Što nam govori najznačajnije otkriće ove godine?

Što nam govori najznačajnije otkriće ove godine?

Primordijalni gravitacijski valovi – zasigurno ste već pročitali vijesti o velikom otkriću koje je jučer potreslo svijet znanosti. Obistinile su se spektakularne najave i pred nama se nalazi otkriće vrijedno Nobelove nagrade za fiziku. Kako bi bolje razumjeli što nam govore primordijalni gravitacijski valovi, za vas smo pripremili detaljno objašnjenje koje vrijedi pozorno pročitati. Krenimo zajedno na putovanje u kojem ćemo razotkriti početak stvaranja svemira.

Zamislite da se nalazite u bilo kojem dijelu svemira izvan Zemlje, radi jednostavnosti recimo da se nalazite u bilo kojem dijelu našeg Sunčeva sustava. Što bi se dogodilo kada bi ugasili Sunce, uklonili sve zvijezde te maknuli i najudaljenije galaksije? Svemir bi bio crno mjesto, zar ne?

Zasigurno ne, ukoliko bi mogli uočiti pozadinsko mikrovalno zračenje. Riječ je o zračenju koje bi cijelom našem obzoru davalo jednak sjaj. No, odakle dolazi taj sjaj? Što mu je izvor? Fascinantan dio našega svemira je to što se u njemu nalaze ostatci njegovog početka – pozadinsko mikrovalno zračenje upravo nam govori o tim prvotnim trenucima našeg svemira.

Početak svemira započeo je s dobro znanim velikim praskom, a teorija o kojoj svi bruje ovih dana njena je modifikacija. Naravno, govorimo o inflacijskoj teoriji koja u teoriju velikog praska uključuje brzo širenje u najranijim trenucima svemira.

ODAKLE POTJEČE MIKROVALNO POZADINSKO ZRAČENJE? KAKO ZNAMO DA JE ONO STARO PREKO 13 MILIJARDI GODINA?

Prije nego krenemo dalje vjerujem da vas itekako zanimaju odgovori na ova pitanja, jer je posve logično ne povjerovati u neke ovako fascinantne tvrdnje.

Da bi razumjeli odakle potječe mikrovalno pozadinsko zračenje moramo se vratiti gotovo 13 i pol milijardi godina unazad, odnosno 370.000 godina nakon Velikog praska. Od početnog stadija svemir se tada već bio ohladio na 3000 kelvina, što predstavlja polovicu vrijednosti površinske temperature Sunca. Do tada, svemir je bio ispunjen plazmom električno nabijenih čestica, da bi nakon pada temperature ispod 3000 kelvina došlo do usporavanja brzoga gibanja elektrona i jezgri. Atomske jezgre zarobile su elektrone i privlačile ih u orbitu.

Ovo prvotno stvaranje električni neutralnih atoma (elektroni i protoni imaju jedak naboj, ali suprotan predznak) omogućilo je fotonima prolazak kroz također neutralnu plazmu. Dakle, ti primordijalni fotoni putuju svemirom više od 13milijardi godina.

Kako onda da ih možemo detektirati jedino kao zračenje?

Širenjem prostora (sjetite se da se svemir neprestano širi) fotoni se razrjeđuju i hlade. Već od prije znate kako su fotoni čestice svjetlosti koji putuju konstantnom brzinom, te ne može doći do usporavanja brzine svjetlosti. Umjesto usporavanja, fotonima se pri hlađenju snižavaju vibracijske frekvencije, što znači da im se mijenja boja.

Ljubičasti fotoni postaju plavkastim, a onda se boja mijenja u zelenu, žuti i crvenu. Poznat raspored boja, zar ne? Nakon toga fotoni prelaze u infracrveni dio spektra, pa na mikrovalnu frekvenciju.

