Versenyfutás a kozmosz első pillanatainak felderítéséért

A feltételezések szerint a világegyetem fiatal korának emlékeit őrző kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban nyoma lehet egy még korábbi időszaknak, a kozmikus infláció korának is, amikor az univerzum születését követően a másodperc apró töredékéig exponenciális ütemben növekedett.

Versenyfutás a kozmosz első pillanatainak felderítéséért

1. oldal

Bolygónk egyik legnagyobb távcsöve meglepően aprónak tűnik a kietlen antarktiszi tájban: a Déli-sark távcső (South Pole Telescope, SPT) 10 méteres tányérjának méretei csak közvetlen közelről tűnnek fel az ide látogatóknak. Az Egyesült Államok Amundsen-Scott kutatóállomásától pár száz méterre található létesítménynél kevés civilizációtól távolabb eső építmény akad a Földön, az itt dolgozó csillagászokat azonban a fogcsikorgató hideg sem zavarja különösebben, tekintve hogy korunk egyik legizgalmasabb kutatásának lehetnek részesei. Brad Benson, a Chicagói Egyetem munkatársa, az állomás vezető kutatója és kollégái egy tavaly üzembe helyezett, rendkívül érzékeny kamera segítségével az univerzum születésének első pillanatait igyekeznek vizsgálni, és ahogy a szakértő fogalmazott, az effajta kutatások lefolytatásához a Déli-sark jelenti az ideális helyszínt.

A jelenleg leginkább valószínűsített kozmológiai elmélet szerint, az újszülött világegyetem anyaga egy apró térrészben összpontosult, így rendkívül sűrű és hihetetlenül forró volt, tele nagyenergiájú sugárzással. Ahogy az univerzum tágulni kezdett, hőmérséklete fokozatosan csökkent, és a kezdeti sugárzás energiája is visszaesett, ahogy egyre nagyobb térrészben oszlott szét. 13,7 milliárd évvel a keletkezést követően a mindenhol jelenlevő kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB) vizsgálata jelenti a legjobb nyomot az univerzum fiatal korának és későbbi evolúciójának felderítésére. A kilencvenes évek űrkutatási eredményei például fényt derítettek arra, hogy a látszólag egységes háttérsugárzásban apró hőmérsékletingadozások figyelhetők meg, ami arra utal, hogy a világegyetem keletkezésének idején az anyagban az átlagosnál sűrűbb és ritkább régiók is akadtak, amelyek aztán döntően hozzájárultak az univerzum ma ismert szerkezetének kialakulásához.

A hat évvel ezelőtt megépült Déli-sark távcső fő feladata a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás minden korábbinál alaposabb vizsgálata. A CMB megfigyelésével kapcsolatban azonban akad egy kis probléma: a sugárzás intenzitásában észlelt szabálytalanságok révén legfeljebb a 380 ezer éves állapotokig lehet visszamenni. Az ezt megelőző időszakban ugyanis az űrt kitöltő forró plazma töltött részecskéi rögtön el is nyelték a kibocsátott fotonokat, vagyis a fénynek nem volt lehetősége megszökni. Ez csak akkor vált opcióvá, amikor az anyag lehűlt annyira, hogy a részecskék semleges atomokká álljanak össze, amire körülbelül 380 ezer évvel az ősrobbanás után került sor. A ma észlelt háttérsugárzás tehát a világegyetem átlátszóvá válásának időszakából származik, nem közvetlenül a születés pillanataiból.

És hogy mi is történhetett ezekben az első pillanatokban? A kozmikus infláció elmélete szerint az univerzum 10ˆ-36 másodperces korában exponenciális növekedésbe kezdett, és a másodperc töredéke alatt atomnál kisebb méretűről narancs nagyságúra növekedett. Ez a villámgyors tágulás mindössze a világegyetem 10ˆ-33 másodperces koráig tartott, innentől kezdve aztán jóval lassabb ütemben folytatódott a növekedés.

