Zvětšit obrázek

Anomálie v datech sondy Planck. Kredit: ESA & Planck Collaboration.

Na jaře nás ohromila zatím nejpodrobnější mapa reliktního záření od kosmické observatoře Planck. Její pozorování potvrdila většinovou kosmologii Velkého třesku, ale také vyvolala řadu nových zajímavých otázek. Nadace Kavli založená norským filantropem Fredem Kavlim nedávno uspořádala diskuzi na téma pozorování observatoře Planck s vědci úzce spojenými s programem Planck, které se zúčastnili George Efstathiou z Univerzity v Cambridge, Anthony Lasenby taktéž z Cambridge a Krzysztof Gorski z kalifornské Jet Propulsion Laboratory. Stejné otázky jsme položili i Pavlu Bakalovi z Ústavu fyziky Filozoficko-přírodovědecké fakulty Slezské univerzity v Opavě a připojili je k redakčně zkrácené verzi diskuze Nadace Kavli.

Kavli: Napadlo by vás někdy, že uvidíte tak úžasné detaily reliktního záření, jaké nedávno nabídla observatoř Planck?

Efstathiou: Nová data sondy Planck poskytla větší detaily reliktního záření, než jsme kdy předtím mohli čekat. Nenapadlo by nás to. Ještě počátkem devadesátých let řada lidí pochybovala o tom, že kdy uvidíme něco víc, než hrubé obrysy reliktního záření.

Gorski: Měli jsme velké štěstí, že jsme během kariéry mohli zažít data sond COBE, WMAP a teď i Plack.

Zvětšit obrázek

Anthony Lasenby. Kredit: Cambridge University.

Lasenby: Když jsem se v roce 1993 připojil k programu Planck, měl to být experiment k proměření anizotropií teploty reliktního záření. A jak to nakonec všechno dopadlo.

Bakala: Rád bych odpověděl na tuto otázku poněkud šířeji. V posledním desetiletí se vkládaly obrovské naděje do otevření pozorovacího okna na bázi gravitačních vln. Jednu dobu to na mezinárodních konferencích vypadalo tak, že nemá smysl dělat nic jiného, než superstruny (pokud jste částicový teoretik) anebo detekci gravitačních vln a související teorii (v případě, že jste relativista). A nyní pro teoretickou astrofyziku a kosmologii přinášejí skutečně nové podněty i data finančně podstatně méně grandiózní projekty družicových observatoří pro elektromagnetická pozorovací okna. To je velmi zajímavé a ukazuje to, že nás stále i díky takovým relativně levným družicovým misím mohou čekat mnohá překvapení. Ať už se jedná o pozorování mikrovln reliktního záření, nebo pozorování akrekce binárních systému s černou dírou či neutronovou hvězdou (LMXB a galaktických mikrokvazarů) v rentgenovém spektru, kterému se já věnuji. Extrapolace trendů je zkrátka nebezpečná a na vědě je nejzajímavější to, co nikdo neočekává...

Kavli: V datech sondy Planck jsou anomálie, které naznačují, že fluktuace v reliktním záření nejsou tak izotropní, jak předpovídá inflační teorie. Změní to nějak váš pohled na inflační teorii?

Efstathiou: Stalo se to, že máme nové otázky k zodpovězení. Data sondy Planck naznačují, že vesmír možná v těch největších měřítcích nebude uniformní. A to je velmi zvláštní. A je otázkou, jak tohle smířit s inflační teorií.

Gorski: Myšlenka, že je vesmír velmi izotropní, se neprosazovala snadno. A není to jen tak nějaká teoretická hrátka, je to koncept podložený pozorováním. Pokud jde o data sondy Planck, zatím není jasné, co vlastně znamenají. Rozhodně ještě přijde čas detailních analýz, které buď s dotyčnými anomáliemi skoncují anebo se stanou základem přehodnocení struktury celého vesmíru.

Zvětšit obrázek

George Efstathiou. Kredit: The Peter and Patricia Gruber Foundation.

Efstathiou: Při hodnocení těchto anomálií máme problém v tom, že známe jen jediný vesmír – ten náš. Nemáme ho s čím srovnat a nemůžeme posoudit, jestli pozorované anomálie mají nějaký hlubší význam. I nejtvrdší zastánci inflačního vesmíru by měli uznat, že vesmír na největších škálách vypadá divně. Je ale otázkou, jestli tahle podivnost vyžaduje novou fyziku.
 

Bakala: Nemám důvod pochybovat o tom, že model velkého třesku obohacený o inflační rozfouknutí by nebyl v hrubých rysech správný. Ale je jasné, že pokud skutečně na fundamentální úrovni věrohodně nespojíme obecnou relativitu a standardní model elementárních částic, nemáme úplnou teorii, kterou bychom mohli použít pro popis podmínek skutečně velmi raného vesmíru. Takže nová data nám mohou poskytnout nová vodítka pro další rozvoj teorie.

