Mimo wcześniejszych informacji o możliwym odkryciu, wspólna analiza danych z satelity Planck oraz naziemnych obserwatoriów BICEP2 oraz Keck Array nie wskazała jednoznacznych dowodów na istnienie pierwotnych fal grawitacyjnych, których źródłem miałaby być postulowana teoretycznie kosmiczna inflacja.

Wszechświat powstał około 13,8 miliarda lat temu i ewoluował z ekstremalnie gorącego, gęstego i jednorodnego stanu do obecnie obserwowanego bogactwa struktur. Najważniejszym źródłem wiedzy o wczesnym Wszechświecie jest Kosmiczne Mikrofalowe Promieniowanie Tła (ang. Cosmic Microwave Background, CMB), wyemitowane około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Astronomowie badają je przy pomocy wielu instrumentów, tak naziemnych jak i znajdujących się w przestrzeni kosmicznej.

CMB obrazuje Wszechświat taki, jaki był w momencie jego emisji, jednak astronomowie wciąż starają się w danych znaleźć informacje na temat jego wcześniejszych faz ewolucji. Szczególnie poszukiwane są znaczniki kosmicznej inflacji – bardzo krótkiego okresu, w trakcie którego Wszechświat rozszerzał się niezwykle szybko. Inflacja jest niezbędną częścią obecnie przyjmowanego modelu kosmologicznego i bez niej nie da się wyjaśnić różnych własności Wszechświata, między innymi izotropowości Promieniowania Tła. Jednym z przewidywanych rezultatów inflacji są fale grawitacyjne, które powinny pozostawić swój ślad w CMB.

Mikrofalowe Promieniowanie Tła, podobnie jak każde światło, może być spolaryzowane, jednakże jest takie jedynie w kilku procentach. Rozkład polaryzacji CMB na niebie jest skomplikowany, ale można go rozdzielić na dwa podstawowe wzorce: mody B (skręcone) oraz mody E (proste). Wpływ inflacji powinien być dostrzegalny w modach B. Jednakże wiele zjawisk we Wszechświecie przyczynia się do powstawania obydwu typów polaryzacji, a ich wpływ jest różny w różnych skalach kątowych. Identyfikacji wkładów od różnych procesów wymaga ekstremalnie precyzyjnych pomiarów.

W marcu zeszłego roku (o czym Kosmiczna inflacja potwierdzona?„>pisaliśmy) zespół astronomów pracujących przy instrumencie BICEP2 (znajdującym się na biegunie południowym) zaprezentował wyniki bazujące na obserwacjach polaryzacji CMB w małym fragmencie nieba. Wykorzystane zostały także wstępne wyniki pochodzące z innego instrumentu ulokowanego na biegunie południowym, Keck Array. Zespół BICEP2 ogłosił odkrycie modów B znacznie silniejszych niż spodziewane, a nadmiar ten przypisał wpływowi pierwotnych fal grawitacyjnych. Publikacja tych wyników wywołała duży oddźwięk wśród społeczności naukowej.

Jednakże istnieje jeszcze jeden czynnik dający podobny efekt: pył, będący składnikiem ośrodka międzygwiazdowego naszej galaktyki. Droga Mleczna jest wypełniona mieszaniną gazu i pyłu, promieniujących w podobnych zakresach co CMB. Potrzebna jest zatem skrupulatna analiza, aby móc oddzielić wpływ tego, co znajduje się „na pierwszym planie” w naszej galaktyce od Promieniowania Tła. Dodatkowo pył także emituje spolaryzowane światło, co czyni interpretację jeszcze trudniejszą.

Niebo w różnych zakresach widziane przez satelitę Planck. Mapy zorientowane są tak, że przez ich środek biegnie dysk Drogi Mlecznej. Copyright: ESA and the Planck Collaboration

Zespół BICEP2 w swoich analizach polegał na modelach galaktycznej emisji pyłu, które były dostępne w tamtym czasie. Wynikało z nich, że w obserwowanym obszarze nieba wkład pochodzący od pyłu jest dużo mniejszy niż całkowite zaobserwowane natężenie modów B. Jednak we wrześniu zeszłego roku zespół Plancka opublikował dane, które świadczyły o tym, że spolaryzowana emisja pyłu jest znacząca na całym obszarze nieba, a jej natężenie porównywalne jest z sygnałem wykrytym przez BICEP2.

Instrumenty naziemne zbierały dane w zakresie tylko jednej częstotliwości mikrofalowej, co uniemożliwiało odseparowanie emisji pochodzącej od CMB i od pyłu. Jednak satelita Planck obserwował niebo w zakresie 9 różnych częstotliwości, z których w 7 możliwy był pomiar polaryzacji. Zespoły Placka i BICEP2 połączyły zatem swoje siły, aby wspólnie jeszcze raz przeanalizować dane, łącząc możliwości oceny emisji pyłu w danych satelitarnych, z dużo większą czułością instrumentów naziemnych.

Wyniki badań zostały przesłane wczoraj do recenzji w „Physical Review Letters”. Po odjęciu emisji pyłu Drogi Mlecznej od zaobserwowanego sygnału modów B polaryzacji okazało się, że nie można stwierdzić wpływu pierwotnych fal grawitacyjnych na Mikrofalowe Promieniowanie Tła. Tym samym kosmiczna inflacja nadal pozostaje niepotwierdzona.

Innym możliwym źródłem modów B w CMB jest oddziaływanie na jego fotony masywnych struktur, takich jaki gromady galaktyk. Efekt ten zwany jest „soczewkowaniem grawitacyjnym”, jako że jest powodowany przez obiekty zakrzywiające promienia światła, podobnie jak szkło powiększające. Wspólne wyniki Plancka i BICEP2 są zgodne z tym efektem, po raz pierwszy odkrytym przez zespół South Pole Telescope w 2013 roku.

W efekcie soczewkowania grawitacyjnego trajektoria fotonów Mikrofalowego Promieniowania Tła jest zakrzywiana przez wielkoskalową strukturę Wszechświata, co obserwowane jest jak mody B polaryzacji. Copyright: ESA and the Planck Collaboration

Nowe wyniki nie wykluczają inflacji, a jedynie nakładają górne ograniczenie na amplitudę pierwotnych fal grawitacyjnych. Ograniczenie to jest zgodne z wcześniejszymi wynikami Plancka oraz z przewidywaniami teoretycznymi. Sygnał pochodzący od fal grawitacyjnych może być obecny w Mikrofalowym Promieniowaniu Tła, ale aby go wykryć potrzebne są czulsze instrumenty oraz lepsze modele promieniowania pyłu w Drodze Mlecznej. Problem inflacji zatem nadal pozostaje otwarty.

Autor

Grzegorz Gajda