Iz česa je sestavljeno vesolje? Zahvaljujoč novim podatkom s satelita Planck lahko na takšna in podobna vprašanja odgovorimo z večjo natančnostjo kot kadarkoli prej. V spodnjem sestavku predstavljamo najnovejša odkritja satelita Planck, ki so bila objavljena dne 21.3.2013.
Veliki pok - napoved, da se je vesolje začelo iz vročega, gostega in hitro rastočega stanja - nam pove, od kje je prišlo dandanašnje hladno, z zvezdami in galaksijami posejano vesolje, ki se širi.
Prav tako pa nam ta model podaja zelo izvrstno napoved: ker je bilo vesolje nekoč vroče in gosto, mora obstajati zelo velika količina sevanja, ki je ostala od takrat. Vendar ker se je vesolje do danes razširilo in ohladilo, je to sevanje zelo hladno (le nekaj stopinj nad absolutno ničlo) in difuzno.
Da bi zaznali takšno sevanje danes, moramo zgraditi teleskope oziroma satelite, ki so sposobni zaznavati te specifične valovne dolžine svetlobe. Vendar pa tu pride do še ene težave: svetloba, ki jo vidimo danes kot ostanek Velikega poka ali prapoka, je svetloba oddana takrat, ko je bilo vesolje staro 380.000 let. Do takrat se je vesolje razširilo in ohladilo dovolj, da so se tvorili prvi nevtralni atomi in svetloba je lahko pobegnila. Vendar pa to ne pomeni, da je lahko nemoteno potovala do današnjega dne, saj je lahko na svoji poti srečala razne ovire. In to ne le zvezd, prahu in plina v naši Galaksiji, ampak tudi snov in energijo vzdolž celotnega opazljivega vesolja. Pri opazovanju takšnega sevanja moramo tako najprej odstraniti vse prispevke, ki jih prispeva naša Galaksija, ter vse prispevke, ki so posledica porazdelitve snovi po vesolju.
Slednje je sicer zelo zanimivo področje proučevanja, vendar nas zanima svetloba, ki je ostala od Velikega poka. Ko vse ostale prispevke razumemo, lahko proučujemo enakomerno temperaturo ozadja - ki znaša 2,7255 stopinj Kelvina - in se posvetimo majhnim fluktuacijam te temperature vesolja na skali mikro Kelvina. Te fluktuacije in njihova porazdelitev nam povedo, kakšno je bilo vesolje takoj po Velikem poku, kot tudi iz česa je sestavljeno. Preden se posvetimo temu bolj natančno, si na spodnji sliki oglejmo, kako satelit Planck vidi vesolje:
V zgodnjih devetdesetih letih prejšnjega stoletja je satelit COBE izmeril prvo natančno "karto" mikrovalovnega sevanja ozadja (krajše prasevanja) in njegovih fluktuacij. Njegova resolucija, okrog 7 stopinj, je bila mnogo slabša kot pol stopinje, ki jo je dosegel satelit WMAP približno desetletje kasneje.
Kaj pa Planck? Planck je tako občutljiv, da limite do katerih lahko vidi niso postavljene z občutljivostjo detektorjev, ampak z osnovnimi astrofizikalnimi zakonitostmi našega vesolja. Z drugimi besedami: nemogoče bo kadarkoli posneti boljše slike tega stanja vesolja, kot jih je posnel satelit Planck.
Vendar kar je še bolj zanimivo kot sama slika je to, kaj se lahko iz nje naučimo o vesolju. Naštejmo le nekaj najpomembnejših stvari, saj je seznam 30-ih člankov, ki so jih nedavno objavili v kolaboraciji Planck, precej zajeten zalogaj.
Vesolje ima VEČ SNOVI in se širi POČASNEJE kot smo mislili prej. Hubblova konstanta, ki meri hitrost širjenja vesolja, je bila leta 2001 s pomočjo satelita Hubble določena na 72 +- 7 km/s/Mpc. Misije, ki so sledile, so bolj ali manj odkrile podobne vrednosti Hubblove konstante, okrog 70 km/s/Mpc.