Az infláció elmélete összhangban áll a kvantummechanikai teóriákkal, és több űrkutatási projekt eredményei is áttételesen alátámasztják a feltevést. Arról nem is beszélve, hogy magyarázattal szolgál több kozmológiai rejtélyre is, a korai univerzumban jelen levő sűrűségingadozásokat például valamikori kvantumfluktuációk felnagyított változataiként értelmezi, és a sötét energiát kutatóknak is számos elméletük akad a világegyetem ezen korszakának jelentőségével kapcsolatban.

Az infláció konkrét lefolyásával kapcsolatban azonban rendkívül kevés elképzelésünk van. Több különféle modell igyekszik megmagyarázni működését, és a csillagászok egy része nem is biztos abban, hogy létezett ez az időszak. Mivel pedig a kozmikus inflációra, ha létezett, a világegyetem átlátszóvá válása előtt került sor, sokáig lehetetlennek tűnt megállapítani, hogy melyik modell járhat közelebb a valósághoz.

Az elmúlt évtized során a kutatók rájöttek azonban, hogy talán mégis létezhet egy mód ezen korai időszak vizsgálatára. A tudósok szerint az infláció hirtelen befejeződése esetlegesen nyomot hagyhatott a téridőben, mégpedig az Einstein általános relativitáselméletében megjósolt gravitációs hullámok formájában. Az elektromágneses sugárzással ellentétben ezek az ősi hullámok képesek lehettek továbbterjedni a még átlátszatlan univerzumban is, így mai frekvenciájuk és erejük információkkal szolgálhat a gyors tágulás befejeződésének időszakáról.

Ezek az ősi hullámok viszont túlságosan is gyengék ahhoz, hogy a „köznapibb”, például kettőscsillagok által keltett gravitációs hullámokat közvetve észlelni képes műszerek kimutassák őket. A feltevések szerint azonban mindenképpen nyomot kellett hagyniuk a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban, és ennek a mintázatnak a detektálása, illetve elemzése révén talán dönteni lehetne az inflációval kapcsolatban felállított modellek helyességéről.

2. oldal

Pontosan ezt a célt szolgálja a Déli-sark távcsőre felszerelt új kamera, amely a háttérsugárzás polarizációjával kapcsolatban végez kiterjedt megfigyeléseket, amelyben a feltevések szerint az infláció keltett gravitációs hullámoknak jellegzetes nyomuk kell, hogy legyen. Ezek azonosítása azonban nem lesz egyszerű feladat, hiszen nagyon sok későbbi hatás közül kellene kiszűrni a rendkívül halvány polarizációs jelet.

Korábban már szó esett róla, hogy a mikrohullámú háttérsugárzás tanulmányozására a Déli-sark az egyik legjobb helyszín. Ennek oka, hogy a légköri vízcseppek elnyelik a mikrohullámokat, így a kozmoszból érkező gyenge jelek észleléséhez magasan és száraz környezetben elhelyezkedő megfigyelőhelyre van szükség. A tengerszinten például képtelenség a háttérsugárzás vizsgálata, annyira sok víz van a levegőben. A Déli-sark esetében a sziklás földfelszín ugyan tengerszint közeli magasságú, a rajta található jégsapka azonban átlagosan 3 kilométer vastag, így a felszín nagy magasságban (2800 méter fölött) húzódik, és a levegő is rendkívül száraz.

A déli-sarki távcsőhöz hasonló méréseket végző AMiBA a hawaii Manua Loa oldalában, 3400 méteres magasságban található, de nagyon kedvezőek a körülmények a kozmikus háttérsugárzás megfigyelésére a chilei Atacama-sivatagban is. A Cerro Toco 5200 méteres magasságában tavaly óta üzemel a POLARBEAR nevű kísérlet, amelynek célja szintén a CMB polarizációjának vizsgálata, és rövidesen a közeli Atacama Kozmológiai Távcsőre is felszerelnek egy ilyen célú kamerát, amely kategóriájában páratlanul érzékeny mérések véghezvitelére lesz képes Mike Niemack, a Cornell kutatójának elmondása szerint, aki mind a déli-sarki, mind az atacamai detektorok fejlesztésében részt vett.

