Trzy relikty wielkiego wybuchu

Już prekursor idei wielkiego wybuchu – Georges Lemaître – nie wierzył aby tak dramatyczne wydarzenie mogło nie pozostawić po sobie widocznych do dziś śladów. Według Belga, początkowym produktem rozkładu “pierwotnego atomu” musiało być coś w rodzaju korpuskularnego promieniowania tła. Dopiero upływ czasu pozwolił na wytrącenie z niego pierwszych atomów, które wypełniły kosmos w formie gazu. 

Relikt mikrofalowy

Tuż przed swoją śmiercią, Lemaître dowiedział się, że od początku miał rację a postulowane przez niego promieniowanie resztkowe można wytropić. Na weryfikację swoich przewidywań, musiał jednak czekać aż do lat 60. ubiegłego stulecia. Dla kosmologów były to mroczne czasy. Takie tuzy ówczesnego świata nauki jak George Gamow, Hans Bethe, Robert Dicke czy Vera Rubin znosiły częste szyderstwa płynące ze strony kolegów po fachu, niechętnych do zerwania z uprzednią epoką i kurczowo trzymających się hipotezy wszechświata stacjonarnego. 

Dziś często mówi się o tym, że gdyby nie atmosfera tamtego okresu i wyraźny oportunizm renomowanych uczelni, konieczne odkrycia mogły nadejść nawet dekadę wcześniej. W związku z tym, poważnym tropieniem śladów wielkiego wybuchu zajmowała się zaledwie garstka naukowców; a żeby było zabawniej, ostateczny sukces osiągnęli młodzi badacze w ogóle nie zainteresowani tematem. To jeden z najbardziej znanych epizodów w dziejach kosmologii: Arno Penzias (ciekawostka: jego rodzice posiadali polskie korzenie) i Robert Wilson obsługujący antenę pracującą na 7,35-centymetrowych falach, natrafili na szum uniemożliwiający im wyraźne nasłuchiwanie sygnałów dochodzących z mgławicy Cassiopeia A. Przekierowywali antenę, sprawdzili ziemskie źródła promieniowania, w końcu zabrali się za wybijanie miejscowych gołębi. I co? I nic, zakłócenia pozostały takie same i dobiegały dosłownie zewsząd. Szczęście, że Penzias głośno narzekał na swoją niedolę przy kumplach. Jeden z nich, Bernard Burke z MIT, skojarzył fakty i nagłośnił sprawę. Teoretycy z radością i nieskrywaną satysfakcją mogli obwieścić nieznośnym sceptykom triumf: jacyś nieznani radioastronomowie z Laboratoriów Bella potknęli się o wiekopomne odkrycie.

Zdjęcie WMAP przedstawiające rozkład mikrofalowego promieniowania tła
Zdjęcie wszechświata w wieku młodzieńczym wykonane przez WMAP.

Co dokładnie zarejestrowano? Najprościej mówiąc błysk pochodzący z samego wielkiego wybuchu. Słysząc “błysk” zazwyczaj myślimy o rodzaju bardzo jasnego światła, musimy być jednak świadomi, że światło nie jedno ma imię. Każde ciało emitujące choć odrobinę ciepła tak naprawdę świeci, tyle że nie zawsze w sposób dla nas widoczny. Zależnie od energii niesionej przez fotony, promieniowanie elektromagnetyczne przybiera postać promieni gamma, ultrafioletu, światła widzialnego, podczerwieni i w końcu mikrofal. Tak też w toku ewolucji wszechświata, zmieniało się jego pierwotne promieniowanie: od silnych promieni gamma (których część zrodziła istniejącą materię) do ledwie dostrzegalnego mikrofalowego promieniowania tła. Szczęśliwe odkrycie z roku 1964 dowiodło – zgodnie z wcześniejszymi przewidywaniami Gamowa i Dicke’a – że przestrzeń kosmiczną wypełniają fotony nadające jej temperaturę rzędu kilku stopni powyżej zera absolutnego.

