Objav reliktového žiarenia je jedným z najlepších dôkazov veľkého tresku

Píše sa rok 1964.

Na kopci Crawford, v areáli Bell Telephone Laboratories blízko New Jersey v USA dokončujú dvaja rádioastronómovia, Arno Penzias a Robert Wilson, rádiometer.

Jeho konštrukcia pripomína malú maringotku s veľkým slúchadlom. Určené je na rádioastronómiu, teda zachytávanie signálov z vesmíru, a pokusy so satelitnou komunikáciou.

Pri testovaní zachytáva zariadenie veľa šumu. Experimentátori vylúčili všetky vonkajšie vplyvy, ktoré im zišli na um, no zdroj problému nenašli. Nakoniec v anténe objavili zahniezdené holuby a neporiadok, ktorý po nich zostal. Dali sa do upratovania.

V tom istom roku pracoval tím Roberta Dickeho z univerzity v Princetone na jednej zaujímavej úlohe. Niekoľko fyzikov vtedy nezávisle od seba prišlo s myšlienkou, že celý vesmír vypĺňa chladné žiarenie s teplotou pár Kelvinov, teda niekoľko stupňov nad absolútnou nulou.

Toto žiarenie má pekné označenie – reliktové, mali by mu zodpovedať rádiové vlnové dĺžky. Na Princetonskej univerzite začali s konštrukciou antény, ktorá by ho zachytila.

„Chlapci, dostali nás“

Je 20. máj 1964 a Penziasovi a Wilsonovi sa stále nedarí zbaviť šumu, ktorý v satelite zachytávajú. Podarí sa im však odhadnúť jeho teplotu – zhruba 4 Kelviny. Vedia, že na zachytení niečoho podobného pracuje aj tím v Princetone. Svoj problém s nimi prekonzultujú.

Na druhej strane telefónnej linky je Dicke. Jeho tím práve konštruuje zariadenie na odhalenie reliktového žiarenia – hneď mu je jasné, čo je zdrojom 4-stupňového šumu antény Penziasa a Wilsona.

Ťažko povedať, ako sa Dicke po tomto telefonáte cítil. Nepochybne šlo o trpké zistenie, že ich po niekoľkoročnom snažení iní vedci predbehli, navyše iba náhodou. Keď zložil telefón, oznámil svojim kolegom „chlapci, dostali nás“.

Na počiatku bolo svetlo

Aby sme pochopili, prečo bol tento objav taký významný a odkiaľ sa reliktové žiarenie (označované aj kozmické mikrovlnné pozadie) vzalo, musíme sa vrátiť späť v čase. Nestačí o tisíce či milióny rokov, ale takmer až na úplný počiatok – veľký tresk.

Na začiatku bolo svetlo, no to nie je všetko. Na začiatku bola aj hmota, ktorá bola horúca a nabitá a bránila tak svetlu vo voľnom pohybe. Takže, hoci bolo na začiatku svetlo, vesmír nebol priehľadný.

Vplyvom rozpínania vesmír pomaly chladol. Slovo pomaly je na mieste, trvalo zhruba 380-tisíc rokov, kým dosiahol teplotu 4-tisíc Kelvinov. Pri tejto hodnote je hmota už dosť pokojná na to, aby sa elektróny spojili s jadrami a vytvorili tak neutrálne atómy.

Tie už nebránia svetlu v pohybe, a to sa mohlo konečno začať voľne šíriť priestorom. Hmota postupne chladla a pod vplyvom gravitácie začala postupne tvoriť hviezdy, planéty, plynové mračná – vlastne takmer všetko, čo vo vesmíre vidíme.

Otázka za osem miliónov švédskych korún (odmena za udelenie Nobelovej ceny) bola, čo sa stalo s prvotným, reliktovým svetlom.