A déli-sarki és a chilei kutatócsoportok között barátságos hangulatú, de elszánt verseny zajlik az egyre jobb polariméterek létrehozásában, mondja Niemack. Az antarktiszi kutatócsoport jelenleg egy olyan műszeren dolgozik, amely tízszer érzékenyebb lesz elődjénél, és közben persze Chilében is lázas munka folyik, hogy minél a nagyobb érzékenységű, alacsonyabb felbontási határral rendelkező, nagy frekvenciatartományt és az ég minél nagyobb területeit is lefedni képes detektorokat hozzanak létre. Egyelőre nem tudjuk, hogy milyen erősségű jel után kutatunk, így minden eszközt be kell vetni a megtalálás érdekében, mondja David Spergel, a Princeton kutatója.

Márciusban hozták nyilvánosságra a mikrohullámú háttérsugárzás egész égboltra kiterjedő feltérképezését végző Planck műhold első 15 hónapjának mérési eredményeit. A polarizációs adatokat publikálására ugyanakkor még körülbelül további egy évet kell várni az eredmények elemzését végző kutatócsoport tagjainak elmondása szerint. Jan Tauber projektvezető nagy reményeket fűz ezekhez az adatokhoz, és elképzelhetőnek tartja, hogy a Planck lehet az első, amely észleli a kozmikus infláció keltette gravitációs hullámok polarizáló hatását.

Hozzátartozik ugyanakkor a történethez, hogy az Európai Űrügynökség által üzemeltetett műhold detektorai közel sem olyan érzékenyek, mint a már említett földi műszerek, így megeshet, hogy a halvány jel láthatatlan marad a Planck számára. A nagy érzékenységű felszíni detektorokból azonban egyre több van, és jelenleg is számos új kísérlet áll tervezés alatt, így minden szakmabeli nagy előrelépéseket vár a területen az elkövetkező évek során. A Déli-sarkon 2009 óta üzemel a BICEP2 nevű berendezés, az EBEX detektor pedig januárban hajtott végre egy 25 napos, ballonos repülést az Antarktisz fölött. Spergel szerint a kozmikus infláció végbemenetelének polarizáció alapján történő kimutatása biztosan Nobel-díjat ér majd, bárki vigye is véghez.

Könnyen előfordulhat az is, hogy a bizonyításhoz szükséges adatok már begyűjtésre kerültek: ahogy a részecskefizikában, a csillagászat ezen ágában is óriási adatmennyiségen kell átrágniuk magukat a kutatóknak, hogy abban aztán esetleg ráakadjanak valamilyen releváns információra. Az adatokat sok szempontú elemzésnek vetik alá, kiszűrik a mérőműszerek működéséből adódó zajokat és hibákat, illetve számtalan egyéb tényezőt vesznek számításba az eredmények kiértékelése során. A BICEP2 projekt kutatói szerint az első vizsgálatok alapján akadnak érdekességek az adatokban, ennél bővebb nyilatkozatra azonban egyelőre nem vállalkoznak, viszont terveik szerint még ebben az évben publikálják az első három év adatainak előzetes analízisét.

Jelen pillanatban még rengeteg a kérdés a kutatás tárgyával kapcsolatban. Nem lehetünk biztosak abban, hogy az infláció keltette gravitációs hullámok milyen szintű befolyással lehettek a CMB polarizációjára, így egyelőre nem tudni, hogy mely műszerek lesznek a legalkalmasabbak ennek kimutatására. Shaul Hanany, az EBEX csapatának tagja szerint két éven belül komoly előrelépés történhet ezen a téren. És mivel jelenleg szinte semmit sem tudni a feltételezett polarizációs hatás mértékéről, bármiféle új információ sokkal hatékonyabbá teheti a további kutatásokat.

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward