Prasevanje je dalo nove podatke o vesolju

Dobili so jih z vesoljsko sondo Planc.

Objavljeno
06. junij 2013 17.38
Janez Strnad
Janez Strnad

Natančneje so premerili prasevanje, to je vesoljsko mikrovalovno ozadje. Z dobljenimi podatki so v okviru standardnega modela vesolja naredili nekaj natančnejših računov.

Prasevanje je elektromagnetno valovanje, kakršno bi pri temperaturi 2,7 stopinje nad absolutno ničlo sevalo črno telo.

Slednje vse valovanje, ki nanj pade, zadrži in pri dani temperaturi od vseh teles najmočneje seva.

Prasevanje sta odkrila leta 1965 Arno Penzias in Robert Wilson in za odkritje leta 1987 dobila polovico Nobelove nagrado za fiziko. Sevanje je najgostejše okoli valovne dolžine enega milimetra. Sevanje z večjo valovno dolžino štejemo k mikrovalovom, sevanje z manjšo pa k dolgovalovni infrardeči svetlobi. Če je televizor priključen na kanal, ki ne oddaja, del motenj na zaslonu izvira od prasevanja.

Po začetku širjenja vesolja, velikem poku, se je vesolje širilo, postajalo redkejše in se ohlajalo. Naelektreni delci, med njimi morebiti tudi takšni, ki nam jih v laboratoriju z največjimi trkalniki še ni uspelo ustvariti, so nastajali pri trkih in razpadali.

Elektromagnetno valovanje je izrazito delovalo na naelektrene delce in sevanje in snov sta se razvijala skupaj. Približno 370 do 380 tisoč let po začetku širjenja se je v vesolju zgodila sprememba. Snov je postala redkejša in temperatura se je znižala na okoli 3 tisoč stopinj nad absolutno ničlo. Pozitivno naelektreni ioni so se z negativno naelektrenimi elektroni povezali v nevtralne atome, ki se pri trkih niso več razleteli.

Iz mešanice pozitivno in negativno naelektrenih delcev, tako imenovane plazme, je nastala nevtralna snov, ki je veliko šibkeje vplivala na sevanje. Odtlej je sevanje lahko potovalo po vesolju – pravimo, da je vesolje postalo prozorno. Vlogo vodilne sile v vesolju je prevzela gravitacija. Odtlej sta se snov in sevanje razvijala ločeno. Prasevanje je preostanek sevanja iz tistega časa. Zaradi širjenja vesolja in ohlajanja se je njegova temperatura močno znižala. Prasevanje je najstarejše sevanje v vesolju in o vesolju lahko da veliko podatkov.

Dve nalogi za COBE

Najprej je kazalo, da prihaja prasevanje enakomerno z vseh strani neba. Leta 1989 je ameriška vesoljska agencija Nasa izstrelila umetni satelit Raziskovalec vesoljskega ozadja – COBE. Imel je dve nalogi, ugotoviti, ali je prasevanje sevanje črnega telesa in koliko je sevanje enakomerno. John C. Mather, ki je vodil prvo, in George F. Smoot, ki je vodil drugo, sta si razdelila Nobelovo nagrado leta 2006. COBE je meril sevanje na dveh pasovih pri valovnih dolžinah 0,14 in 5 milimetrov. Meril je temperaturo na deset milijonink stopinje natančno in kote na 7 kotnih stopinj natančno. Merjenja so leta 1992 podprla domnevo o prasevanju kot zelo enakomernem sevanju črnega telesa pri temperaturi 2,7 stopinje nad absolutno ničlo. Hkrati pa so v sevanju razkrila zelo majhne neenakomernosti. Ugotovili so, da se temperatura, ki ustreza sevanju iz različnih predelov neba, od povprečne vrednosti razlikuje za kakih deset milijonink stopinje. To so pojasnili z naključnimi zgoščinami in razredčinami, ki so v snovi nastale po zakonih kvantne mehanike kmalu po začetku širjenja. Nekatere zgoščine so se postopno razvile v galaksije in jate galaksij. Tako je neenakomernost prasevanja povezana z današnjo neenakomerno razdelitvijo v vesolju na majhnih razdaljah.

Leta 2001 je Nasa nadaljevala opazovanje prasevanja. Izstrelila je sondo za mikrovalovno anizotropijo Wilkinson WMAP. Ime je dobila po Davidu Wilkinsonu, princetonskem kozmologu, ki je pomembno sodeloval pri načrtu, a je leta 2002 umrl. (WMAP je besedna igra s »svetovnim zemljevidom«, anizotropija zadeva odvisnost od smeri.) Sonda je kot umetni planet sledila gibanju Zemlje v razdalji milijon kilometrov na nasprotni strani Sonca. Merila je na petih pasovih med valovnima dolžinama 3,2 milimetra in 1,3 centimetra. Enako kot COBE je temperaturo merila na deset milijonink stopinje natančno, kote pa na četrt stopinje natančno. Rezultate so objavili leta 2003. Raziskovalna skupina je dobila več nagrad, njeni trije članki so največkrat citirani članki v 21. stoletju.

