V tem tednu je skupina astronomov objavila analizo meritev polarizacije mikrovalovnega sevanja kozmičnega ozadja (ali krajše prasevanja) v okviru projekta BICEP2 na Antarktiki. Rezultati so preko zaznave B načina polarizacije, ki so jo povzročili prvobitni gravitacijski valovi, prvi neposreden dokaz za kozmično inflacijo, ki se je začela le 10-35 sekunde po samem začetku časa. Odkritje je izjemnega pomena, saj z neposrednim dokazom povezave med kvantno mehaniko in gravitacijo odpira celo novo poglavje fizike in obeta številna nova temeljna odkritja.

Leta 1920 je Edwin Hubble ugotovil, da se galaksije od nas oddaljujejo. Živimo namreč v vesolju, ki se razširja. Če v mislih čas zavrtimo nazaj, ugotovimo, da je bilo včasih vesolje manjše in je zato na neki točki imelo (skoraj) ničelno prostornino, vsebovalo pa je vso maso in energijo, ki ga napolnjuje danes. Trenutku, ko se je razširjanje vesolja pričelo, rečemo veliki pok ali prapok. To se je zgodilo pred 13,8 milijardami let. Toda astronomi so ugotovili nekaj nenavadnega. Najbolj oddaljeni vidni deli vesolja so danes 96 milijard svetlobnih let vsaksebi. Nemogoče je, da bi v tem času svetloba prepotovala tako razdaljo, vendar ta področja kljub temu izgledajo zelo podobno in imajo skupne lastnosti, kar pomeni, da so nekoč bila v 'kontaktu'.

Evolucija vesolja. Kozmična inflacija se je pričela le 10-35 sekunde po začetku časa. Vir: ESA / C. Carreau

Rešitev tega paradoksa so v zgodnjih 1980-tih med drugimi predlagali Alan Guth, Andrei Linde, Alexei Starobinsky, Andreas Albrecht in Paul Steinhardt. Njihova ideja, ki so jo imenovali inflacija, predvideva izjemno hitro razširjanje vesolja na samem začetku, in sicer le 0,00000000000000000000000000000000001 sekunde (10-35 sekunde) po začetku časa. V izjemno kratkem času je vesolje svoj volumen povečalo za več kot 1050-krat, kar pomeni, da je hitrost razširjanja močno prekašala hitrost svetlobe (to je možno zato, ker se je razširjalo samo vesolje, hitrost svetlobe pa je zgornja meja hitrosti le za objekte v njem). Inflacija je področja, ki so bila v tem času blizu skupaj in imela skupne lastnosti, premaknila daleč vsaksebi.

Inflacija reši dva problema. Prvi je opažena in zgoraj opisana homogenost ali gladkost vesolja. V nasprotnem primeru bi pričakovali, da je vesolje polno praznin ter področij, kjer je gostota mase in energije velika. Toda ko pogledamo oddaljeno in staro vesolje na zelo velikih skalah, opazimo, da je neverjetno gladko. Danes lahko s teleskopi izmerimo temperaturo zgodnjega vesolja in ugotovimo, kako gladko je v resnici. Ta temperatura znaša 2,7 K, pri tem pa največja krajevna nihanja znašajo le 0,00001 K! Uvedba inflacijske teorije reši problem gladkosti vesolja, podobno kot razteg zmečkanega lista zgladi gube. Po obdobju inflacije se je energija, ki je poganjala pospešeno širjenje, pretvorila v običajno snov in sevanje in od tukaj naprej se začne že znana zgodba o velikem poku.
Druga težava, ki jo reši uvedba inflacije, je ukrivljenost prostora. Začetna hitrost razširjanja vesolja je morala biti ravno pravšnja (do 59-tega decimalnega mesta natančno!), da je vesolje danes lahko geometrijsko ravno. Če namreč vzamemo dovolj majhen del ukrivljene površine in jo zelo napihnemo, se nam zdi ravna.

Rezultat triletnih meritev eksperimenta BICEP2: polarizacija prasevanja na izbranem predelu neba. Opazimo, kako se črni vektorji polarizacije v B načinu sučejo okoli barvastih področij največjih odstopanj temperature.

Vse te meritve so le posreden dokaz inflacije, sedaj pa so rezultati ekipe BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarisation) prvič neposredno pokazali, da se je inflacija zares zgodila! Inflacijski model napoveduje, da je tako intenziven proces med dogajanjem pustil prstne odtise, in sicer so se med samo inflacijo pojavili gravitacijski valovi. To so dobesedno majhna skrčenja in razširjenja prostora. Da gravitacijski valovi obstajajo, že vemo - leta 1993 sta Russell A. Hulse in Joseph H. Taylor prejela Nobelovo nagrado za fiziko za odkritje pulzarja v dvojnem sistemu, kjer prihaja do izgubljanja energije zaradi oddajanja gravitacijskih valov. Toda detekcija prvobitnih gravitacijskih valov, ki so nastali v obdobju inflacije, je izjemno težka. Zdi se, kot da nam je inflacija poslala telegram, šifriran s pomočjo gravitacijskih valov, naša naloga pa je, da ta zapis razvozlamo in razložimo.

