Megtalálták a kozmológia szent grálját

A Déli-sarkon egy kutatócsoport a BICEP2 űrteleszkóppal a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást (cosmic microwave background, CMB) vizsgálva fedezett fel egy ősi fényjelet. Feltételezik, hogy ez még az ősrobbanás idejéből származhat.

Mint hétfőn megírtuk, a kutatók közvetett bizonyítékot találtak olyan gravitációs hullámok létezésére, amik az univerzum keletkezése után nagyon kevés idővel (10 a mínusz ³⁴-en másodperc) jöttek létre. A most észlelt minta tehát a kozmikus infláció idejéből, vagyis a világegyetem hirtelen tágulásának pillanatából származik.

A felfedezés azért átütő erejű, mert alátámasztja az ősrobbanás elméletét, amire eddig nem sikerült gyakorlati bizonyítékot találni. Fontos megjegyezni, hogy még ez a bizonyíték is csak közvetett, de szinte biztos, hogy ez a felfedezés is Nobel-díjat ér, mivel egyszerre bizonyítja a kozmikus infláció és a gravitációs hullámok létezését. 

A forró ponttól a sötét anyagig

Hogy megértsük, miért áttörő a mostani felfedezés, meg kell ismerkednünk az egyik legismertebb világkeletkezési elmélettel, az ősrobbanással. A NASA ennek a folyamatát  egy szemléltető ábrán is összefoglalta, de megéri átböngészni a szöveges változatot is.

Minden egy sötét, forró ponttal indult.

A Big Bang nem egy robbanás volt, ahogy a neve utal rá, hanem az a pillanat, amikor az univerzum betöltötte az űrt. Az ősrobbanás-elmélet szerint az univerzum kezdetben egyetlen, nagyon forró, nagyon sűrű pont volt az űrben.

A kozmológusok nem tudják, mi lehetett az ősrobbanás pillanata előtt, de kifinomult módszerekkel kutatják ezt. Ezek egyike a CMB vizsgálata. A legjobb mikrohullám-detektorok észlelhetik azokat a jeleket, amik az univerzum keletkezésével egyidősek.

Az univerzum növekedése hirtelen indult meg.

Az ősrobbanás pillanatában az univerzum elképesztő növekedésen ment keresztül – ezt hívják kozmikus inflációnak vagy kozmikus felfúvódásnak. Ekkor az univerzum növekedése exponenciális volt; legalább 90 alkalommal megkétszerezte a méretét. Az infláció után a növekedés folytatódott, de már lassuló ütemben. A növekedéssel párhuzamosan az univerzum lehűlt.

Megszülettek az első anyagok. 

Ahogy az univerzum egyre tágult, a hőmérséklete lecsökkent. A protonok és neutronok összeütköztek, hogy létrehozzanak egy hidrogénizotópot, a deutériumot. A sok deutérium összefonódásából hélium alakult ki.

A rekombinációra 380 ezer évet kellett várni.

Nagyjából ennyi idő telt el az ősrobbanás után, mire az intenzív hő hatására az atomok egy plazmafelhőbe préselődtek össze; ebben ködként kavarogtak a protonok, neutronok és elektronok. A lehűléssel párhuzamosan az elektronok elkezdtek a szabad atommagokhoz kapcsolódni, és semleges atomokat hoztak létre. Emiatt az univerzumban lehetővé vált a fény terjedése; ennek a nyomai a mikrohullámú háttérsugárzásban is láthatók.

Véget ért a sötétség, kezdődött a reionizáció.

Ennek során a hideg és semleges hidrogénnel töltött univerzumba ionizált hidrogén került, ami protonokra és elektronokra hasadt. A korai világegyetemet kitöltő hidrogénköd ekkor átlátszóvá vált, mivel az ibolyántúli sugárzás elpusztította a semleges hidrogéngáz javát.

Nem tudni, pontosan meddig tartott a reionizáció. Az eddigi mérések alapján félmilliárd évig is elhúzódhatott, de egyes kutatók szerint lehet, hogy sokkal gyorsabban végbement. Az asztrofizikusok szerint a reionizációt az első csillagok és galaxisok sugárzása indította be.

Egyre több csillag és galaxis alakult ki; megszületett a Naprendszer.

Ez nagyjából 9 milliárd évvel az ősrobbanás után történt, vagyis a Naprendszer körülbelül 4,6 milliárd éves. A Nap egyike a Tejútrendszer több mint 100 milliárd csillagának, és nagyjából 25 ezer fényévre található a galaxis magjától.

Az elmélet szerint a Naprendszer az ősköd gomolygásából alakulhatott ki. A gravitáció hatására a köd összeomlott, a forgása felgyorsult, majd szétterült. Ebben a fázisban, az egy pontban összesűrűsödő anyagokból alakult ki a Nap.

A tudomány gyanítani kezdte, hogy van, amit nem láthatunk.