Kavli: Proč je důležité, že inflační teorie možná tak úplně nepasuje na to, co vidíme ve vesmíru?

 

Krzysztof Gorski. Kredit: JPL.

Efstathiou: Inflace je krásná teorie, která se pokouší vysvětlit dnešní podobu vesmíru. Pokud jsou Planckova data s inflací v rozporu, mělo by nás to znepokojovat. Možná je inflační teorie špatně, navzdory její jednoduchosti a kráse.

Bakala: Newtonovská mechanika je aproximací Einsteinovy obecné teorie relativity (OTR) pro malé rychlosti a slabá gravitační pole. Čeho je aproximací OTR a následně její kosmologické důsledky? Může einsteinovská relativita být skutečně jenom jedním z mnoha případů, které nastávají při různých nastaveních parametrů nějaké obecnější teorie ? Může náš vesmír interagovat s jinými vesmíry, kde platí jiné fyzikální zákony-  ve smyslu, tak jak chápeme fyzikální zákony my? Napadají mně spíše další návazné otázky.

Kavli: Co podle vás způsobilo fluktuace, které Planck tak detailně zmapoval?

Efstathiou: Podle převládající teorie to původně byly kvantové fluktuace, které zesílila inflace.

Lasenby: Předpokládáme, že prvotní fluktuace z doby Velkého třesku nafoukla inflace a pak z nich vznikly dnešní galaxie.

Bakala: Domnívám se, nejspíše shodně s většinou kolegů, že jde skutečně o projev kvantových fluktuací velmi raného vesmíru.

Kavli: Jaké otázky Planck zodpověděl a jaké nové se teď díky jeho datům objevily?

Lasenby: Planck ve skutečnosti ukázal, že jednoduché modely inflace fungují docela dobře. Zároveň ale vznikla poptávka po alternativních modelech inflace. Je možné, že inflace byla omezenější, než jsme si mysleli.

Efstathiou: Není vyloučeno, že období inflace bylo omezené, ale je to dost ošklivá představa. Rád bych viděl nějaké výpočty, které by to podporovaly.

Zvětšit obrázek

Pavel Bakala. Jeho hlavním vědeckým zájmem je obecná teorie relativity a modelování chování hmoty a záření v blízkosti černých děr a neutronových hvězd. Je členem skupiny LOFT „Strong gravity“ připravované družicové mise ESA „ Large Observatory For X-ray Timing“. Kredit: Ostravské planetárium.

Bakala: Měření družice Planck určitě potvrdilo globální správnost našich kosmologických představ spojených s inflačním modelem. Pro mě je ale hlavní otázkou, zda existence anizotropií a nehomogenit (studené skvrny) nejsou nějak spojeny s nutností hledat meze platnosti našich současných teorií.

Kavli: Co pro vás znamenají úspěchy sondy Planck?

Gorski: Je to unikátní chvíle v historii výzkumu vesmíru, za kterou jsme šli čtvrtstoletí a pocit naplnění je opravdu veliký. Planckovo dědictví přetrvá po dlouhou dobu a další podobná mise se zřejmě jen tak neuskuteční.

Efstathiou: Asi nikdy nepochybuje, že s Planckem odhalujeme základní pravdy o vesmíru. Na jednu stranu se nám potvrzuje existence inflace a vůbec naše představy o prvních okamžicích vesmíru. Zároveň se ale ukazuje, že je tu něco, čemu zatím úplně nerozumíme.

Lasenby: Musím s tím souhlasit. Zajímá mě inflace, ale i alternativy ke standardnímu pojetí inflace. Nové Planckovy výsledky jsou pro mě proto fascinující a jistě není všem dnům konec.

Bakala: Osobně jsem rád, že existují data, která jdou nad rámec očekávaného. Můj přímý vědecký zájem, který  je spojen s rentgenovým zářením akrekce binárních systémů s černými děrami či neutronovými hvězdami, se dotýká mezních podmínek současných astrofyzikálních konceptů z jiné strany. Obdobně jako měření reliktního záření testuje predikce relativistické kosmologie, pozorování chování hmoty a záření v prostředí extrémní gravitace černých děr a neutronových hvězd  testuje obecnou relativitu v režimu silného pole. A nová data Plancka ukazují, že překvapení nejsou vyloučena a že vesmír je stále nenahraditelnou laboratoří pro chování hmoty a záření v extrémních podmínkách a na extrémních škálách.

Literatura

Kavli Foundation 31.7. 2013,Wikipedia (Cosmic microwave background radiation, Planck – spacecraft).