Reliktní záření I
Kosmologie vysvětluje vznik a následný vývoj vesmíru pomocí teorie velkého třesku. Vesmír měl být původně vyplněn velmi žhavou ionizovanou hmotou plazmou, která díky rozpínání prostoru chladla, až se stala průhlednou pro elektromagnetické záření. Jednotlivé fotony od této chvíle putují nerušeně vesmírem a jako pozůstatky (relikty) rané epochy vesmírného vývoje přinášejí jedinečné informace z doby, kdy ještě neexistovaly hvězdy ani galaxie. Právě jejich zkoumání vedlo k obrovskému zpřesnění hodnot základních kosmologických veličin během posledních let. Podívejme se například na stáří vesmíru: z loňských výsledků sondy WMAP plyne, že vesmír existuje 13,7 miliard let plus mínus pouhých 200 miliónů let. Tak přesné tvrzení si nemůžeme dovolit vyřknout ani o věku jedné starší dámy, která pobývá v nedalekém brněnském muzeu. Vždyť Věstonické Venuši se daří ukrývat svůj věk mnohem úspěšněji a dnes jej známe stále s téměř desetiprocentní chybou, kdežto vesmír schoval své stáří před lačnými pohledy kosmologů již jen za nepřesnost šestkrát menší! Obdržené výsledky jsou navíc kompletně kontrolovány nezávislými měřeními a k velké radosti vědců spolu velice dobře souhlasí. Proberme si tedy jednotlivé úspěchy a očekávaný vývoj v této oblasti kosmologického výzkumu.
Článek je převzat z časopisu Astropis.
Záhadný mikrovlnný šum
Na úvod udělejme krátkou sondu do minulosti, která se odehrála před čtyřiceti lety. V roce 1964 měřili dva radioastronomové Arno Allan Penzias a Robert Woodrow Wilson intenzitu rádiových vln vyzařovaných z naší Galaxie anténou umístěnou na Crawford Hillu ve státě New Jersey. Toto měření není jednoduché, neboť detekovaný signál se dá velice těžko odlišit od neodstranitelného elektrického šumu vznikajícího uvnitř antény. Jimi pozorovaná hladina šumu zůstávala překvapivě vysoká a nepodařilo se ji snížit ani po mnohých snahách o odstranění nejrůznějších možných původců. Pečlivým proměřením záhadného šumu se ukázalo, že přichází se stálou intenzitou ze všech směrů nezávisle na denní a roční době. Stálost intenzity signálu nepřipouštěla za zdroj zemskou atmosféru (signál by klesal směrem k zenitu) ani astronomické objekty. Jediné co Penzias a Wilson byli schopni o záření říci, byl jeho původ někde v oblasti vesmíru mnohem větší než naše Galaxie a teplota odpovídající 3,5 K na vlnové délce 73,5 milimetrů.
Původ záhadného záření vyřešil mladý teoretik Philip James Edwin Peebles a jeho kolegové v Princetonu, kteří ztotožnili naměřené záření s kosmickým rádiovým šumem předpovězeným teorií velkého třesku. Peebles si uvědomil, že kdyby neexistovalo intenzívní záření v několika prvních minutách existence vesmíru, jaderné reakce by při primordiální nukleosyntéze pospojovaly značnou část protonů a neutronů do jader těžších prvků. To by neodpovídalo dnešním pozorováním, podle kterých představuje podíl vodíkových jader (nejjednodušší atomové jádro tvořené pouze protonem) tři čtvrtiny všech atomů ve vesmíru. Syntéze těžších jader mohlo být zabráněno jen za situace, kdyby byl vesmír vyplněn krátkovlnným zářením o velmi vysoké teplotě, které by rozbíjelo vzniklá jádra. Teplota záření postupně klesala během rozpínání vesmíru až k dnešní pozorované hodnotě pár stupňů nad absolutní nulou a záření se dostalo se z oblasti krátkovlnného záření gama do mikrovlnné části spektra.
Objev mikrovlnného pozaďového záření, které dnes nazýváme reliktní záření, potvrdil správnost teorie velkého třesku a jeho objevitelé byli po zásluze oceněni Nobelovou cenou za rok 1978.
Obrázek (1): Robert W. Wilson a Arno A. Penzias stojící před anténou v Bellových laboratořích na Crawford Hillu ve státě New Jersey. Tato šestimetrová anténa ve tvaru trychtýře původně sloužila pro komunikaci s umělou družicí Echo, ale díky nízké hodnotě šumu se výborně hodila pro radioastronomii jako bylo pozorování rádiových vln vyzařovaných naší Galaxií.
