się aż do początku Wszechświata.
Wszechświat robi „selfie”
Pod koniec lat 20. XX w. Georges Lemaître i Edwin Hubble odkryli niezależnie, że galaktyki oddalają się od siebie. Uczonych doprowadziło to do wniosku, że Wszechświat się rozszerza. A skoro tak, musiał istnieć stan początkowy, nazwany Wielkim Wybuchem, kiedy to w każdym punkcie przestrzeni gęstość materii i temperatura były nieskończone. Z tego stadium, poprzez kosmiczną ekspansję, Wszechświat przechodził do kolejnych etapów swej ewolucji, w trakcie których stopniowo tworzyły się pierwiastki chemiczne, a wreszcie galaktyki z gwiazdami i planetami. Uznawana początkowo w środowisku naukowym za egzotykę, teoria Wielkiego Wybuchu stała się fundamentem astrofizyki wraz z odkryciem tzw. mikrofalowego promieniowania tła (promieniowania reliktowego). Ok. 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu nastąpiła tzw. faza rekombinacji, w czasie której protony połączyły się z elektronami, tworząc atomy wodoru. Procesowi temu towarzyszyła emisja promieniowania elektromagnetycznego, które nie mogło już zostać pochłonięte przez neutralną materię. To trochę tak, jakby Wszechświat zrobił sobie „selfie”.
W 1948 r. Ralph Alpher i Robert Herman wyliczyli, iż to „zdjęcie” wczesnego Wszechświata powinno być dla nas widoczne. Ze względu na rozszerzanie się Wszechświata, temperatura promieniowania tła powinna być jednak znacznie niższa niż w czasie, gdy ono powstało (zdjęcie „pożółkło” – a właściwie „poczerwieniało”). 16 lat później amerykańscy inżynierowie Arno Penzias i Robert Wilson odkryli w skonstruowanej przez siebie antenie niespodziewany szum w paśmie mikrofalowym. Szybko okazało się, że jest to właśnie mikrofalowe promieniowanie tła, którego temperatura dokładnie zgadzała się z wyliczeniami teoretyków. Nawiasem mówiąc, Penzias i Wilson wcale nie szukali promieniowania reliktowego, a zaprojektowana przez nich antena miała służyć do badania możliwości komunikacji satelitów. Odkrycie amerykańskich inżynierów ugruntowało teorię Wielkiego Wybuchu, podnosząc ją do rangi Standardowego Modelu Kosmologicznego, a z samej kosmologii uczyniło pełnoprawną dziedzinę nauki.
Kosmiczny bulion
Pomimo dobrej zgodności z obserwacjami, teoria Wielkiego Wybuchu prowadzi do głębokich problemów natury koncepcyjnej. Jeden z nich wiąże się z faktem, iż obserwowana gęstość materii we Wszechświecie jest bliska pewnej gęstości krytycznej. Gdyby była wyższa, galaktyki uciekałyby coraz wolniej, aż w końcu Wszechświat zacząłby się kurczyć. Co więcej, z równań Einsteina wynika, że im młodszy był Wszechświat, tym gęstość materii musiała być bliżej owej wartości krytycznej. To oznacza, iż „warunki początkowe” Wielkiego Wybuchu były bardzo szczególne. Innymi słowy, Wielki Wybuch musiał zostać niebywale precyzyjnie „zaprogramowany”, żeby mógł wyewoluować w taki Wszechświat, jaki obserwujemy.
Roger Penrose (na podstawie pojęcia entropii) oszacował, iż prawdopodobieństwo losowego wygenerowania naszego Wszechświata jest nieporównywalnie mniejsze niż prawdopodobieństwo zajścia tak nieprawdopodobnego zdarzenia jak spontaniczne powstanie Układu Słonecznego wraz z Ziemią i jej mieszkańcami poprzez losowe zderzenia atomów. Jeżeli zatem chcemy naukowo wyjaśnić tę niebywałą koincydencję, musimy szukać wskazówek poza Standardowym Modelem Kosmologicznym.