Tretji veliki podvig

Sonda Planck je tretji veliki podvig za merjenje prasevanja. Evropska vesoljska agencija (ESA) je začela pripravljati načrte leta 1992. Sonda je dobila ime po nemškem fiziku Maxu Plancku, ki je leta 1900 vpeljal svetlobne kvante, poznejše fotone, in za to leta 1918 dobil Nobelovo nagrado. Načrt so uskladili z Naso. Z izstrelišča Kourou v Francoski Gvajani je raketa Ariane 5 sredi maja 2009 sondo odnesla v vesolje. Sonda – tako kakor sonda WMAP – kot umetni planet sledi gibanju Zemlje v razdalji milijon kilometrov na nasprotni strani Sonca.

Sonda ima valjasto obliko s premerom 4,2 metra in tolikšno višino. Ob izstrelitvi je tehtala 1950 kilogramov. Načrt je stal okoli 700 milijonov evrov. Sondo sestavljajo upravljalni del s sončnimi celicami, zrcalo s premerom poldrugega metra in merilniki. Zrcalo zbere sevanje na merilnike za nizke frekvence, ki zaznavajo mikrovalove, in na merilnike za visoke frekvence, ki zaznavajo dolgovalovno infrardečo svetlobo. Merilnike za visoko frekvenco so ohladili na desetinko stopinje nad absolutno ničlo. V vesolju doslej še niso uporabili hladilnega sistema s tako nizko temperaturo. Za hlajenje so izkoristili pojav, da se pri zelo nizki temperaturi zniža temperatura, ko se lažji izotop helija, helij 3, meša s težjim izotopom helijem 4. Januarja lani je pošla zaloga helija 3 in je ta merilnik prenehal delovati. Merilnik za nizke frekvence so hladili s helijem 4 na približno 4 stopinje nad absolutno ničlo, in ta ni pošel še nekaj mesecev.

Merilniki za nizke frekvence na sondi Planck so merili na treh pasovih med valovnima dolžinama 0,43 in 1 centimetra, merilniki za visoke frekvence pa na šestih pasovih med valovnima dolžinama 0,35 in 1,4 milimetra. Kote je Planck meril enako kot WMAP na četrt stopinje natančno, temperaturo na dve milijoninki stopinje natančno. Kot so bili rezultati WMAP natančnejši od rezultatov COBE, so rezultati Plancka natančnejši od rezultatov WMAP. Za starost vesolja, to je časovni razmik od začetka širjenja do danes, so postavili 13,82 milijarde let, nasproti prejšnjemu podatku 13,77 milijarde let. Vesolje vsebuje 4,9 odstotka navadne snovi nasproti prejšnjemu podatku 4,6 odstotka, 26,8 odstotka temne snovi nasproti 24 odstotkom in 68,3 odstotka snovi, ki ustreza temni energiji, nasproti 71,4 odstotka. Rezultati enako kot prejšnji podpirajo zamisel o inflaciji. To je izredno hitro in izdatno, a zelo kratkotrajno napihovanje vesolja kmalu po začetku širjenja, ki je delno zabrisalo neenakomernosti.

Nekatera odstopanja

Nekateri rezultati se ne ujemajo povsem s pričakovanji standardnega modela. Mogoče je opaziti hladno pego, presežek modrikastih slikovnih elementov v desnem spodnjem delu slike in nekaj več vročih točk, rdečkastih elementov na ustreznem zgornjem delu slike. V prvi smeri utegne biti snovi manj, kot bi sklepali po povprečju, v drugi pa več. To so poimenovali os zla, z zvezo, ki jo je uporabil prejšnji ameriški predsednik George W. Bush v drugačnem pomenu. Morda vesolje v povprečju na velikih razdaljah le ni tako enako v vseh smereh, kot predvideva standardni model? Morda pri začetnih kvantnomehaničnih motnjah ni nastalo enako zgoščin kot razredčin? Razdelitev snovi po prostoru na večjih kotnih razdaljah namiguje, da morda vesolje ni enako v vseh delih. Te ugotovitve, ki so jih nakazale že prejšnje meritve, se ne skladajo z osnovnimi privzetki o vesolju. Nasprotje bo spodbudilo teoretične raziskave in še natančnejša merjenja. Pri podvigu Planck so sodelovali številni raziskovalci z vsega sveta. Še nekaj časa bodo obdelovali dobljene podatke.

COBE, WMAP in Planck so najpodrobneje merili prasevanje z vsega neba. Prasevanje na določenem pasu valovnih dolžin iz določenih smeri so raziskovali tudi z zemeljskega površja, na primer z Antarktike, ali z balonov. Tako ga bodo raziskovali še naprej.

***

Prof. dr. Janez Strnad Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani