Astronomowie znaleźli kolejny dowód, że Wielki Wybuch naprawdę miał miejsce. Uczeni z University of Chicago i University of California w Berkeley potwierdzili, że mikrofalowe promieniowanie tła (Cosmic Microwave Background, CMB) jest spolaryzowane. Korzystając ze znadującego się na Antarktydzie teleskopu Degree Angular Scale Interferometer (DASI) przez 200 nocy obserwowali dwa fragmenty nieba w poszukiwaniu polaryzacji fotonów. Gdyby go nie znaleziono, kosmologowie musieli by ponownie przemyśleć to, co wiedzą o wczesnym Wszechświecie.

19 września na konferencji COSMO-02 badacze ze znajdującej się na Biegunie Południowym stacji Amundsen-Scott South Pole Station ogłosili, że udało im się zmierzyć polaryzację mikrofalowego promieniowania tła (CMB). Jest to pierwszy udany pomiar polaryzacji CMB. Odkryte w 1964 roku CMB jest pozostałością bardzo wczesnego etapu ewolucji naszego Wszechświata i niesie istotne informacje o jego młodości.

Promieniowanie tła pozwala astronomom na wiele sposobów testować teorie dotyczące wczesnego Wszechświata. Jak się obecnie uważa, kiedy Wszechświat powstał około 14 miliardów lat temu w Wielkim Wybuchu, był niesłychanie gęsty i gorący. Promieniowanie tła powstało, gdy materia i promieniowanie elektromagnetyczne przestało ze sobą oddziaływać. Stało się to około 300 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Początkowo promieniowanie to miało bardzo wysoka temperaturę, jednak w czasie ekspansji przestrzeni ochłodziło się do obecnej temperatury wynoszącej 2,73 kelwina.

Za pomocą DASI, w czasie wcześniejszych badań, zespół astronomów kierowany przez Johna Carlstroma z Chicago zmierzył fluktuacje w promieniowaniu tła. Te fluktuacje, lub jak kto woli anizotropie, są odbiciem rozkładu materii krótko po Wielkim Wybuchu. Stanowią one coś w rodzaju stop-klatki ukazującej niemowlęctwo Wszechświata, a różne temperatury odpowiadają różnej gęstości materii.

Poświata Wielkiego WybuchuS&T

Mapy rejonów nieba obserwowanych przez Interferometr Poziomu Nierównomierności Tła (Degree Angular Scale Interferometer – DASI), wykorzystywanego w jednym z eksperymentów mających na celu przeprowadzenie pomiarów mikrofalowego promieniowania tła Kosmosu. Każde z pól o szerokości 3,4 stopnia kątowego prezentuje mapę różnic temperatury poświaty Wielkiego Wybuchu wynoszącą w przybliżeniu 0,0003 Kelvina. Rozdzielczość obrazów wynosi 1/3 stopnia.

Aby ożywić ten obrazek astronomowie poszukiwali polaryzacji. “Zaletą polaryzacji jest to, że bezpośrednio opisuje dynamikę młodego Wszechświata” – powiedział Carlstrom.

Światło słoneczne i większość światła, z którym mamy do czynienia jest niespolaryzowane, fale świetlne mają losową orientację. Fala świetlna ulega polaryzacji przy odbiciu lub rozproszeniu na pewnych powierzchniach, a także wtedy, gdy występują gradienty temperatury (tak jak we wczesnym Wszechświecie). DASI mierzy tę polaryzację, rejestrując ilość światła o różnych kierunkach drgań pola elektromagnetycznego. Różnica w ilości i polaryzacji kosmicznego promieniowania tła opisuje przepływy materii.

Polaryzacja fal polega na takim ich drganiu, które wyróżnia w przestrzeni jakąś płaszczyznę (np. fale drgają tylko w płaszczyźnie pionowej) lub kierunek (np. fale drgają jednocześnie obracając płaszczyznę drgań po okręgu lub elipsie).

Polaryzacja mikrofalowego promieniowania tła została przewidziana jako część teorii inflacji. DASI dodała kolejny kamień do rosnącej góry dowodów wspierających modele teoretyczne Wszechświata mówiące, że jest on złożony głównie z ciemnej energii i rozszerza się coraz szybciej.

Piękny obraz współczesnej kosmologii ma wiele szczegółów, których nie rozumiemy, ale wierzymy że jest on prawdziwy” – powiedział Clem Pryke, profesor astronomii i astrofizyki w University of Chicago, członek zespołu DASI. – “Uzyskany wynik był bardzo ważnym testem, jaki ten obraz musiał przejść“.

Z teoretycznych dociekań wynikało, że CMB powinno być spolaryzowane, mniej więcej od czasu, gdy ostatni raz oddziaływało z materią. Pomiary polaryzacji, a nawet samo jej wykrycie, dostarczyłoby niezwykle cennych, i niezależnych od pomiarów samej temperatury, informacji o stanie bardzo młodego Wszechświata.

Jednak efekt polaryzacji, ponad dziesięciokrotnie słabszy od efektu zmian temperatury, przez długie lata wymykał się eksperymentatorom. By zmierzyć różnice temperatur DASI potrzebował 92 dni pracy. Aby zmierzyć polaryzację, naukowcy badali dwa punkty nieba przez 200 dni.

Możliwość mierzenia polaryzacji CMB pozwoli astronomom bezpośrednio mierzyć fale grawitacyjne czyli zmarszczki występujące w czasoprzestrzeni. Według Michaela Turnera z University of Chicago, “Wykrycie polaryzacji otwiera nam nowe okno do badania najwcześniejszych momentów istnienia i odpowiadania na trudne pytania“.

O ile odkrycie zostanie potwierdzone przez inne eksperymenty, jest niewątpliwym kolejnym przełomem w badaniach astronomicznych. Fakt, że zmierzona przez DASI polaryzacja zgadza się z przewidywaniami teoretycznymi, świadczy zaś o tym, że nasze koncepcje rozwoju Wszechświata są bliskie prawdy.

Odkrycie otwiera nową erę badań CMB. Wzrastająca dokładność pomiarów może nawet potroić ilość otrzymywanych informacji i umożliwić wiele nowych odkryć.

Autor

Michał Matraszek