Pozadinsko mikrovalno zračenje – Cosmic Microwave Background Radiation

Fotoni koji su nastali prije 13 milijardi godina tako su se ohladili skoro do apsolutne nule i snizili svoje frekvencije do mikrovalnog spektra. O samoj detekciji mikrovalnog zračenja možete pročitati ovdje (podnaslov „Kozmička radijacija“).

ŠIRENJE BRŽE OD BRZINE SVJETLOSTI?

Nakon što su znanstvenici utvrdili što je to pozadinsko mikrovalno zračenje i počeli se diviti svoj ljepoti i eleganciji koju smo upravo opisali, došli su do novog problema. Bez obzira na smjer u kojem uperili detektore, temperatura zračenja po svuda je bila identična i iznosila je 2,725 stupnjeva iznad apsolutne nule.  Kako je to moguće?

Objašnjenje ove pojave krilo se u inflacijskoj teoriji do koje je došao Alen Guth 1979., da bi ju kasnije doradili i poboljšali Andrej Linde, Paul Steinhardt i Andres Albercht. Teorija je temeljena na dijelovima Einsteinove opće teorije relativnosti, a spomenuti problem rješava tako što usporava brzinu kojom su se područja međusobno udaljavala u ranim trenucima svemira i omogućuje im dovoljno vremena da postignu istu temperaturu.

Nakon tog početnog razdoblja dolazi do rapidno brzog širenja koji se danas naziva – inflacijsko širenje. Dakle, jednolika temperatura postignuta je prije nego što su se pojedini dijelovi naglo razdvojili.

Inflacijsko širenje odvijalo se brzinom većom od brzine svjetlost, ali u tomu nema ništa spornoga. Vjerojatno znate kako je Albert Einstein izjavio kako se ništa ne može kretati većom brzinom od brzine svjetlost, pa se pitate kako je to moguće. Iako su obje rečenice točne, morate imati na umu kako se ograničenje brzine koju postavlja svjetlost odnosi samo na gibanje objekta kroz prostor. Galaksije se ne udaljavaju jedna od druge zato što putuju svemirom, već zato što se sam prostor širi, a galaksije prate takva kretanja.

PRIMORDIJALNO GRAVITACIJSKO ZRAČENJE

Čini se kako su dokazi vezani uz mikrovalno zračenje dovoljni kako bi proglasili inflacijsku teoriju ispravnom. Ipak, postojale su još neke nedoumice koje su ostavljale sumnju u ispravnost inflacijske teorije. Najznačajnija od njih, koja je ujedno predviđena Einsteinovom općom teorijom relativnosti, zasigurno je postojanje primordijalnog gravitacijskog zračenja.

Ukoliko je inflacijska teorija ispravna, morali bi moći detektirati gravitacijsko zračenja sa početka stvaranja svemira. Sada zasigurno znate da su znanstvenicu uspjeli u detekciji i da je upravo to ona velika vijest o kojoj svi pričaju, no mi još uvijek nećemo pričati o velikom otkriću, prije toga moramo se zapitati zašto nam je sve to bitno.

Einsteinova opća teorija relativnosti predlaže, između ostalog, kako masivni objekti iskrivljuju prostorvrijeme, te emitiraju valove gravitacijske radijacije koji nose energiju kroz svemir. Masivna tijela moraju se brzo gibati, a veća masa uz brže gibanje znači jači izvor gravitacijske radijacije i veće promjene u prostorvremenu. Tako će npr. Zemlja uzrokovati malo iskrivljenje, dok će rotirajuće crne rupe ili supernova (eksplozija umiruće zvijezde) izazvati veća iskrivljenja.

Kao što znamo iz osnovne škole, gravitacija je najslabija fundamentalna sila (primjer: zamislimo da držimo jedan elektron u lijevoj ruci, drugi u desnoj, i prinesemo te dvije električki nabijene čestice jednu drugoj. Njihovo uzajamno gravitacijsko privlačenje pokušat će ih približiti, a elektromagnetsko odbijanje htjeti će ih odvojiti. Koje je jače? Elektromagnetsko odbijanje je oko milijun milijardi milijardi milijardi milijardi – 10⁴²- puta jače), pa samim time efekti gravitacijskih valova ne mogu biti jaki. Valovi pritišću i istežu prostor kojim prolaze, ali efekti su toliko slabi da ih možemo izmjeriti tek na subatomskoj razini.

