Kosmologia, nauka o całym Wszechświecie i jego początku, próbuje znaleźć możliwie najlepszy model zdarzeń z tamtych dni. W ubiegłym tygodniu trzy zespoły naukowców opublikowały wyniki badań silnie wzmacniające nowy “model zgodności” Wszechświata, według którego w Kosmosie jest dokładnie tyle materii i energii ile potrzeba do tego aby był on płaski.

Jedynie 4 lub 5% z tej materii i energii jest zwyczajną materią, większa część to jakiś rodzaj egzotycznej ciemnej materii, a reszta jest ostatnio odkrytą “ciemną energią” powodującą coraz szybsze tempo rozszerzania się Wszechświata. Nowe odkrycia dostarczyły również silnych argumentów broniących mającej już 21 lat teorii inflacji, tłumaczącej bardzo szybkie powiększenie objętości Wszechświata w ciągu pierwszego okresu 10-32 sekundy jego istnienia.

Nowe badania polegały na pomiarach niezwykle małych różnic temperatury w mikrofalowym promieniowaniu tła kosmosu. Ta nikła poświata promieniowania dochodzącego z całego obszaru nieba jest echem przemiany fazowej jaka miała miejsce między 300 000, a 500 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy gaz wypełniający ówczesny Wszechświat stał się przezroczysty dla emitowanego przez siebie promieniowania. Występujące wtedy małe różnice temperatury (mierzone w z dokładnością jednej części na milion) wywołały nieznacznej gęstości fale w jednorodnej substancji wypełniającej Wszechświat od momentu zainicjowania procesu inflacji. Według tej zadziwiającej teorii, fale dały początek mikroskopowej wielkości, losowym fluktuacjom kwantowym w skali cząstek elementarnych, a te z kolei zostały wprost niewyobrażalnie powiększone podczas inflacji i przekształciły się w gromady galaktyk zaludniające dzisiaj Wszechświat na poziomie struktur wielkoskalowych.

Dokładne rozmiary i moc tych nieregularności powinny umożliwić określenie parametrów ilościowych. Wielu astronomów jest obecnie zajętych poszukiwaniem możliwości pomiaru na niebie ich intensywności w różnych skalach. Pełna teoria Wszechświata inflacyjnego przewiduje, że wykres mocy powinien być skomplikowany z szeregiem maksimów różnej wielkości – jak dźwięki wysokich częstotliwości wydawane przez instrument muzyczny opisuje go kosmolog Wayne Hu z University of Chicago. Znając dokładne wielkości tych maksimów i ich kształty Kosmologowie będą mogli wiele dowiedzieć się o początkach Wszechświata, jego kształcie, historii i zawartości.

Pierwsze maksimum charakterystyki zostało odkryte w ubiegłym roku. Wielkość i lokalizacja (w skali tuż poniżej 1 stopnia) tego maksimum dowiodły, że przestrzeń jest płaska – innymi słowy materialno-energetyczny budżet wczesnego Kosmosu był dokładnie taki by perfekcyjnie zrównoważyć proces jego zapadania i rozszerzania się. W ubiegłym tygodniu naukowcy realizujący trzy projekty badań w Antarktyce – BOOMERANG (przyrządy pomiarowe wynoszone balonem), MAXIMA (przyrządy pomiarowe wynoszone balonem) i Interferometr Poziomu Nierównomierności Tła – DASI (Degree Angular Scale Interferometer, pomiary naziemne) – wspólnie opublikowali znalezienie przewidywanego uprzednio drugiego i ślady trzeciego maksimum w rozkładzie mikrofalowego promieniowania tła. Powstanie tych i kolejnych maksimów przewidziano na podstawie wykrytych zgęszczeń materii powstałych w wyniku grawitacyjnego zapadania się materii wczesnego Kosmosu, rozepchniętych potem ciśnieniem promieniowania i później zapadających się ponownie.

Kosmologowie odetchnęli z ulgą po podkryciu drugiego maksimum. W ubiegłym roku wstępne analizy wyników otrzymanych w ekperymentach: BOOMERANG i MAXIMA wykazały bowiem, że drugiego maksimum nie ma bądź jest bardzo nikłe. Mogloby to spowodować, że co najmniej 7% tego co tworzy Wszechświat musiałoby być materią barionową – protonami i neutronami będącymi głównymi składnikami atomów czyli całej zwyczajnej materii jaką znamy. Jednakże, według oszacowań dotyczących fizyki nuklearnej wczesnego okresu Wielkiego Wybuchu, materia barionowa powinna stanowić zaledwie od 4 do 5% tego co powstało. Drugie maksimum, o którym poinformowano w ubiegłym tygodniu, dokładnie odpowiada tym przewidywaniom. Jego odkrycie było zwycięskim połączeniem dwóch całkowicie różnych koncepcji pomiaru ilości zwyczajnej materii jaka powstała w wyniku Wielkiego Wybuchu. Ilość tej materii – jak potwierdził eksperyment DASI zgadza się doskonale z ilością określoną za pomocą pomiarów deuteru powstałego w wyniku Wielkiego Wybuchu.

Ostatnio pojawiła się konkurencyjna teoria – zderzenia Wszechświatów (pisaliśmy o tym). Według niej wskutek kolizji dwóch różnych Wszechświatów powstała zarówno materia jak i energia wypełniająca nasz kosmos. Teoria inflacji jak i teoria zderzenia usiłują dojść do tego samego rożnymi drogami czyli pokazać początki Wszechświata. Teoria inflacji jest już ustabilizowana i przyjęta przez astrofizyków ale teoria zderzenia ma posmak nowości co jest atrakcyjne – powiedział dr Tomasz Bulik z CAMK PAN.

Na obecnym etapie nie można rozstrzygnąć, która z nich jest prawdziwsza. Być może za 20 – 30 lat, gdy będziemy w stanie badać promieniowanie grawitacyjne tła uzyskamy odpowiedź – zaznaczył.

Autor

Marcin Marszałek