Relikt grawitacyjny

Mikrofalowe promieniowanie tła odsłoniło również inną tajemnicę. W 2001 roku sonda Wilkinsona przyjrzała się echu wielkiego wybuchu znacznie dokładniej i wykazała, że jest ono niemal doskonale jednolite; różnice między najcieplejszymi miejscami na zdjęciu (czerwone) i najchłodniejszymi (niebieskie) wynoszą mniej niż tysięczna część stopnia. Naukowcy od lat 80. obawiali się takich wyników i nawet wymownie nazwali je problemem jednorodności. Dlaczego to kłopot? Moim zdaniem nie istnieje naprawdę dobre, w pełni przystępne wyjaśnienie pozwalające pojąć wagę tej sprawy, więc sięgnę do najczęściej stosowanej metafory.

Wyobraźcie sobie, że wlewacie kubek wrzątku do wanny zimnej wody. Jak podpowiada intuicja, przyjemne ciepełko będzie rozchodzić się po zbiorniku stopniowo. Zastanawiająca byłaby sytuacja, w której temperatura całej wody zrównałaby się w ułamku sekundy – w końcu na przekazanie każdej informacji, w tym przetransferowania energii, potrzeba ściśle określonego minimalnego czasu. Kosmologowie w odpowiedzi na ten oraz kilka innych wstydliwych problemów ukuli model inflacyjny wszechświata. Bez wdawania się w szczegóły (mogące stanowić treść kilku całkiem dorodnych, osobnych artykułów), wyszli oni z założenia, iż cały kosmos na samym początku istnienia zawierał się w tak niewielkim obszarze, że możliwym było jego kompleksowe przemieszanie i termalizacja. Pisząc “niewielkim” mam na myśli znacznie, znacznie mniejszym od pojedynczego atomu; zresztą wszystkie wartości, o których teraz mówimy oscylują w granicach setek miejsc po przecinku. Zgodnie z postulatami inflacji kosmologicznej po złamaniu symetrii między oddziaływaniem elektrosłabym a silnym, w ciągu trudnego do wyobrażenia ułamka sekundy nastąpiła jeszcze trudniejsza do wyobrażenia ekspansja wszechświata, nawet 1040 razy. Bez żadnej przesady, to jedna z największych wielkości na jakie natknęła się fizyka. To tak jak gdyby w mgnieniu oka maleńki proton urósł do rozmiarów bliskich Mgławicy Oriona. Wraz z nieprawdopodobną inflacją przestrzeni rozciągnięciu uległa jej ujednolicona struktura.

Dowód na to, że inflacja kosmologiczna naprawdę miała miejsce, uzyskaliśmy dopiero ostatnio. Jeżeli obecny obraz kosmosu jest w istocie powiększeniem jego stanu sprzed 13,82 mld lat, to kolejny ślad powinna pozostawić grawitacja. Najbardziej znana nam wszystkim siła oddzieliła się z pierwotnego “elektrosłabosilniegrawitacyjnego oddziaływania” jako pierwsza, więc istniała już w chwili inflacji. Maleńkie różnice w zagęszczeniu energii/materii widoczne w mikrofalowym promieniowaniu tła, powinny więc stworzyć możliwe do przewidzenia fałdy w czasoprzestrzeni. Tutaj naukowcy wykazali się nie lada przebiegłością: wiedzieli, że fale grawitacyjne pozostałe po wielkim wybuchu muszą być niezwykle słabe, a na pewno słabsze od tych, które dobiegają do Ziemi od strony wszelkich masywnych obiektów. Zbadano je więc pośrednio, poprzez postulowany wpływ wczesnej grawitacji na polaryzację promieniowania reliktowego. W dużym uproszczeniu, fotony niczym małe strzałeczki, powinny być poobracane w określony sposób i dać się nałożyć na mapę młodego wszechświata.

Tu chciałbym dodać pewne sprostowanie bzdurnej informacji kopiowanej przez 99% mediów. Otóż głównym osiągnięciem badaczy z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics nie jest wcale samo wykrycie fal grawitacyjnych. Niewiele mniej namacalnego dowodu na istnienie zmarszczek czasoprzestrzeni dostarczyła nam ekipa Josepha Taylora… przeszło 20 lat temu! Tegoroczny eksperyment posiada niebagatelne znaczenie z co najmniej trzech innych powodów. Po pierwsze, potwierdza nasze przypuszczenia dotyczące kolejności wyodrębniania się kolejnych oddziaływań podstawowych podczas narodzin wszechświata; może więc pomóc fizykom cząstek elementarnych w pracach nad teorią wielkiej unifikacji (GUT). Po drugie, to pierwsza doświadczalna weryfikacja modelu inflacyjnego, do tej pory sprawdzającego się tylko na papierze. Wreszcie po trzecie, skoro wyniki potwierdzają inflację to również wzmacniają teorię wielkiego wybuchu.