Druga poważna trudność koncepcyjna w teorii Wielkiego Wybuchu to tzw. problem horyzontu. Ma on swoje źródło w obserwacji, iż Wszechświat na dużych skalach wygląda z grubsza tak samo (niczym garnek zupy), choć w lepszym przybliżeniu widzimy oczywiście rozmaite struktury, jak na przykład galaktyki (w naszej zupie pośród bulionu też znajdziemy warzywa czy grzanki). Podobnie ma się sprawa z mikrofalowym promieniowaniem tła, tym „selfie” młodego Wszechświata. Temperatura promieniowania tła jest niemal taka sama w każdym fragmencie nieba, a lokalne odchylenia różnią się od średniej dopiero na piątym miejscu po przecinku. Jeśli jednak założymy standardową ekspansję Wszechświata, dojdziemy do wniosku, iż poszczególne rejony wczesnego Wszechświata, z których dotarło do nas promieniowanie tła, nie miały szansy się ze sobą skomunikować. Innymi słowy, nie upłynęło dość czasu, aby zaszło zjawisko termalizacji, analogiczne do procesu mieszania się ciepłej i zimnej wody w wannie.
Inflacja dobra na wszystko?
Na początku lat 80. XX w. Aleksiej Starobinski, Alan Guth i Andrei Linde równolegle odkryli, że jeśli założymy, iż na bardzo wczesnym etapie rozwoju Wszechświata miała miejsce faza dramatycznie szybkiej ekspansji, tzw. inflacji, to wówczas daje się wyjaśnić oba wspomniane problemy kosmologiczne. W czasie fazy inflacyjnej gęstość materii jest drastycznie „spychana” w kierunku gęstości krytycznej. Ponadto inflacyjna ekspansja rozdmuchałaby Wszechświat tak bardzo, że wszystkie obszary, które widzimy na mapie mikrofalowego promieniowania tła, miałyby wystarczająco dużo czasu, aby „uzgodnić” swą temperaturę. W typowym scenariuszu inflacyjnym obserwowalny Wszechświat zwiększa swoją wielkość 10^26 razy w czasie 10^(-33) sekundy. To tak, jakby rozdmuchać proton do rozmiarów Słońca w czasie bilion bilionów razy krótszym, niż zajmuje wykonanie jednej operacji binarnej przez domowy komputer.
Jak jednak możemy się przekonać, czy faza inflacyjna rzeczywiście się wydarzyła? Śladów owej gwałtownej ekspansji należy szukać właśnie w mikrofalowym promieniowaniu tła. Na początku fazy inflacyjnej, oprócz zaburzeń gęstości materii we Wszechświecie, prowadzących do obserwowanych nieregularności na mapie promieniowania tła, powstały także tzw. zaburzenia tensorowe. Te ostatnie to nic innego jak słynne fale grawitacyjne przewidziane przez Einsteina już w 1916 r. Można je sobie wyobrażać jako „zmarszczki przestrzeni” zmieniające się w czasie, podobne do fali powstałych na powierzchni wody po wrzuceniu kamienia.
Pomimo mocnego pośredniego dowodu na istnienie fal grawitacyjnych, do dziś nie zostały one bezpośrednio zaobserwowane. Fale grawitacyjne wyemitowane podczas procesu inflacji pozostawiłyby po sobie charakterystyczny ślad w postaci miniaturowych wirów na mapie polaryzacji mikrofalowego promieniowania tła. Odkrycie takich właśnie znamion ogłosili przed rokiem naukowcy z eksperymentu BICEP2. Trudność polega jednak na tym, że do złudzenia podobny sygnał generuje pył galaktyczny. Po poprawnym uwzględnieniu tego efektu okazało się niestety, że wpływ pyłu jest tak duży, iż nie da się odróżnić, czy rzekoma inflacja miała wpływ na obserwowaną mapę polaryzacji, czy też nie.
Czy zatem wspólna analiza uczonych z BICEP2 i Plancka pokazała, że hipoteza inflacji jest nieprawdziwa? W żadnym wypadku! Mówi ona tylko tyle, że teleskop BICEP2 miał zbyt małą zdolność rozdzielczą, aby „wyłuskać” efekt pochodzący z epoki inflacyjnej, jeżeli takowa faktycznie miała miejsce.
Multum modeli
Choć postulat inflacji kosmologicznej wydaje się kuszący, wymaga on jednak odpowiedzi na pytanie: co wywołało rzekomą fazę inflacyjną? Równania Einsteina mówią, że krzywizna czasoprzestrzeni zależy od rozkładu materii. W kontekście kosmologicznym oznacza to, iż różne formy materii prowadzą do różnego tempa ekspansji Wszechświata. Problem polega na tym, że żadna ze znanych nam form materii nie mogła wywołać dramatycznie szybkiej ekspansji wymaganej przez postulat inflacyjny. A zatem konstrukcja realistycznego scenariusza inflacyjnego wymaga zaproponowania nowej formy materii. Przez ostatnie 30 lat powstało multum modeli postulujących istnienie nowych cząstek o mniej lub bardziej egzotycznych właściwościach. Część z nich została obalona dzięki nowym danym z satelity Planck, większość jest jednak niezagrożona.
Ta właśnie cecha hipotezy inflacyjnej – brak jasnego mechanizmu leżącego u jej podstaw – sprawia, że część naukowców uważa ją za błędną, a przynajmniej nieuzasadnioną. Twierdzą oni, że hipoteza inflacyjna zamiast rozjaśniać, komplikuje nasz obraz Wszechświata, gdyż pod pozorem wyjaśnienia starych problemów generuje nowe, wprowadzając ad hoc formę materii o niezbadanych własnościach. Roger Penrose argumentuje, że rozwiązanie problemu horyzontu jest jedynie iluzoryczne, gdyż na długo przed fazą rekombinacji nastąpiły inne procesy, które również wymagały natychmiastowego „uzgodnienia” we wszystkich krańcach Wszechświata. Podobnego zdania jest Paul Steinhardt, który walnie przyczynił się do rozwoju teorii inflacyjnej, a teraz stał się jej zagorzałym krytykiem. Jakiś czas temu na łamach „Nature” podważał on wręcz naukowość hipotezy inflacyjnej argumentując, iż zawsze da się tak dobrać własności nowej formy materii, aby odtwarzała dowolne wyniki obserwacji. A to już poważny problem metodologiczny.
Według Steinhardta „wpadka” naukowców z BICEP2 pokazała, jak bardzo fizycy są zafiksowani na idei inflacji, a także objawiła fundamentalną słabość tej ostatniej, jeśli chodzi o przewidywanie nowych efektów. Istotnie, temperatura panująca w czasie rzekomej epoki inflacyjnej odpowiada skali energii 11 rzędów wielkości większej niż energie, jakimi dysponujemy w najmocniejszym w historii akceleratorze LHC. Zatem zbadanie jakichkolwiek własności hipotetycznej „nowej materii” w naziemnym eksperymencie jest na razie niemożliwe.
Co zatem wiemy dzisiaj? Wielki Wybuch jest teorią naukową, która doskonale opisuje rozszerzający się Wszechświat. Jednym z jej kluczowych przewidywań jest emisja mikrofalowego promieniowania tła w czasie rekombinacji ok. 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu. Promieniowanie to obserwujemy od 50 lat w coraz dokładniejszych eksperymentach. Ze szczegółowych cech tegoż promieniowania możemy wydedukować, jak wyglądał Wszechświat już 10^(-11) sekundy po Wielkim Wybuchu. Co więcej, warunki panujące w niemowlęcym Wszechświecie potrafimy odtworzyć w eksperymentach akceleratorowych takich jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN. Ale wszystko, co zdarzyło się wcześniej niż 10^(-11) sekundy po Wielkim Wybuchu jest wciąż owiane tajemnicą – i nie powinno być uznawane za część Standarowego Modelu Kosmologicznego.