Naťahovala sa aj vlnová dĺžka svetla

Od tej doby až po dnešok prešlo vyše 13 miliárd rokov a celý ten čas sa vesmír pomaličky rozpínal. Medziročný prírastok bol nevšimnuteľný, no celkový efekt bol významný – vesmír sa roztiahol 1100-krát (v každom smere).

Spolu s vesmírom sa naťahovala aj vlnová dĺžka svetla v ňom. Krátke vlny zodpovedajúce teplote 4-tisíc Kelvinov sa natiahli až na dlhé vlny zodpovedajúce (nepriamo úmerne) teplote 1100-krát menšej, zhruba 3 Kelviny. Teplota reliktového žiarenia by tak dnes mala byť 3 Kelviny.

Presne takéto žiarenie plánoval zachytiť tím Dickeho a presne toto žiarenie nakoniec zachytil Penzias a Wilson.

Dôkaz veľkého tresku

Píše sa rok 1978 a táto dvojica si preberá Nobelovu cenu za fyziku. Objav, ktorý sa im podaril tak trochu so šťastím, je jedným z najlepších dôkazov veľkého tresku – iné poriadne vysvetlenie, prečo je celý vesmír rovnomerne vyplnený žiarením s danou teplotou, neexistuje.

Z reliktového žiarenia sa toho o vesmíre však dozvedáme ešte oveľa viac. Niet sa čomu čudovať – bolo takmer vždy a všade.

Teória inflácie

Teplota žiarenia nezávisí od smeru, z ktorého k nám prichádza. To je prekvapivý poznatok – znamená to, že teplota vesmíru bola všade takmer rovnaká už tesne po veľkom tresku.

Nielen tento problém vyriešila teória inflácie – počas zlomku prvej sekundy došlo k extrémne prudkému rozpínaniu a (viditeľný) vesmír sa stihol termalizovať (vyrovnanie teploty), kým bol ešte oveľa menší.

Inflácia znížila nerovnosti v teplote, no nie úplne – na oblohe sa objavujú mierne teplejšie a chladnejšie miesta. Vieme spočítať, aké veľké by mali byť, a výsledok porovnať s realitou.

Ak by nesedel, znamenalo by to, že vesmír je zakrivený a lúče svetla sa v ňom ohýbajú. Ukazuje sa, na veľkej škále je vesmír naozaj plochý. Túto plochosť znovu vysvetľuje teória inflácie – ak je niečo krivé a riadne sa to nafúkne, vyrovná sa to.

V reliktovom žiarení je toho zakódovaného ešte oveľa viac. Ak sa pozrieme na uhlové vzdialenosti medzi teplými a chladnými oblasťami, dostaneme tento graf:

Z jednotlivých vrcholov sa dá vyčítať krivosť vesmíru, početnosť baryónov (bežnej hmoty) či podiel tmavej hmoty vo vesmíre. Samotná existencia hustejších a redších miest je kľúčová aj pre našu existenciu – je základom pre formovanie galaktických štruktúr.

V reliktovom žiarení by sme mali objaviť aj stopy gravitačných vĺn, no to sa zatiaľ ešte nepodarilo.

Šum na obrazovke

Píše sa rok 2013 a teleskop Planck Európskej vesmírnej agentúry dostáva zo Zeme svoj posledný povel. Za 4,5 roka zberu dát nám poskytol zatiaľ najlepší obraz o tom, ako vyzeral vesmír tesne po svojom vzniku. Na lepší si ešte budeme musieť počkať, jeho nasledovníka ešte neoznámili, ide o stámiliónové investície.

Dôvodom vysokej ceny sú vysoké požiadavky na rozlišovacie schopnosti. Zachytiť reliktové žiarenie, jeden z dôkazov veľkého tresku, nie je, mimochodom, zložité.

Pravdepodobne sa to nevedomky podarilo aj vám – na anténe analógových televízorov. Odhadom jedno percento čiernobieleho šumu je spôsobené práve ním.

Autor je fyzik, pôsobí na UK v Bratislave