Eno najpomembnejših odkritij tega stoletja

Prof. dr. Uroš Seljak o potrditvi inflacijske teorije. Zdaj vemo, kaj se je dogajalo takoj po velikem poku, ko se je vesolje zelo hitro razširilo.
Objavljeno
19. marec 2014 18.16
Gregor Pucelj, Znanost
Gregor Pucelj, Znanost

S Centra za kozmološko fiziko na Berkeleyju so v ponedeljek sporočili, da so s pomočjo antarktičnega radijskega teleskopa BICEP-2 detektirali tako imenovane gravitacijske valove, poenostavljeno odmev velikega poka, in s tem eksperimentalno potrdili inflacijsko teorijo o širjenju vesolja takoj po velikem poku.

Ker doslej niso imeli meritev, je bil to zgolj prostor za špekulacije. A kot kaže ponedeljkova objava, je nedokazana teorija inflacije zdaj dobila eksperimentalni dokaz. Detektirali so obstoj tako imenovane B-polarizacije in izmerili gravitacijske valove velikega poka, kar je kot prvi leta 1996 napovedal slovenski kozmolog prof. dr. Uroš Seljak, vodja Centra za kozmološko fiziko na Berkeleyju, kalifornijski univerzi in raziskovalni instituciji, ki je med najuglednejšimi na svetu. »Prav neverjeten občutek je, da smo to napoved zdaj tudi izmerili,« pravi dr. Seljak, ki je najbolj znan po raziskavah na področju prasevanja, grozdenja galaksij in vpenjanja teh opazovanj v širšo zgradbo vesolja.

Za kaj točno gre pri inflacijski teoriji?

Teorija inflacije pravi, da je 10 na minus 35 potenco sekunde po velikem poku vesolje šlo skozi obdobje zelo hitre ekspanzije, v katerem se je povečalo vsaj za 10 na 25 potenco. Ta dogodek pojasni, recimo, zakaj je kozmično prasevanje tako enakomerno v vseh smereh. Pri kateri energiji se je to zgodilo, do zdaj ni bilo jasno: nekateri modeli so napovedovali energijo 2 x 10 na 16 potenco GeV, drugi pa precej nižjo. Inflacijska teorija tudi napoveduje obstoj gravitacijskih valov, na podlagi katerih lahko natančno določimo to energijo.

Zakaj sta za njeno potrditev tako pomembni detekcija B-polarizacije in meritev gravitacijskih valov?

Ti gravitacijski valovi so zelo šibki. Poleg njih inflacijska teorija napoveduje tudi začetne strukture, iz katerih so nastale današnje galaksije in ki jih imenujemo skalarne perturbacije. Te so precej večje in v kozmičnem prasevanju lahko izmerimo le njihov skupni prispevek. Če so torej gravitacijski valovi premajhni, jih ne bomo opazili v primerjavi z veliko večjimi skalarnimi strukturami.

Polarizacija prasevanja pa deluje drugače. Ta se lahko razdeli na dva dela: E-polarizacija je skalarnega tipa in skalarne perturbacije dominirajo. Obstaja pa tudi B-polarizacija, ki je skalarne perturbacije ne morejo spremeniti. To pomeni, da če izmeriš B-polarizacijo, si s tem izmeril gravitacijske valove.

Inflacijska teorija je edina, ki napoveduje obstoj gravitacijskih valov v prasevanju na tej ravni. Torej imamo napoved teorije, ki je zdaj potrjena, hkrati pa alternativne teorije nimajo iste napovedi, torej so eliminirane. Kljub temu da se v znanosti teorij ne da dokazati, lahko jih samo ovržemo, teorije, ki se skladajo z meritvami, sčasoma postanejo standardne paradigme, ki jih vsi sprejmejo, vsaj dokler jih nove meritve ne ovržejo. Menim, da je zdaj inflacija postala nova paradigma, ki jo bo sprejela večina kozmologov.

Kako in kje so izvedli to meritev in z njo potrdili inflacijsko teorijo?

Eksperiment se imenuje BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) in deluje od leta 2010 na južnem tečaju. Tam deluje tudi njegov naslednik, ki se imenuje Keck. To so v bistvu teleskopi, ampak merijo na valovni dolžini mikrovalov (100 GHz). Meritev je 7 sigma, torej izpolnjuje znanstvene standarde novega odkritja.

Če na kratko opišete vašo napoved iz leta 1996, kako ste do nje prišli?

Leta 1996 sem napovedal obstoj B-polarizacije in njen pomen za gravitacijske valove. Takrat je bilo moje glavno raziskovalno področje teorija prasevanja. Polarizacija takrat še ni bila popularna, saj smo samo nekaj let prej odkrili fluktuacije v samem prasevanju – leta 1992 s satelitom COBE (Cosmic Background Explorer), za kar sta George F. Smoot in John C. Mather 2006. dobila Nobelovo nagrado za fiziko – in smo vedeli, da je polarizacija veliko manjša, tako da ni veliko ljudi delalo na tem. Ugotovili smo, da se da polarizacijo razdeliti na tipa E in B, pri čemer je tip E skalar, tip B pa psevdoskalar, kar pomeni, da se obrne v ogledalu. Takrat so bila leta, ko se je teorija razvijala, danes pa nas je večina teoretikov že šla na druga področja, večina eksperimentalcev na tem področju pa se ukvarja ravno s polarizacijo prasevanja. Kljub temu pa nisem pričakoval, da bo B-polarizacija tako kmalu tudi izmerjena. Signal je namreč presenetljivo velik glede na večino napovedi. Je pa rezultat po svoje zelo preprost, saj se ujema z idejo, da je energijska ploskev inflacijskega polja okrog minimuma parabola.

Kam na lestvici astrofizikalnih odkritij uvrščate detekcijo B-polarizacije?

Večina komentatorjev meni, da je to odkritje na ravni Nobelove nagrade, če bo seveda potrjeno, in med najpomembnejšimi odkritji tega stoletja. Pravzaprav je to eden od redkih primerov, ko en rezultat najverjetneje vodi kar do dveh Nobelovih nagrad: zelo verjetno je, da jo bodo končno dobili tudi tisti, ki so inflacijsko teorijo pripeljali do tega, kar je danes: Alan Guth, Andrei Linde in mogoče še kdo.

Ta meritev tudi odpira možnost eksperimentalne potrditve teorije strun. To pa zato, ker meritev na neki način potrebuje opis v okviru te teorije. Torej se nam odpira pot do eksperimentalnih testov energij, ki so popolnoma nedosegljive iz zemeljskih pospeševalnikov, in teorij, ki do zdaj niso imele preverljivih napovedi.

Širše ozadje in mnenje prof. dr. Tomaža Zwittra s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani o pomenu tega velikega dosežka bomo objavili ob 12. uri.