Edino, kar lahko v astronomiji zaznamo in izmerimo, je svetloba. Najstarejša svetloba, ki jo danes lahko opazujemo, je mikrovalovno sevanje ozadja ali prasevanje. Ta svetloba je bila izsevana 380.000 let po velikem poku, ko se je vesolje že dovolj ohladilo, da je lahko prišlo do rekombinacije (vezave elektronov z atomskimi jedri oziroma protoni, saj vesolje večinoma sestavlja vodik). Po rekombinaciji so lahko fotoni po zadnjem sipanju na prostih elektronih nemoteno nadaljevali svojo pot po vesolju. Sipanje na elektronih je prasevanje polariziralo, podobno kot se svetloba polarizira pri odboju na površini ribnika. Pred enim letom so bili objavljeni rezultati zadnjih meritev prasevanja z vesoljskim teleskopom Planck, ki so pokazali, da je vesolje ogreto na temperaturo 2,7 K.

Prasevanje, kot so ga izmerili z vesoljskim teleskopom Planck. Rezultati so bili objavljeni lansko leto. Vir: ESA

Ker je bilo vesolje pred rekombinacijo za svetlobo neprosojno, danes neposredno opazovanje in meritve zgodnejšega vesolja tik po rojstvu ni mogoče. Eksperiment BICEP2 ni neposredno opazil prvobitnih gravitacijskih valov, pač pa efekte, ki so jih le-ti povzročili na prasevanju. Gravitacijski valovi so namreč polarizirali svetlobo, zato so se avtorji novega odkritja osredotočili na merjenje polarizacije prasevanja. Med prvimi, ki so opisali efekte gravitacijskih valov na prasevanje, je bil tudi Uroš Seljak.

Svetloba je lahko polarizirana na več načinov, vendar lahko le gravitacijski valovi povzročijo B način polarizacije. Najdba take vrste polarizacije v ostankih svetlobe velikega poka pomeni trden dokaz za gravitacijske valove in prav to vrsto polarizacije je zaznal teleskop BICEP2 na Antarktiki.

Medtem ko je satelit Planck premeril celotno nebo, je BICEP2 s 30-centimetrskim teleskopom na Antarktiki približno 3 leta, bolj ali manj brez prestanka, opazoval isti predel neba. Instrument sestavlja 512 superprevodnih detektorjev, ki ohlajeni na skoraj absolutno ničlo močno povečajo njegovo občutljivost. To je najobčutljivejši instrument za merjenje polarizacije, ki jih sploh lahko izdelajo, zatrjujejo vodilni člani eksperimenta.

Polarizaciji v E in B načinu. Le gravitacijski valovi so tisti, ki lahko povzročijo B način in tega so sedaj v prasevanju tudi izmerili. Vir: Sky & Telescope

Čeprav odkritje na prvi pogled nima nobene zveze z vsakdanjim življenjem, je izjemnega pomena za fiziko. Razumevanje procesa inflacije je ključna točka v evoluciji vesolja čisto od začetka po rojstvu vse do velikih struktur in detajlev. Ravno v obdobju inflacije so se v izjemno majhnem volumnu ustvarili zametki galaksij in vesolja, kakršnega poznamo danes. Obstaja veliko modelov inflacije in te meritve nam bodo pomagale pri odločitvi, kateri so pravi in kateri ne.

BICEP se nahaja na Antarktiki. Meritve so potekale skoraj tri leta, v tem času so bolj ali manj neprestano opazovali isti predel neba in merili polarizacijo prasevanja.

Kaj je povzročilo inflacijo, še vedno ostaja neznanka, vendar smo z novimi rezultati teleskopa BICEP2 že bližje odgovorom. Problem inflacije je, da zahteva novo fundamentalno poglavje fizike, ki gre preko poznanih štirih osnovnih sil, ki obstajajo v vesolju. V članku so izmerili energijo, ki je bila prisotna v času inflacije, in sicer je to 1016 GeV. To pa je že dovolj, da jakosti vseh štirih osnovnih sil (elektromagnetne, šibke, močne jedrske in gravitacijske) postanejo primerljive, kar vodi do t.i. teorije vsega. Inflacija je osnovana na principih kvantne mehanike, medtem ko so gravitacijski valovi v domeni Einsteinove splošne relativnosti. V preteklosti ta dva koncepta nista bila združljiva, toda sedaj imamo neposredno in temeljno povezavo med obema. To je lahko prvi dokaz, da je tudi gravitacija kvantne narave, tako kot ostale sile. Rezultat je nov in čaka nas še dolga pot do razumevanja. Ne vemo, kakšni bodo rezultati in do česa vse lahko to pripelje. Toda kadarkoli se odpre novo poglavje fizike, sledijo zelo zanimivi rezultati.

Odkritje skupine BICEP2 je tako pomembno, da se lahko primerja z odkritjem Higgsovega bozona na področju fizike osnovnih delcev, zato mnogi že omenjajo tudi Nobelovo nagrado. Kljub izjemnim rezultatom pa odkritje potrebuje nove potrditve, zato že načrtujejo eksperiment BICEP3, prav tako na Antarktiki, medtem ko Evropska vesoljska agencija preučuje polarizacijo z vesoljskim teleskopom Planck.

Članek, v katerem odkritje komentira slovenski kozmolog Anže Slosar, se nahaja tukaj.

Viri: Bad astronomy, RTVSLO, Astronomy Now, Astrobites, blog Seana Carolla