Átütő felfedezés az ősrobbanás nyomairól

Először figyelték meg azoknak az úgynevezett gravitációs hullámoknak a nyomait a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban, amelyek a világegyetem születésének pillanatában indultak el, 13,7 milliárd évvel ezelőtt. A hullámok az ősrobbanást azonnal követő hirtelen tágulásban, az úgynevezett felfúvódásban erősödtek fel annyira, hogy észlelni lehetett őket.

A Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ csillagászai hétfőn sajtótájékoztatón számoltak be felfedezésükről. A kilenc évig tartó megfigyelések eredménye több szempontból is nagy horderejű. Közelebb visz a 13,7 milliárd évvel ezelőtt bekövetkezett ősrobbanás – a tér és az idő, így az egész világegyetem létezésének kezdete – utáni pillanatok eseményeinek, elsősorban az úgynevezett kozmikus felfúvódás megértéséhez. Ugyanakkor megfigyelési bizonyítékot jelent a gravitációs hullámok létezésére. Végül, de nem utolsósorban közelebb vihetnek az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika egyesítése, az úgynevezett kvantumgravitáció létrehozásához.

A szakemberek egyöntetű véleménye szerint ez az egyik legnagyobb felfedezés a kozmológiában, hiszen gyakorlatilag az ősrobbanásról rendelkezünk megfigyeléssel. Ez lehet a legnagyobb kozmológiai felfedezés 1998 óta, amikor felfedezték, hogy az univerzum gyorsulva tágul, aminek oka egy máig rejtélyes taszítóerő, az úgynevezett sötét energia lehet (a felfedezés fizikai Nobel-díjat ért 2011-ben).

Ha megerősítik a mostani eredményt, akkor először lesz észlelési adatunk a felfúvódásról, és - közvetve - a gravitációs hullámokról is.

Az Antarktiszon működő kutatóállomáson helyezték üzembe a mikrohullámú háttérsugárzás polarizációját vizsgáló BICEP-2 távcsövet (az épület tetején, jobbra, a felfelé néző parabolaantenna) Forrás: Harvard University

Albert Einstein 1916-ban jósolta meg a téridő görbületének hullámszerűen terjedő megváltozását, de eddig még nem sikerült kimutatni a gravitációs hullámokat. Az elméletek szerint a gravitációs hullámok nagy tömegű égitestek mozgásakor keletkeznek, és energiát szállítanak el a forrástól. Gravitációs hullámokat bocsáthatnak ki a szupernóva-robbanások, miközben egy csillag magja neutroncsillaggá vagy fekete lyukká omlik össze. Fehér törpék, neutroncsillagok és fekete lyukak ütközése és összeolvadása is keltheti őket, és az ősrobbanás utáni pillanatokból származó gravitációs hullámok is létezhetnek.

Két, egymás körül keringő fekete lyuk által keltett gravitációs hullámok 3D modellje Forrás: NASA

Régóta feltételezték, hogy az ősrobbanáskor, a felfúvódás alatt indult gravitációs hullámok nyomot hagyhattak a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban, ahogyan a partot mosó hullámok is fodrokat alakítanak ki az iszapban. A háttérsugárzás mindenhol jelen van, az egész univerzumot kitölti, mert még az első csillagok és galaxisok születése előtt keletkezett. Ebben találták meg most a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics kutatói a "homokfodrokat", azaz a legősibb gravitációs hullámok nyomait.

"Homokfodrok az iszapban": gravitációs hullámok nyomai a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban Forrás: BICEP2 Collaboration

Felfúvódó világegyetem

Az ősrobbanás utáni fizikai állapotról a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás árulkodik. Fő jellemzője nagyfokú homogenitása, az utóbbi évek űrszondás megfigyeléseivel azonban sikerült nagy pontossággal feltérképezni parányi fluktuációit. Azok a megfigyelések azonban csak a sugárzás hőmérsékletét vizsgálták, polarizációs állapotát nem. A mostani felfedezés alapjául szolgáló megfigyelések kulcsa a háttérsugárzás polarizációja, annak is az úgynevezett B-módusa.