Jedną z najbardziej popularnych hipotez naukowych jest kosmiczna inflacja, trwająca od 10^(-36) do 10^(-32) sekundy po Wielkim Wybuchu, w czasie której Wszechświat drastycznie zwiększył swój rozmiar. Mocnym argumentem na rzecz tej hipotezy byłoby zaobserwowanie śladów pierwotnych fal grawitacyjnych, które omyłkowo zidentyfikowano w eksperymencie BICEP2. Na razie jednak tej kropki nad „i” brakuje. Być może uda się ją postawić dzięki nowemu teleskopowi BICEP3, który niebawem zacznie pracę. Możliwe jednak, że koncepcja inflacji nie jest trafiona, a do pełniejszego zrozumienia Wszechświata potrzebujemy zupełnie nowych pomysłów.
Pewne jest jedno: niebo skrywa przed nami jeszcze wiele tajemnic. Coraz dokładniejsze obserwacje jeszcze nieraz wprowadzą naukowców w zakłopotanie. ©
Autor jest matematykiem i fizykiem, pracuje na Uniwersytecie Jagiellońskim; członek Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych.
Model Wielkiego Wybuchu
Zgodnie z modelem Wielkiego Wybuchu, początkowy stan Wszechświata charakteryzował się ogromną gęstością energii, a tym samym niebotyczną temperaturą. W trakcie kosmicznej ewolucji Wszechświat zaczął się rozszerzać, a zarazem ochładzać. Wraz ze stopniowym obniżaniem się temperatury z gorącej „kosmicznej zupy” zaczęły wyłaniać się znane cząstki elementarne, które „pozlepiały się” w neutralne atomy. Kolejno zaczęły powstawać coraz bardziej złożone struktury, aż do galaktyk wraz z gwiazdami i planetami.
Mikrofalowe promieniowanie tła
Na pierwszym obrazku: Mapa temperatury mikrofalowego promieniowania tła sporządzona przez satelitę PLANCK – obszary niebieskie są minimalnie (na piątym miejscu po przecinku) chłodniejsze niż obszary czerwone. Te nieregularności wywołane były różnicami gęstości materii wczesnego Wszechświata, co z kolei stanowiło zaczyn do powstania gigantycznych i złożonych struktur, takich jak układy planetarne czy galaktyki. Na drugim obrazku: Charakterystyczne wirowe struktury w mapie polaryzacji mikrofalowego promieniowania tła zaobserwowane przez teleskop BICEP2. Początkowo wzięto je za słynne fale grawitacyjne, ale najprawdopodobniej są wywołane pyłem galaktycznym.
Hipoteza inflacyjna
Według hipotezy inflacyjnej Wszechświat zwiększył swój rozmiar 10^26 razy w czasie ok. 10^(-33) sekundy po Wielkim Wybuchu. Skutkiem tego zostały wyemitowane fale grawitacyjne, których śladów naukowcy szukają w mikrofalowym promieniowaniu tła. Fazę inflacyjną miałaby uruchomić nowa forma materii o niezbadanych właściwościach.
Modele kosmologiczne
Standardowy Model Kosmologiczny dopuszcza istnienie trzech różnych typów ewolucji kosmicznej. To, która z nich będzie realizowana, zależy od średniej gęstości materii we Wszechświecie. Jeśli gęstość jest mniejsza od pewnej wielkości krytycznej, wówczas Wszechświat zacznie się kurczyć na pewnym etapie swojej ewolucji (krzywa czerwona), zaś jeśli jest ona większa to Wszechświat będzie się wiecznie rozszerzać (krzywa niebieska). Obserwacje astrofizyczne wskazują, iż gęstość materii jest zbliżona do gęstości krytycznej, a ewolucji naszego Wszechświata (bez uwzględnienia stałej kosmologicznej) odpowiada zielona krzywa na powyższym wykresie.