A hatvanas-hetvenes években a csillagászok gyanítani kezdték, hogy vannak láthatatlan anyagok is az univerzumban. A washingtoni Carnegie Intézet kutatója, Vera Rubin a galaxis különböző pontjain lévő csillagok mozgását tanulmányozta. A newtoni fizika szabályai szerint a galaxis peremén lévő csillagoknak jóval lassabban kéne mozogniuk a középponthoz közelieknél, de Rubin nem talált különbséget a csillagok sebessége között. Sőt, azt figyelte meg, hogy a csillagok többé-kevésbé azonos sebességgel keringenek a galaxis központja körül. Ezt csak a sötét anyag létezése magyarázhatja.

Az elmélet szerint ezek olyan részecskék, amik nem reagálnak a fényre vagy az ismert anyagokra, ezért roppant nehéz észlelni őket. Pedig, ha az elmélet helyes, ez teszi ki az univerzum 23 százalékát. (Összehasonlításképp: az ismert anyagok aránya körülbelül 4 százalék a világegyetemben.)

A csillagász Edwin Hubble 1920-ban fedezte föl egy új típusú távcsővel, hogy a világegyetem nem statikus, hanem folyamatosan tágul. Csak 1998-ban, a Hubble-ről elnevezett űrteleszkóppal fedezték fel, hogy régen az univerzum tágulása sokkal lassabb volt, mint manapság. Ez azért meglepő, mert épp az ellenkezőjére lehetne számítani. Úgy gondolják, a sötét anyag befolyásolhatja a kozmikus mozgásokat.

Azonban a sötét anyag vagy a sötét energia létezésére máig nem sikerült közvetlen bizonyítékot találni.

Egy fényjelben az egész világ

A CMB-t vizsgáló BICEP2 teleszkóppal az ősrobbanásból visszamaradt halvány fényjelet sikerült észlelni. Ez elég lehet ahhoz, hogy következtetni lehessen belőle az univerzum igen korai állapotára. Például a világűr hőmérséklet-különbségei alapján megállapítható, hol volt sűrűbb az univerzum, és hol alakultak ki emiatt a galaxisok.

A gravitációs hullámok nyomot hagynak az űrben, miközben áthaladnak rajta, ráadásul - mivel az anyag vagy a fény nem hat rájuk – szinte torzítatlan formában maradhatnak fenn. A gravitációs hullámok nyomot hagynak a kozmikus háttérsugárzásban is – ezeket keresték a kutatók.

A Déli-sarkon juthatunk a legközelebb a világűrhöz, úgy, hogy még a Földön maradjunk. [...] Ez a Föld egyik legszárazabb, legtisztább helyszíne, így tökéletes arra, hogy megfigyeljük az ősrobbanás keltette mikrohullámokat.

– indokolta a helyszínválasztást a kutatást vezető John Kovac.

Bár számítottak a sikerre, a kutatókat mégis meglepte, hogy egy, a szokottnál jóval erősebb polarizációs jelet észleltek. Három évig elemezték az adatokat, mielőtt bejelentették a felfedezést, hogy kizárjanak minden hibalehetőséget. Azt is vizsgálták, hogy nem a galaxisban található por torzítja-e a mérési eredményeket, de ez szinte kizárt.

Olyan, mintha egy tűt kerestünk volna a szénakazalban, ehhez képest egy feszítővasat találtunk.

– jegyezte meg a tanulmány társszerzője, Clem Pryke, a Minnesota Egyetem kutatója.

Ez a kozmológia Szent Grálja

A gravitációs hullámok létezését már Einstein is megjósolta, és indirekt módon már ki is mutatták a létezésüket; ezért kapott Russel Hulse es Joseph Taylor 1993-ban Nobel-díjat. Ők figyelték meg, hogy egy neutroncsillag-kettős pályája pont úgy változik, mintha a gravitációs hullámok kibocsátása miatt energiát veszítene. Akkor nem a hullámokat észlelték, csak a hatására következtettek, a felfedezést mégis a legrangosabb tudományos díjjal jutalmazták.

Frei Zsolt, az ELTE asztrofizikai tanszékének professzora elmondta, hogy a hullámok észlelése nem lehetetlen; a kutatók épp ezért dolgoznak a LIGO fejlesztésén is, mert a lézer-interferométerrel a hullámok közvetlenül is kimutathatók lehetnek.

Frei szerint a mostani eredmény annyiban emlékeztet az 1993-asra, hogy a gravitációs hullámok létezését most is közvetett módon mutatták ki. Ezúttal a gravitációs hullám úgynevezett sztochasztikus fajtájának a mikrohullámú háttérsugárzásra gyakorolt hatását észlelték egy rádiótávcsővel készített mikrohullámú képen – ezt a déli-sarki BICEP2 távcső is észlelte.

A bizonyíték tehát indirekt, de a most észlelt gravitációs hullámok arra utalnak, hogy a kozmikus infláció valóban megtörtént a kezdetek kezdetén. A kozmológia szempontjából ez átütő jelentőségű felfedezés.

(Fontos: a tanulmány összes mérési eredményének elemzése nagyon sok időt vesz igénybe; ez érthető, hiszen rengeteg dokumentumról van szó. Tehát bizonyára hallunk még a kutatócsoport eredményeiről.)