Zvětšit obrázek

Zvlněné struktury polarizace mikrovlného záření B-modu zapříčiněný gravitačními vlnami raného vesmíru. Kredit: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Pondělní tisková konference byla poprvé oficiálně ohlášena minulý týden. Takřka ihned se na webu začaly objevovat spekulace, co že nám to vědci chtějí sdělit, a toto digitální „klokotání“ vyvrcholilo o víkendu, kdy někdo zveřejnil na internetu interní e-mail členů vědeckého týmu. V noci z neděle na pondělí komunity webových fanoušků propadly hysterii. Ta zapříčinila v pondělní podvečer situaci hodnou zakladatele internetu Járy Cimrmana.

Už hodinu před začátkem konference nebylo možné se připojit na stránku, kde měla celá konference proběhnout. Za dalších patnáct minut spadl pod náporem zvědavých uživatelů kompletně celý web harvard.edu. Rozeběhl se sice za necelé dvě hodiny, nicméně dva odkazy na konferenci zůstaly i nadále nefunkční. Takže proč celé to pozdvižení?

Zvětšit obrázek

Dva mody polarizace CMB

Měření a měření – v ledovém vězení

Program BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization – měření polarizace mikrovlnného záření kosmického pozadí) běží od roku 2006 převážně pod patronací odborníků z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Detektory jsou umístěny v nehostinných oblastech jižního pólu na polární stanici Amundsen-Scott. První verze BICEP1 probíhala v rozmezí let 2006 až 2008. Její nástupce BICEP2 byl spuštěn v roce 2010 (opět na dobu dvou let) a proti předchozí verzi byl díky aplikaci nových technologií desetkrát rychlejší. Ten byl v roce 2011 rozšířen o systém Keck Array, který je pětkrát rychlejší než dvojka (skládá se vlastně z pěti detektorů BICEP2). Jeho životnost se odhaduje do roku 2015, ale brzy dojde k dalšímu rozšíření soustavy o BICEP3.

Nejde o žádné obří přístroje, teleskopy mají malou aperturu a vytrvale skenují malé úseky oblohy ve snaze zachytit co nejvíc fotonů kosmického záření. Nehostinné prostředí oblastí jižního pólu ale díky své poloze umožňuje astronomům nepřetržitě sledovat vybrané části oblohy po dobu šestiměsíční noci, aniž by vám kýžené místo zapadlo co 24 hodin nad ránem pod obzor. Bylo nutno vybrat takovou část nebe, která není stíněna pásem Mléčné dráhy. Nazývá se „jižní mezera“ a na frekvenci 150 GHz (a vlnové délce 2 mm) není rušena rádiovými emisemi a prachoplynovým materiálem naší Galaxie.

Zvětšit obrázek

Efekt inflační fáze na velikost vesmíru. Kredit: NASA/COBE

Hlavním úkolem pozorovacího programu je detekce vln v polarizaci mikrovlnného záření na samotném počátku našeho vesmíru krátce po velkém třesku. Jak krátce? Šlo o nepředstavitelně krátký okamžik: 10^-35 sekundy. V numerickém zápisu to vypadá ještě bláznivěji: T = 0,00000000000000000000000000000000001 sekundy.

Slovně vyjádřeno jedna miliardtina miliardtiny miliardtiny stomiliontiny sekundy. V tom čase se odehrávaly nejpodstatnější děje, které zapříčinily to, proč náš vesmír dnes vypadá právě tak, jak vypadá.

Záření kosmického mikrovlnného pozadí je vlastně nejstarší světlo ve vesmíru z dob 380 000 let po velkém třesku, kdy byl prostoročas ve stavu horkého a hustého plazmatu o teplotě 3 000 K. Od té doby se vesmír rozepjal tisíckrát, takže dnešní teplota tohoto záření jsou necelé 3 K a jeho vlnová délka se posunula do mikrovlnné oblasti. Astrofyzici hledají polarizační vzory v tomto reliktním záření. Polarizované záření má vlny uspořádány určitým způsobem.

Polarizační vzory mikrovlnného záření se rozdělují na dvě složky: E-mode, poprvé pozorované interferometrem DASI v roce 2002, a B-mode, pro kterou jsou charakteristické vířivé struktury (viz obrázek). Tato složka se dělí na dva typy – první je charakteristický pro fázi vesmírné inflace krátce po velkém třesku, druhý typ vzniká gravitačním čočkováním a týká se pozdějších stadií. Program BICEP2 se zaměřuje na detekci prvního typu B-modu polarizace, jenž je spojen s inflací a tvorbou gravitačních vln v raných fázích vesmíru.