Relikt neutrinowy

Pozostaje nam do rozważenia trzeci, wciąż czekający na uchwycenie relikt big bangu – neutrinowe promieniowanie tła. Neutrina (głównie elektronowe) to najbardziej rozpowszechniony po fotonach składnik wszechświata (pomijając problem ciemnej materii). Jest ich miliardy razy więcej od budujących nasze ciała leptonów i kwarków; w każdym centymetrze sześciennym przestrzeni znajduje się nawet 300 neutrin. Skąd pochodzą? Dosłownie zewsząd: cząstki przylatują do nas z centrum Drogi Mlecznej, z innych galaktyk, eksplozji supernowych oraz przede wszystkim ze Słońca. Dokładniej, aż 2% całej emitowanej przez naszą gwiazdę energii stanowią właśnie neutrina. Jednakże najwięcej neutrin ma ten sam rodowód co fotony promieniowania reliktowego – pochodzą z prastarego ognia wielkiego wybuchu.

Tu jednak czai się pułapka, gdyż owe “kosmologiczne” neutrina jak dotąd istnieją jedynie w głowach naukowców. Zgodnie z tym co napisałem możecie być nieco skołowani. Bo jak to – nasze ciała przenikają biliony drobin, których nikt nie widział? Aż tak źle nie jest, ponieważ istnieją detektory; tyle tylko że pozwalają one rejestrować tylko niewielki ułamek neutrin i to nie tych najcenniejszych. Wszystko staje się bardziej klarowne po bliższym poznaniu tych nieznośnych skurczybyków. Posiadają masę co najmniej 3/4 mniejszą od elektronu i zerowy ładunek elektryczny; w efekcie nie reagują na oddziaływanie silne, elektromagnetyczne i ledwo na grawitacyjne. Jeżeli dodamy do tego fakt, iż neutrina reliktowe niosą ze sobą znacznie niższą energię niż ich odpowiednicy rodzący się np. we wnętrzach obecnych gwiazd – zrozumiemy w jak beznadziejnej sytuacji znajdują się strudzeni eksperymentatorzy.

Macie prawo zapytać: ale po co nam do diaska jeszcze jeden odcisk wielkiego wybuchu? Tu musicie mi wybaczyć drobne kłamstwo z pierwszego akapitu, mianowicie mikrofalowe promieniowanie tła nie jest błyskiem pochodzącym z samego momentu stworzenia. Wczesny wszechświat był jeszcze zbyt gorący aby fruwające w te i we wte nukleony oraz elektrony mogły uformować stabilne atomy, co skutecznie blokowało drogę fotonom. Przypominało to tłoczne przyjęcie, w czasie którego mniej postawnym gościom (fotonom) bardzo trudno było się przedrzeć do wyjścia, zwłaszcza, że co chwile byli zagadywani i częstowani winem przez napotykanych przyjaciół (elektrony). W efekcie kwanty światła składające się na mikrofalowe promieniowanie tła, wyrwały się na wolność dopiero gdy w lokalu zrobiło się luźniej, tj. 380 tysięcy lat po wielkim wybuchu.

Pamiętając o naszych narzekaniach na nieuchwytność neutrin, okazuje się że ich największa wada może rozbudzić u naukowców wielkie nadzieje. Prawdopodobnie te drobne cząstki niczym kulturalni abstynenci, niereagując na zaczepki elektronów, opuściły kosmiczny bal znacznie wcześniej. Przy odrobinie szczęścia, neutrinowe promieniowanie tła może nam ukazać obraz wszechświata powstały już w pierwszych sekundach jego istnienia. Czekamy z niecierpliwością.

Literatura uzupełniająca
L. Krauss, Wszechświat z niczego. Dlaczego istnieje raczej coś niż nic?, Warszawa 2014; 
M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii, Warszawa 1985; 
M. Hilkiewicz, Doświadczenia z neutrinami akceleratorowymi i wpływ przesyłania wiązek neutrinowych na środowisko, Warszawa 2005.
Takie tam stożki… świetlne Lot Virgin Galactic Unity 22 – Przewodnik dla zabieganych Nobel za topologiczne stany materii – krótko i niezbyt przejrzyście