Najnovejša meritev satelita Planck pa kaže na vrednost Hubblove konstante 67,3 +- 1,2 km/s/MPc. To vrednost določijo iz "karte" fluktuacij v prasevanju oziroma njihovih korelacij na različnih skalah. Z uporabo teoretičnih modelov, na katere prilagajajo parametre, preverjajo, kateri model se najbolje ujema z opazovanji. Najnovejša vrednost Hubblove konstante je torej nižja kot je bilo prej ocenjeno, čeprav je še vedno v mejah napake prejšnjih meritev.
Ker je Hubblova konstanta manjša kot je bilo prej ocenjeno, bi to na prvi pogled pomenilo, da če bi spremenili samo ta parameter, bi bilo vesolje skoraj milijardo let starejše kot smo domnevali prej. Vendar pa je Planck postregel še z nekaterimi ostalimi spremembami v parametrih: delež temne energije v vesolju je manjši, kot smo prej mislili, medtem ko je delež temne in barionske snovi večji kot je bil ocenjen prej.
Namesto vesolja, ki je sestavljeno iz 73% temne energije, rezultati kažejo da je le te okrog 68-69%. Za temno snov rezultati namesto prejšnjih 22% kažejo na 26-26,5%. Navadne, barionske snovi (iz katere smo sestavljeni tudi mi) pa je v vesolju namesto prej domnevanih 4,6% sedaj 4,9%. Prav tako še vedno ni izmerjena ali opažena kakšna prostorska ukrivljenost vesolja:
Z drugimi besedami: v vesolju je malo več navadne snovi, precej več temne snovi in precej manj temne energije kot so podajali prejšnji rezultati. Torej, kljub temu da bi na podlagi manjše vrednosti hitrosti širjenja vesolja domnevali, da je vesolje mnogo starejše (skoraj milijardo let), je sprememba deležev sestavnih komponent vesolja tehtnico prevesila.
Vesolje, ki bi bilo 100% sestavljeno le iz navadne in temne snovi, bi bilo staro okrog 10 milijard let. Vendar najnovejši podatki satelita Planck, ki kažejo na razmerje 31,5% celotne snovi proti 68,5% celotne temne energije, nam dajo vedeti, da je vesolje staro 13,81 milijard let, oziroma je okrog 80 milijonov let starejše kot smo domnevali na podlagi prejšnjih rezultatov. Kakorkoli, ta številka se še vedno ujema z okvirom napake prejšnjih meritev.
Zanimiva ugotovitev satelita Planck je povezana tudi s številom družin nevtrinov. Morda se spomnite, da je WMAP satelit izmeril, da naj bi bila neka dodatna, sterilna vrsta nevtrinov prisotna v vesolju, kar je nepričakovano glede na Standardni model. Planck je tej špekulaciji postavil konec: v vesolju so prisotne le 3 vrste nevtrinov, torej sterilnih nevtrinov ni. Vsota mas teh družin nevtrinov je manj kot 0,18 eV:
Kar se tiče študija inflacije je Planck iskal indice za prvinske gravitacijske valove, ki bi lahko potrdili določene modele inflacije oziroma zavrgli nekatere. Čeprav ti podatki še niso bili popolnoma analizirani (opazujejo polarizacijo prasevanja), so iz do sedaj analiziranih podatkov uspeli zavreči hibridni model inflacije, prav tako pa so določeni kaotični modeli inflacije malo verjetni.
Na zgornji sliki vidimo nekatere modele inflacije in njihove napovedi, rezultati satelita Planck pa kažejo, da je najbolj verjeten model kar najbolj preprost potenčni model. Skalarni spektralni indeks, ali prvinski naklon (primordial tilt), znaša malo manj kot ns = 1 (ns = 0,96). Spekter moči, ki ga kaže spodnja slika, prikazuje kako lahko meritve satelita Planck razlikujejo med napovedmi inflacije in kako lahko razlikujejo med spektrom z ns = 1 in ns = 0,96:
Če na kratko povzamemo najnovejše meritve satelita Planck, izvemo:
- JA za inflacijo, NE za gravitacijske valove iz nje.
- JA za tri zelo lahke nevtrine, kot jih napoveduje Standardni model, NE za kakšne dodatne nevtrine.
- JA za malenkost počasnejše širjenje vesolja in JA za malenkost starejše vesolje, NE za kakršnokoli prostorsko ukrivljenost vesolja.
- JA za več temne in navadne snovi, JA za malo manj temne energije.
Vir: Starts With A Bang blog; Planck Collaboration: P.A.R. Ade et al., 2013, A&A preprint