Zvětšit obrázek

Chronologický diagram našeho vesmíru od velkého třesku po dnešek. Kredit: ESA / C. Carreau

Tři mušketýři moderní kosmologie

Kdo za tím vším vězí aneb zkusme nahlédnout do minulosti

Je pozoruhodné, že téměř stovku let po stěžejních pracích Alberta Einsteina neuplyne měsíc, kdy by se někde v tisku či na internetu neobjevila byť jen krátká zmínka, že předpovědi STR a OTR jsou pravdivé – tedy že naměřené výsledky konkrétních experimentů (pro Einsteina a jeho současníky doslova nemyslitelných v praktickém provedení) souhlasí do puntíku s jeho predikcemi. Nejinak je tomu teď v případě jím předpovězených gravitačních vln.

Zvětšit obrázek

Albert Einstein (Oren Jack Turner, Princeton, N.J., Wikipedia)

Albert Einstein uveřejnil článek s názvem „Účinek hvězd jako čoček v důsledku ohybu světla gravitačním polem“ v časopisu Science v roce 1936. Pokud patříte mezi patrioty, můžete být hrdi, neboť k napsání tohoto článku Einsteina přemluvil český amatérský astronom Rudi Mandl. V doprovodném dopisu redakci už tenkrát uznávaného periodika Einstein píše: „Před nějakou dobou mne navštívil pan R. W. Mandl a poprosil mne, abych zveřejnil výpočet, což na jeho popud dělám.“

Další pasáž je z dnešního pohledu ještě dojemnější: „Chci Vám poděkovat za zveřejnění tohoto článku, který má sice pramalou hodnotu vědeckou, ale určitě pana Mandla potěší.“

Zajímavé je, že k podobným závěrům se Einstein dopracoval již v roce 1912, tedy tři roky před uveřejněním přelomové obecné teorie relativity. Jelikož ale v té době byly rovnice OTR nekompletní, ohyb paprsků podél velmi hmotných objektů mu vycházel přibližně poloviční, než kolik činí jeho skutečná hodnota. Není známo, zda si Einstein v šestatřicátém roce vůbec pamatoval své původní výpočty gravitačního ohybu světla.

Tím se dostáváme k druhé osobnosti, která hraje v našem příběhu důležitou roli. Výčet objevů a teoretických prací, kterými přispěl k našemu modernímu chápání vesmíru, by vydal nikoli jen na obsáhlý článek, ale na několikasvazkové knižní vydání. Tento svérázný vědec byl většinou svých spolupracovníků (a lidí, kteří s ním měli osobně co do činění) označován za dokonalého hrubiána a velkého morouse. Ale dlužno poznamenat, že i přes specifické povahové rysy šlo o geniálního člověka širokého vědeckého záběru a rozhledu. A na rozdíl od Einsteina byl astronomem. Proto si dopady gravitačního čočkování a jeho dosahu uvědomil brzy po zveřejnění Einsteinovy práce.

Fritz Zwicky (toho času zaměstnán v Caltechu) uveřejnil svůj článek v dalším důležitém vědeckém periodiku Physical Review pouhý měsíc po Einsteinově článku. To, co Einstein považoval za nepodstatný (rozuměj neměřitelný) výsledek OTR, Zwicky prohlásil za nejdůležitější možný důkaz gravitačního projevu hmoty na světlo (a taky za to Einsteina patřičně zkritizoval, jak se na něj slušelo a patřilo).

Zwicky v roce 1933 analyzoval pohyby galaxií v kupě promítající se do souhvězdí Vlasy Bereniky. Z pozorování a následných výpočtů mu vyšlo, že aby se kupa v rámci odstředivých sil nerozpadla, je potřeba asi stonásobně vyšší hmotnosti jednotlivých členů kupy. Už čtyři roky poté publikoval článek, kde navrhuje tři různá ověření obecné teorie relativity. Všechna se týkala gravitačního čočkování. Poukázal na to, že měřením ohybu světla těles nacházejících se za těmito hmotnými strukturami bychom mohli přesněji určit jejich hmotnost. Všechny tři jeho návrhy potvrzení OTR a tím i povahy našeho prostoročasu už byly úspěšně provedeny.