Ako ste pozorno pratili dosadašnji dio teksta, sada već sigurno (ispravno) pretpostavljate kako je upravo razdoblje inflacije moralo uzrokovati značajan izvor gravitacijskih valova. Naposljetku, govorimo o razdoblju kada je dolazilo do brzog eksponencijalnog rasta svemira koje je uzrokovalo ogromne promjene u prostorvremenu. To je razdoblje kada u djeliću sekunde svemir od atomske razine dolazi do veličine koju ne možemo vidjeti niti s našim najboljim telskopima. Valove emitirane u samom početku stvaranja svemira, razdoblju 10⁻³⁵ sekundi nakon Velikog praska (0,00000000000000000000000000000000001) nazivamo primordijalno gravitacijskim valovima.

Izravni dokazi kozmičke inflacije, Izvor: Harvard-Smithsonian centar za astrofiziku, Prijevod: T-Portal

POLARIZACIJA SVJETLA KAO DOKAZ

Vratimo se kratko na pozadinsko mikrovalno zračenje. Već smo utvrdili da je pozadinsko mikrovalno zračenje zapravo obliku svjetlosti sa svim pripadajućim svojstvima koji uključuju i polarizaciju. Kada ta svjetlost dođe do Zemljine atmosfere on postane polarizirana, što znači da se ona pri raspršenju polarizira na molekule zraka, vodenu paru i prašinu. Jače se raspršuje svjetlost malih valnih duljina, odnosno ona svjetlost koja je ljubičasta ili plava. Upravo zbog toga naše nebo danju izgleda plavo.

Kad je Sunce na zalasku, valovi svjetlosti moraju proći kroz debeli sloj atmosfere. S obzirom na to da se plava svjetlost raspršuje, za razliku od crvene, do nas dolazi nepolarizirana i neraspršena crvena svjetlost, dok je plava raspršena i polarizirana.

Jednako tako, pozadinsko mikrovalno zračenje u svemiru je raspršeno od strane atoma i pojedinih elektrona, te je tako postalo polarizirano. Ovo svojstvo iskoristili su istraživači iz Harvard-Smithsonian opservatorija koji su tragali za posebnom vrstom polarizacije koja se naziva ‘B-mod’.

Budući da gravitacijski valovi pritišću i izdužuju prostor kroz koji prolaze, oni prilikom tih aktivnosti ostavljaju posebne tragove u kozmičkom mikrovalnom pozadinskom zračenju. Upravo ti tragovi doveli su do uspješnog identificiranja primordijalnih gravitacijskih valova.

Na slici vidimo vrtložni uzorak koji je jedinstveni znak gravitacijskih valova. Ovo je slika gravitacijskih valova na primordijalnom nebu.

UKRATKO O OTKRIĆU

Prve trenutke svemira snimio je teleskop Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (Bicep2) koji je lociran na Južnom polu. Rjeđi i čišći zrak omogućili su znanstvenicima iz Harvard-Smithsonian centra za astrofiziku bolju detekciju ključnih uzoraka. Pregledanjem mape kozmičke mikrovalne radijacije, astronomi su pronašli slab, ali prepoznatljiv uzorak za kojeg se smatra da je nastao utjecajem gravitacijskih valova prilikom razdoblja inflacijskog širenja.

Za kraj pogledajte reakciju profesora Andreia Lindea kojega je posjetio profesor Chao-Lin Kao kako bi mu obznanio vijest o najnovijem otkriću. Kao je bio dio tima koji je odgovoran za otkriće koje podržava Lindeov teorijski rad.