Kozmikus háttérsugárzás - fizikai Nobel-díj 2006

A 2006-os fizikai Nobel-díjat John. C. Mather és George F. Smoot amerikai fizikusoknak ítélte oda a Svéd Királyi Tudományos Akadémia "a Világegyetem mikrohullámú háttérsugárzása feketetest-jellegének és anizotrópiájának felfedezésért".

A Világegyetem történetének leírására két modell versengett a múlt század közepén. Az egyik szerint Világegyetemünk egy Ősrobbanással (Big Bang) kezdődött és azóta tágul, a másik szerint pedig állandó állapotban létezik. Már az 1940-es évek végén jelezték elméleti fizikusok, hogy az Ősrobbanás utáni időszakban keletkezett sugárzás maradványa ma mikrohullámú sugárzás formájában jelen lehet a Világegyetemben. A. Penzias és Robert Wilson 1964-ben fel is fedezték ezt a sugárzást, és a meghatározó fontosságú eredményért 1978-ban kapták meg a fizikai Nobel-díjat. Ez egyértelmű bizonyíték volt az Ősrobbanással kezdődő elmélet helyességére.

Az első megfigyelés természetesen csak a sugárzás meglétét igazolta, a részletek, többek között a spektruma alakja, a különböző hullámhosszak eloszlása még tisztázásra várt. Földi, magas hegyeken és a légkörben végzett mérésekkel nem sikerült tisztázni a spektrum alakját - a megoldást műholdakkal végzett mérések szolgáltatták.

1974-ben a NASA pályázatot hirdetett a világűrben végzendő kísérletekre. Ekkor nyújtották be a COBE műhold tervét (a név a kozmikus háttér vizsgálatára utal - COsmic Background Explorer). Az idővel hatalmasra nőtt tudományos program motorja, vezető alakja a most díjazott John Mather volt. Ő felelt azért a fedélzeti műszerért is, amely a sugárzás feketest-jellegét vizsgálta. A másik díjazott, George Smoot a másik meghatározó jelentőségű készülékért, a háttérsugárzás irányeloszlását mérő berendezésért volt felelős. A programban ezernél több kutató, mérnök és más szakember vett részt. A COBE műholdat eredetileg egy űrrepülőgéppel tervezték pályára állítani, de a Challenger 1986-os tragédiája miatt végül hordozórakétával juttatták az űrbe 1989. november 18-án, 15 évvel a javaslat kidolgozása után.

Az első döntő eredmény alig 9 perces adatgyűjtés urtán megszületett: az Univerzum hátttérsugárzása ún. feketetest-sugárzás. 1990 januárjában egy tudományos konferencián felállva, dörgő tapssal fogadták a szakértők a friss hírt, most pedig ez volt az egyik indoka a Nobel-díj odaítélésének. Feketest-sugárzás jellegű sugárzás esetében a test által kibocsátott elektromágneses sugárzás színképének alakja csak a sugárzást kibocsátó test hőmérsékletétől függ. (A feketetest-sugárzás értelmezésére dolgozta ki Max Panck 1900-ban a kvantumhipotézist, így született meg a kvantumfizika.) A megfigyelt sugázás tökéletesen feketetest jellegű volt, 2,7 kelvin hőmérsékletnek felelt meg. A sugárzás eredetileg - mintegy 300 ezer évvel az Ősrobbanás után - egy kb. 3000 Celsius-fokos Világegyetemben született meg, azóta hűlt le a 2,7 kelvines értékre.

A George Smoot által irányított kísérletben arra kerestek választ, hogy egyenletes-e mikrohullámú háttérsugárzás eloszlása, vagy vannak irányfüggő kis eltérések. A kutatók eltérésekre számítottak, ellenkező esetben nem tudták volna magyarázni a galaxishalmazok, galaxisok létezését. Az Ősrobbanás után közvetlenül jellemző egyenletes anyageloszlásban ugyanis valaminek változást kellett előidéznie, különben nem alakulhattak volna ki azok a "csomók", amelyekből később a Világegyetem égitestei létrejöttek. Az anyag csomósodását a sugárzás kvantumingadozásaira vezették vissza. A sugárzás ingadozása által okozott kis eltérést aztán a tömegvonzás felerősítette: az anyag anyagot vonzott, galaxishalmazok, ezeken belül pedig galaxisok formálódtak.

A COBE-kísérlet tervezésénél eleinte egyezred Celsius-foknyi eltérésre számítottak a kutatók. Mások viszont arra hívták fel a figyelmet, hogy a számításoknál a sötét, nem sugárzó anyag hatását is figyelembe kell venni, így viszont már csak százezred fok nagyságrendjébe estek a várható eltérések. Nyilvánvaló, hogy ennyire kis különbségek kimérése igen nagy technikai kihívás.

A COBE mérései végül a földi megfigyelésekkel összhangban mutatták ki bizonyos irányokban a hőmérséklet parányi eltérését. Stephen Hawking 1992-ben a The Timesnak nyilatkozva az évszázad, de akár minden idők legnagyobb felfdedezésének minősítette a COBE mérési eredményeit. Az irányeltérések kimérése, az anizotrópia felfedezése a most odaítélt díj másik indoka.

A COBE méréseit továbbiak követték, legutóbb a WMAP műhold pontosította az anizotrópia térképet, a korábbinál sokkal finomabb részleteket tárt fel (lásd korábbi cikkünket). Az új, pontosabb mérések is igazolták az Ősrobbanás elméletét, és bizonyítékot szolgáltattak arra is, hogy az Univerzumnak volt egy ún. inflációs szakasza, amikor nagyon gyorsan tágult. A hőmérséklet irányeloszlásának ismerete segít a modern fizika egyik nyitott alapkérdésenek megválaszolásában is: milyen a látható anyag, a sötét anyag és az ismeretlen sötét energia aránya és sűrűségeloszlása.

Az Ősrobbanástól napjainkig. Közvetlenül a kezdeti esemény után egy drámai mértékű tágulás következett (felfúvódás). Ezután a tágulás folytatódott, de az üteme egyre lassult. Úgy tűnik, néhány milliárd éve ismét egy gyorsulva táguló szakasz következett, ebben élünk ma. Szerencsére ez az időszak nem olyan viharos, mint a korai inflációs Világegyetemé volt (forrás: WMAP)

John C. Mather 60 éves, Berkeley-ben a Kalifornia Egyetemen doktorált, jelenleg a NASA Goddard-űrközpontjában dolgozik. George F. Smoot 61 éves, a Massachusetts Műegyetemen (MIT) doktorált, jelenleg a Kalifornia Egyetem professzora Berkeley-ben. A díjat egyenlő arányban megosztva kapták.

Jéki László