Vznik reliktního záření
Zčervenání světla vzdálených galaxií objevené na začátku třicátých letech Edwinem Powellem Hubblem nám říká, že se vesmír rozpíná, takže jeho obsah musel být kdysi mnohem více stlačený a tím pádem horký. Jak vyplývá z teorie velkého třesku, byla látka několik minut po vzniku vesmíru ještě tak horká a hustá, že nemohly existovat galaxie a hvězdy, dokonce i atomy byly ionizované rozdělené na jádra a volné elektrony. Látka byla ve stavu plazmy, částice se srážely a vzájemně si předávaly energii. I když se vesmír velice rychle rozpínal, pro jednotlivé fotony, elektrony nebo atomová jádra trvalo rozpínání dlouhou dobu ve srovnání s časem uběhlým mezi srážkami, takže každá částice mohla být mnohokrát rozptýlena, absorbována nebo znovu emitována. Díky těmto četným interakcím se látka ve vesmíru dostala do termodynamické rovnováhy, kterou lze charakterizovat teplotou, jež je stejná v celém systému. Reliktní záření pochází z plazmy, která byla ve stavu termodynamické rovnováhy a proto má konstantní teplotu nezávisle na směru odkud přichází.
Hmota vydržela ve formě plazmy až do doby 379 tisíc let po velkém třesku (z = 1100), kdy vesmír zchladl na 3000 K a volná atomová jádra vzhledem k výsledku primordiální nukleogenezi převážně protony, začala zachycovat do té doby volné elektrony v míře větší, než s jakou byly odtrhovány zářením. Náhlé a z kosmologického hlediska okamžité zmizení volných elektronů znemožnilo kontakt záření s látkou a celý vesmír se stal průhledným pro záření. Tento proces se odborně nazývá rekombinace. Reliktní fotony od tohoto okamžiku nevznikaly ani nezanikaly, jen se prodlužovala jejich vlnová délka kosmologickým červeným posuvem a tím pádem se snížila teplota záření až na dnešních 2,73 K.
Osvobozené fotony si odnášejí známky z pouze několika posledních interakcí a vypovídají tak o podmínkách panujících přesně 379 tisíc let po vzniku vesmíru. Dřívější události ve vesmíru můžeme získat z jejich obrazu nepřímo modelováním podmínek vývoje vesmíru v dřívějším období a následným fitováním modelových předpovědí s naměřenými daty.
Obrázek (2): Na obrázku vidíme teoretické tepelné spektrum reliktního záření, tedy závislost vyzařované intenzity tělesa (v tomto případě celého vesmíru) v závislosti na vlnové délce (dole) nebo frekvenci (nahoře). Samotné záření naší Galaxie a atmosférický šum jsou vykresleny světlejšími čarami. Penzias s Wilsonem měřili reliktní záření v mikrovlnné oblasti na vlnové délce 73,5 milimetrů. Z obrázku je patrné, že proměření křivky pro vlnové délky kratší než 1 cm bylo možné jen mimo zemskou atmosféru. Přitom tato část spektra je nejdůležitější pro rozhodnutí, zda-li se jedná o záření absolutně černého tělesa, neboť zde musí dojít k poklesu intenzity s rostoucí vlnovou délkou. Měření s požadovanou přesností poskytla až družice COBE (jsou vyznačena křížky).
