Prema sadašnjem razumijevanju najranijeg razdoblja u povijesti svemira, oko 380 tisuća godina nakon njegova početka u velikom prasku, temperatura tvari bila je postigla dovoljno nisku vrijednost (oko 3000 K) da se slobodni elektroni i protoni mogu početi udruživati u neutralne atome vodika. Taj proces rekombinacije je omogućio fotonima – paketićima elektromagnetskog zračenja – da po prvi put neometani nabijenim česticama prostruje prostorom. Do toga je trenutka svemir bio neproziran i u njemu zapravo nije bilo moguće razlikovati tvar i zračenje. Otada se, pak, svemirom prostire to prvo svjetlo oslobođeno rekombinacijom. Ono stiže do nas sa svih strana neba zamalo savršeno jednakim intenzitetom, i to u obliku mikrovalova. To pozadinsko mikrovalno zračenje je najsnažnije pri frekvenciji od 160,2 GHz, što odgovara temperaturi „neba“ od oko -270,5°C (2,7 K). Kada je to svjetlo nastalo, ono je imalo skoro 1100 puta višu temperaturu, ali ga je približno 13,8 milijardi godina širenje svemira, koliko je proteklo od te prve rekombinacije, jako „pocrvenilo“, tj. rastegnulo mu valne duljine u radijsko područje. Mi ga stoga doživljavamo kao hladnije.
O uvjetima koji su vladali prije no što je svemir postao proziran, može se samo matematički teoretizirati, budući informacije o ranom svemiru do nas dopiru jedino od toga ključnog trenutka kada je njime nesmetano potekla struja fotona. Stoga je za kozmološka – a i fizikalna općenito – istraživanja mjerenje intenziteta i varijacija u pozadinskom mikrovalnom zračenju od presudnog značaja. Ta je mjerenja potrebno provoditi nevjerojatnom preciznošću: instrumenti u svemirskim letjelicama su u stanju registrirati varijacije u sjaju koje odgovaraju razlikama temperature od samo nekoliko milijarditih dijelova stupnja! Mikrovalnu pozadinu se s većim uspjehom može mapirati iz svemira stoga što tu vrstu zračenja velikim dijelom upija voda u atmosferi našeg planeta. Kako bi ga se moglo zabilježiti, detektori moraju usto biti jako ohlađeni, zamalo do apsolutne nule (-273,16°C).
Zasad najbolju kartu razdiobe mikrovalnog pozadinskog zračenja – kako u smislu prostorne razlučivosti, tako i u pogledu osjetljivosti - dobili smo od ESA-ine svemirske letjelice Planck, u čijoj je konstrukciji i radu sudjelovala i NASA. Planck je bio lansiran u svibnju 2009. g. te je postavljen u točku na oko 1,5 milijun kilometara od Zemlje, Suncu nasuprot (tj. u drugu Lagrangeovu točku sustava Sunce-Zemlja). Misiju je okončao u listopadu 2013. g. Ali premda je mapiranje reliktnog zračenja iz vremena kada se svemir kakvog poznajemo tek rađao bio primarnim ciljem Planckove misije, to nipošto nije bila i jedina njegova zadaća. Prije nekoliko dana su objavljeni rezultati višegodišnjeg opserviranja te letjelice koji se tiču građe naše galaktike Mliječnog Puta, također bez premca u svojoj kategoriji. Ti podaci nisu zanimljivi samo astrofizičarima koji proučavaju strukturu i razvojni put spiralnih galaktika, već na posredan način i kozmolozima koji analiziraju pozadinsko mikrovalno zračenje.
Prašina, plin, nabijene čestice i magnetska polja u Mliječnom Putu.
Velike slike: kompozit, prašina, plin, nabijene čestice i magnetska polja
Zahvaljujući širokim rasponima valnih duljina koje su mogle biti registrirane dvama Planckovima instrumentima, u prikupljenim podacima je bilo moguće – a i nužno – razlučiti iz kojeg je izvora stigla koja emisija. Naime, kozmičke mikrovalove nije proizvela samo praiskonska rekombinacija atoma vodika, već oni stižu i iz nama puno bližih i manje egzotičnih izvora, poput međuzvjezdane prašine. To je zračenje za kozmologe šum kojega treba prepoznati i vješto ga odvojiti od pozadinskog zračenja. Pogled im ometa cijela naša galaktika! Ali ono što je za njih otpad, za druge je znanstvenike pravo blago. Zahvaljujući Plancku, dobili smo prvorazredne prikaze razdiobe prašine (gore lijevo) i plina (gore desno) u Mliječnom Putu, ali i svjetlosti koja nastaje međudjelovanjem nabijenih čestica bez sudaranja (dolje lijevo) i koju proizvode takve nabijene čestice što se gibaju duž galaktičkih magnetskih polja, ubrzane njima zamalo do brzine svjetlosti (dolje desno). Potonja slika je vjerojatno najčudesnija od četiriju sastavnica kompozitnog prikaza (na vrhu stranice), budući ona otkriva inače nevidljive magnetske silnice orijaških razmjera, iz diska galaktike izdignute daleko u njen halo. Slično tome, i prašinski sadržaj Mliječnog Puta rasut je haloom, no plin - kako pokazuje Planck - ostaje vezan uglavnom uz disk naše galaktike.
Ilustracija ESA-ine svemirske letjelice Planck na „radnom mjestu“.
U ožujku prošle godine je objavljen jedan znanstveni rad u kojem je iznijeta tvrdnja da je u podacima dobivenima dvama antarktičkim teleskopima za mikrovalove dobivena potvrda dviju fundamentalnih, ali dosad neprovjerenih pojava: gravitacijskih valova i kozmičke inflacije. One obje figuriraju u teorijskim modelima moderne fizike, no podjednako ostaju izvan domašaja eksperimentalne ili promatračke provjere. Hipotetsko eksponencijalno „napuhivanje“ prostorvremena u prvim trenucima njegova postojanja - tzv. inflacija – umetnuto je u model nastanka svemira kako bi se protumačila neka njegova evidentna svojstva, poput izvanredne ujednačenosti temperature pozadinskog zračenja. Ta je inflacija, ako se dogodila, trebala proizvesti snažne gravitacijske valove, koji bi onda utjecali na pozadinsko mikrovalno zračenje, i to tako da bi ga polarizirali na jedan specifičan način. Spomenuto je istraživanje je, navodno, otkrilo upravo tu točno određenu polarizaciju pozadinskih mikrovalova. Međutim, pomna analiza Planckovih podataka pokazala je da je veliki dio te polarizacije - ako ne i svu – izazvala ne kozmička inflacija, već međuzvjezdana prašina, koje je na promatranom dijelu neba bilo više no što se pretpostavljalo. Moguće je da izmjerena polarizacija ima uzrok i u inflaciji, i u prašini, ali u ovom času nije moguće razlučiti u kojoj su mjeri ta dva utjecaja zastupljena. Eventualna potvrda kozmičke inflacije i postojanja gravitacijskih valova, trebat će stoga pričekati novi naraštaj znanstvenih instrumenata.
ESA/NASA/JPL-Caltech
http://www.space.com/28478-spectacular-milky-way-maps-planck-images.html
http://planck.caltech.edu/news20150205.html