Az akkoriban még új ősrobbanás-elmélet számos megoldatlan problémáját végiggondolva Alan Guth 1979-ben meghökkentő ötletre jutott: valamilyen egzotikus fizikai állapot a Világegyetem parányi tartományait hihetetlenül gyorsan felduzzaszthatta. Ezt a gyors méretnövekedést Guth kozmikus felfúvódásnak (inflációnak) nevezte el. Guth azt tételezte fel, hogy a térfogat 10^–37 másodpercenként a kétszeresére nő, és legalább 60 ilyen megkétszereződés következett be. Az ősrobbanás utáni 10^–35 másodperc alatt a vákuum parányi buborékja az adott modelltől függően 10^{10 000 000}-szoros és
10^{100 000 000 000 000}-szoros közötti mértékben tágult ki.

A hirtelen táguláskor úgynevezett gravitációs hullámok keletkeztek. Ezen hullámok létezését Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg, a gyorsuló mozgást végző tömegek keltik. Az elmélet szerint a felfúvódáskor keltett erős gravitációs hullámok hatására alakult ki az úgynevezett B-módusú polarizáció az elektromágneses sugárzásban. A kutatók az égbolt 2%-án térképezték fel a polarizációs állapotot. Értelmezésük szerint a polarizációs állapotban kirajzolódó mintázat az első közvetlen bizonyíték a téridő ősrobbanás utáni fodrozódásaira. És akkor most még egyszer a fenti ábráról:

A felfúvódásból eredő gravitációs hullámok a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás polarizációs mintájában jellegzetes csavarokat (szakszerűbben úgynevezett B-módusú mintázatot) hoznak létre. A térkép (függőleges tengely: deklináció, fok; vízszintes tengely: rektaszcenzió, fok) az antarktiszi BICEP-2 távcsővel felvett polarizációs mintát mutatja. A vonalak az egyes pontokban a mikrohullámok polarizációjának irányát mutatják. A rózsaszín és kék területek a B-módus csavarodásának ellentétes irányait jelzik. A kapott minta összhangban van az ősi gravitációs hullámokat feltételező elmélet alapján számítottal Forrás: BICEP2 Collaboration

Közelebb a kvantumgravitációhoz

A XX. századi fizika két alapvető elmélete, a klasszikus általános relativitáselmélet, illetve a kvantumelmélet nem egyeztethető össze egymással. A legtöbb jelenség leírására vagy csak az egyik, vagy csak a másik elméletre van szükségünk. Ha azonban az ősrobbanásról (vagy például a fekete lyukakról) van szó, akkor mindkét elméletre egyaránt szükség van, ezért elkerülhetetlen lenne egyesítésük. Ezt az egyesítést jelentené a kvantumgravitáció elmélete. A mostani felfedezés a Világegyetem olyan ősi, azaz olyan nagy energiájú állapotára vonatkozik, amely állapot tulajdonságai közelebb vihetnek a kvantumgravitációs elmélet megalkotásához.

A kutatócsoport vezetője John M. Kovac, a Harvard Csillagászati Tanszékének docense. Kozmológiai kutatásai elsősorban a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásra irányulnak, mert azok a Világegyetem létrejöttét eredményező folyamatok nyomára vezethetnek. Az elmúlt két évtizedben rádiótávcsövek több generációját helyezte üzembe az antarktiszi Amundsen–Scott Állomáson, és végzett azokkal kutatásokat. Már az első bolometrikus távcsöveivel is a B-módusú polarizációt kereste, mint a Világegyetem felfúvódásos eredetének bizonyítékát. A jelenleg használt BICEP2 és SPUD távcsövek érzékenysége már elegendőnek bizonyult az ősrobbanást leíró modellek ellenőrzésére.

Szakemberek a felfedezést – ha másoknak, másfajta megfigyelésekkel is sikerül igazolni – Nobel-díjra esélyes eredménynek tartják. A Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központot az 1839-ben alapított Harvard Főiskolai Obszervatóriumés az 1890-ben létrehozott Smithsonian Asztrofizikai Obszervatórium alkotja. A központ mintegy 300 munkatársának kutatásai az asztrofizika szinte minden fontosabb területét felölelik, többek közt „a Világegyetem természetét és fejlődését meghatározó fizikai folyamatok vizsgálatát”.