| Cosmic Background Explorer (COBE) | |
|---|---|
| start: | 18. 11. 1989 |
| úhlové rozlišení: | 7 stupňů |
| přesnost měření fluktuací: | 10 mikrokelvinů |
| výsledky: | 1989 teplota reliktního záření (2.726 K) |
| 1992 objev anizotropie | |
| 1998 změřeno pozaďové infračervené difúzní záření | |
| Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) | |
| Sonda byla po zveřejnění prvních výsledků (11. 2. 2003) přejmenována na počest hlavního autora projektu a zároveň jednoho ze spolupracovníků P. J. E. Peeblese Davida T. Wilkinsona z MAP na WMAP. | |
| start: | 30. 6. 2001 |
| úhlové rozlišení: | 0,3 stupňů |
| přesnost měření fluktuací: | 20 mikrokelvinů |
| výsledky: | 2003 výrazné zpřesnění teplotních fluktuací, detekce polarizace, potvrzení standardního modelu vesmíru |
| Planck | |
| start: | únor 2007 |
| úhlové rozlišení: | 0,2 stupňů |
| přesnost měření fluktuací: | 2 mikrokelviny |
| cíle mise: | zmapování spektra teplotních fluktuací do vyšších multipólů a proměření polarizace, zpřesnění kosmologických parametrů, testování teorie inflačního rozpínání, zjištění topologie vesmíru, měření Sunajev-Zeldovičova jevu a gravitačního čočkování reliktního záření, stanovení kritérií na vlastnosti temné hmoty a energie |
Definitivní potvrzení Koperníkovy hypotézy
První detailní průzkum reliktního záření provedla až družice COBE v devadesátých letech minulého století. Pochází-li mikrovlnné záření opravdu z raného vesmíru, pak závislost jeho intenzity na vlnové délce musí odpovídat dobře známému Planckovu zákonu, který popisuje tepelné záření absolutně černého tělesa. Sonda COBE v průběhu prvních osmi minut svého provozu potvrdila, že reliktní záření je opravdu zářením absolutně černého tělesa o teplotě 2,73 K s relativní přesností lepší než jedna tisícina a ukončila tak spekulace o jeho netepelném původu. Spektrum změřené sondou COBE je vůbec nejlepší spektrum absolutně černého tělesa jaké kdy bylo lidstvem napozorováno. Je nemyslitelné přijmout představu, že reliktní záření přichází z nějakého normálního zdroje, neboť ten by musel preferovat záření v konkrétních vlnových délkách a také vykazovat absorpci (např. hvězdné spektrum). Jediným možným vysvětlením pro tak přesné spektrum absolutně černého tělesa je záření přicházející z celého vesmíru z doby, kdy měl mnohem vyšší teplotu než dnes. Z výše uvedeného nevyhnutelně vyplývá, že vesmír musel projít etapou horkého velkého třesku.
V následujících letech prováděla sonda velmi přesné mapování celého mikrovlnného pozadí a odhalila malé rozdíly teploty v různých směrech. Tady se na chvíli zastavíme, aby jsme si ujasnili rozdíl mezi argumenty ve prospěch konstantní teploty (důkaz tepelného původu) a teplotním fluktuacím. Penzias s Wilsonem zjistili, že reliktní záření přichází ze všech směrů se stejnou intenzitou je tedy izotropní a odpovídá tepelnému záření absolutně černého tělesa. Konkrétně nenalezli žádnou variaci intenzity reliktního záření (stejná teplota napříč celou oblohou) v rámci desetiprocentní chyby svého měření. V roce 1976 objevila skupina z Berkley pomocí měřícího zařízení na letadle U2, které je schopno létat ve výškách až 21 km, dipólovou anizotropii způsobenou Dopplerovým efektem odpovídající pohybu sluneční soustavy vůči klidové vztažné soustavě reliktního záření (v této souřadné soustavě má reliktní záření přesný tvar planckovské křivky). Variace teploty o velikosti 3 mK odpovídá pohybu s rychlostí 370 km/s ve směru souhvězdí Lva. Později družice COBE dokonce zaznamenala roční variaci spojenou s oběhem Země kolem Slunce, což můžeme pokládat za definitivní potvrzení Koperníkovy hypotézy. To jsou kinematické efekty, které nemají žádnou souvislost s chováním primordiální plazmy.
Po odečtení příspěvku pohybu Země k fluktuacím teploty nebyly experimenty před vypuštěním COBE pozorovány žádné odchylky od zákona záření absolutně černého tělesa. Avšak na základě detailnějšího studia vlastností mladého vesmíru, především otázka vzniku galaxií, byla teorií požadována drobná nehomogenita v hustotě vesmírné látky. Libovolně malá nehomogenita se nakonec musela promítnout do fluktuací teploty reliktního záření. Proč však trvalo tak dlouho, než byla fluktuace teploty reliktního záření objevena? Důvodem je její velikost, odchylky fluktuací od průměrné hodnoty jsou natolik malé, pouhá stotisícina teploty, že nemohly být dřívějšími přístroji detekovány. Teprve COBE poskytla dostatečně přesné výsledky měření, aby odhalila mikrokelvinové fluktuace.
Obrázek (3): Fluktuace teploty můžeme rozdělit podle jejich velikosti. Dipólová anizotropie způsobuje fluktuace teploty o velikosti 3 mK, což znamená, že záření je nepatrně teplejší v jednom směru a nepatrně chladnější v opačném. Tomu odpovídá pohyb s rychlostí 370 km/h vůči poli reliktního záření (horní obrázek). Fluktuace iniciované nehomogenitou látky v období rekombinace se objevují až na úrovni desítky mikrokelvinů. Od obrázků ještě nebylo odečteno záření přicházející ze zdrojů nacházejících se v naší Galaxii (pás uprostřed).
