Jesteś tutaj

„Jest takie światło, które nigdy nie gaśnie” – śpiewał przed laty zespół The Smiths. Od prawie 14 miliardów lat, czyli od szacowanego początku Wszechświata, istnieje w nim starożytne światło, którego słaby blask jest pozostałością po Wielkim Wybuchu – to mikrofalowe promieniowanie tła (CMB, ang. cosmic microwave background)

CMB to tylko jedna ze składowych kosmicznego promieniowania tła (CBR, ang. cosmic backround radation). Jedna z kilku, lecz najważniejsza, gdyż tworzą ją najstarsze we Wszechświecie fotony. Najstarsze, bo powstałe w pierwszych godzinach po Wielkim Wybuchu. W okresie następujących po nim 300 tysięcy lat fotony rozpraszały się głównie na elektronach, wchodzących – wraz z protonami i jądrami helu – w skład pierwotnej gęstej plazmy. W ciągu następnych 100 tysięcy lat stygnięcia protony, cząstki alfa i elektrony połączyły się w atomy wodoru i helu, zaś Wszechświat stał się przeźroczysty, a fotony mogły się swobodnie rozprzestrzeniać.

I tak podróżują przez 13,8 miliardów lat – na tyle szacuje się bowiem wiek Wszechświata. Zanim dotarły do naszych detektorów, długość ich fal doznała przesunięcia ku czerwieni, dlatego obserwujemy je jako CMB. Za odkrycie zgodności ich widma z modelem ciała doskonale czarnego przy pomocy satelity COBE Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2006 otrzymali John Mather i George Smoot.

Według najpopularniejszego modelu kosmologicznego wczesny Wszechświat przeszedł okres gwałtownej ekspansji, tzw. inflacji, podczas której jego objętość wzrosła więcej niż kwintylion razy. Związane z inflacją zaburzenia gęstości spowodowały wytworzenie się fal dźwiękowych, które rozprzestrzeniły się we Wszechświecie i wytworzyły charakterystyczne wzory zmian polaryzacji CMB. Przez analogię do bezwirowego pola elektrycznego E wzory takie nazywa się E-modami i zostały one zaobserwowane przez satelity WMAP, Planck oraz naziemny dedykowany kosmologii teleskop ACT (ang. Atacama Cosmology Telescope) umieszczony na pustyni Atacama.

Teoria przewiduje, że podczas inflacji oprócz dominujących zaburzeń gęstości powinny też zostać wygenerowane pierwotne fale grawitacyjne. Ich podpis w polaryzacji CMB byłby zupełnie inny: czysto wirowy (bezźródłowy), toteż przez analogię z polem magnetycznym B określany mianem B-modów. W ostatnich latach B-modów poszukiwał satelita Planck oraz zespół detektorów SPT (ang. South Pole Telescope), BICEP2 i Keck Array zlokalizowany na Biegunie Południowym.

Sprawę komplikuje fakt, że promieniowanie tła biegnąc do nas poprzez kosmiczną sieć masywnych struktur – gromad galaktyk – doznaje tzw. słabego soczewkowania grawitacyjnego na skutek czego z pierwotnych E-modów tworzą się B-mody. Na szczęście własności statystyczne wytworzonych w ten sposób B-modów są bardzo charakterystyczne – przypominają własności E-modów. Zostały one zaobserwowane przez satelitę Planck oraz SPT na Antarktydzie. Dokładnie rok temu zespół projektu BICEP2 ogłosił odkrycie sygnału B-modów odbiegającego od artefaktu wytwarzanego przez soczewkowanie. Doniesienie to zelektryzowało społeczność fizyków i kosmologów, chociaż podobny efekt mógłby spowodować także pył międzygwiazdowy obecny w naszej galaktyce. Pył ten polaryzuje rozpraszające się na nim światło, zanieczyszczając pierwotną składową CBM, czyli to najstarsze światło we Wszechświecie.

Konkurujące wcześniej zespoły Planck i BICEP2 połączyły ostatnio swe siły w  poszukiwaniach słabego sygnału B-modów w kosmicznym promieniowaniu tła. Perspektywa wykrycia fal grawitacyjnych z epoki inflacyjnej, z 10-36 sekundy po Wielkim Wybuchu, jest niezwykle frapująca. Ich odkrycie, a następnie badanie ich własności pozwoliłoby „sięgnąć, gdzie wzrok nie sięga”, tzn. dosłownie do samego początku Wszechświata, gdyż najstarsze światło uwolnione zostało, gdy Wszechświat miał ok. 400 tysięcy lat.

Stoimy więc u progu nowej ery polarymetrycznych badań CMB. W styczniu 2015 roku do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) został zgłoszony projekt nowej generacji misji satelitarnej COrE+, poświęconej badaniom początków Wszechświata. Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego uczestniczy w tym projekcie.

 

Na podstawie artykułów: „Cosmology: The oldest cosmic light” (portal Nature.com) oraz „Planck: Fale grawitacyjne pozostają nieuchwytne” (portal Orion).

Konsultacja naukowa: prof. dr. hab Marek Biesiada z Zakładu Astrofizyki i Kosmologii w Instytucie Fizyki im. Augusta Chełkowskiego Uniwersytetu Śląskiego.

Mapa B-modów polaryzacji odkrytych przez zespół BICEP2. Na osi pionowej deklinacja, na poziomej – rektascensja (obie współrzędne w stopniach kątowych). Badany obszar na sferze niebieskiej został wybrany w rejonie najmniej zanieczyszczonym przez promieniowanie mikrofalowe naszej Galaktyki (Foto: www.wired.com)
Zespół pięciu polarymetrów Keck Array usytuowany w okolicach Bieguna Południowego (Foto: blog Weak Nuclear Force)
Mapa emisji pochodzącej od pyłu w naszej Galaktyce, poziome pasmo pośrodku odpowiada dyskowi Galaktyki. Charakterystyczny układ natężenia emisji obrazuje pole magnetyczne Drogi Mlecznej (Foto: ESA/Planck Collaboration)