Zvětšit obrázek

Osobitý a multitalentovaný Fritz Zwicky. Kredit: zwicky-stiftung.ch

Třetí osobností, která musí být zmíněna v tomto příběhu, je o více než generaci mladší (a z našeho trojlístku jediný doposud žijící) americký teoretický fyzik a kosmolog Alan Guth. Jemu se povedlo odpovědět na zapeklitou otázku, jež trápila zástupy vědců od té doby, co Albert Einstein vytvořil rovnice teorie relativity, z nichž jednoznačně vyplývala dynamická povaha našeho vesmíru. V době, kdy se Guth etabloval na poli vesmírného výzkumu, byla už teorie velkého třesku víceméně obecně přijímána. Extrapolací rozpínání (na základě tehdy už vícekrát pozměňované Hubbleovy konstanty) směrem zpět – jako když pustíte film pozpátku – byl stanoven počátek našeho vesmíru na víceméně podobnou hodnotu, jakou známe dnes, tedy +/- 13,8 miliardy let.

Jenže s tím přišel velký problém. Problém homogenity a izotropie. Při pozorování dvou protilehlých částí našeho vesmíru zjistili vědci, že mají shodnou teplotu. Jenže tyto části se nacházejí tak daleko od sebe, že za dobu trvání našeho vesmíru prostě neuplynulo tolik času, aby se jakákoli forma elektromagnetického záření mohla dostat z jedné oblasti do druhé (a aby nedošlo k porušení zákonu STR, který nedovoluje jakémukoli signálu překročit limitní rychlost světla), což by umožnilo jakousi tepelnou „synchronizaci“ odlehlých oblastí kosmu. Co s tím?

Alan Guth přišel s přelomovou myšlenkou, že celý náš vesmír prodělal v raném stadiu období tzv. inflace, kdy se exponenciálně rozepnul způsobem, který naprosto překračuje jakékoli naše představy. V neskutečně krátkém čase se objem našeho kosmu rozrostl exponenciálně skoro o třicet řádů rychlostí mnohonásobně překračující rychlost světla. Nesmírně krátká inflační fáze začala v čase 10^-36 sekundy a měla skončit někde mezi 10^-33 a 10^-32 sekundy po velkém třesku. Rozpínání vesmíru samozřejmě pokračovalo i poté, ale mnohem pomaleji. A právě v průběhu inflační fáze měl být raný vesmír divokým rejdištěm gravitačních vln, jež zanechaly otisky polarizace B-modu ve struktuře reliktního záření.

Zvětšit obrázek

Alan Guth se může stát jako jediný z trojice laureátem Nobelovy ceny neboť ta se neuděluje posmrtně. Kredit: Betsy Devine, Wikipedia

Tato teorie měla od počátku přibližně stejně příznivců jako odpůrců. Nejčastější protiargument zněl: „Pomocí jakého mechanismu by mohlo dojít k zbrzdění fáze divokého rozfoukávání vesmíru? Kdyby takto překotná inflační fáze nastala, pokračovala by až do roztrhání našeho vesmíru na subatomární částice.“

Popravdě řečeno na tuto otázku dodnes neznáme odpověď a zatím nikdo nepřišel s něčím elegantnějším než Alan Guth. Nicméně za poslední dekády moderní kosmologie si získala inflační teorie početné zastánce v rámci vědecké obce, a pokud se potvrdí měření projektu BICEP, bude si muset Guth koupit po čertech elegantní smoking.

"D"Artagnan trojice mušketýrů". Toto video bylo velice příjemným zadostiučiněním pro všechny, kteří se několik hodin pokoušeli bezvýsledně připojit k serverům harvard.edu. Jeden z tvůrců BICEP2 Chao-Lin Kuo (Stanford University) překvapil významného spoluautora inflační teorie Andreje Lindeho (Department of Physics at Stanford University) přímo u něj doma, objev mu oznámil a společně si připili. Moment překvapení doslova "mezi dveřmi" je silný.

V I D E O Jak tomu bylo na samém počátku? Inflační fáze i gravitační vlny v krátkém dokumentu

Záznam tiskové konference:  http://www.cfa.harvard.edu/pao/Bicep2_news_con.mp4