U ponedeljak, 17. marta, šef kosmološkog projekta BICEP je održao konferenciju za štampu na kojoj je objavio rezultat trogodišnje analize njihovih posmatranja. Ta vest je preplavila elektronske i pisane meedije i za manje od dan obišla Zemljinu kuglu. Originalno saopštenje može da se nadje na sajtu Center for Astrophysics.

Ovo je jedno od najznačajnijih posmatračkih otkrića u kosmologiji do sada. Kratko rečeno, radi se o ovome.

Najdalje što možemo da vidimo u svemiru u bilo kom pravcu su regioni sa kojih je do nas svetlost putovala skoro 14 milijardi godina. To znači da mi vidimo te regione onakvim kakvi su oni bili pre skoro 14 milijardi godina. Mi bukvalno vidimo daleku prošlost naše vasione. Račun pokazuje da je u to doba svemir bio oko hiljadu puta manji nego sada. Šta je na većim rastojanjima, tj. šta je bilo još ranije kada je svemir bio još manji, ne možemo da vidimo jer je svemir tada bio kao u magli, neproziran za svetlost i druge elektromagnetne talase. Značaj otkrića koje je napravio BICEP je da su izmerili efekat preko koga indirektno ipak možemo da znamo šta se dogadjalo u još ranijem, još manjem svemiru, u svemiru kada je bio toliko puta manji nego sada kao što je tipičan virus manji od naše cele Galaksije! (Za one koji se ne plaše matematike to znači za oko 29 reda veličine manji.)

Kako je to moguće?! Da bi to razumeli treba se vratiti nekoliko decenija unazad.

Zamislite da ste student fizike i da vam vaš imaginarni profesor teorije relativnosti zada sledeći zadatak: "Pretpostavimo da je svemir ispunjen fluidom čija je gustina svuda ista i ne menja se sa vremenom. Kakva su svojstva takvog svemira?"

Prvo što bi ste verovatno pomislili je da je to dosadan i trivijalan problem, jer ako se nešto promenilo promenila bi se i gustina za koju vaš profesor zahteva da bude nepromenljiva. Medjutim, posle dva reda računa vi bi ste primetili da po teoriji relativnosti takav fluid ima efektivno negativnu masu, dakle nema gravitaciono privlačenje kao obična materija već anti-gravitaciono odbijanje. Mora dakle da se širi, sam od sebe, bez nametnutog početnog uslova! Šta više, lak račun opet pokazuje da je takvo širenje brže od svetlosti! Usled toga, umesto da sa vremenom vidimo sve više jer nam stiže svetlost od sve daljih objekata, u ovakvom hipotetičkom svemiru mi uvek vidimo samo jedan isti ograničen region oko nas. U prvom momentu vi mislite da ste negde napravili grešku - pa zar nije brzina svetlosti apsolutna granica? Ali se onda setite da je to samo kad se zanemari uticaj masa na prostor i vreme, tj. u ograničenim situacijama koje opisuje takozvana specijalna teorija relativnosti, a ne opšta. Vašem računu može dakle da se veruje.

I dalje unekoliko zbunjeni, vi ipak revnosno predate svoje račune profesoru koji medjutim demonski postavlja naredni zadatak: "Razmotri kakve su kvantne fluktuacije u takvom svemiru!"  Vi već znate da na atomskom nivou i još manjim rastojanjima postoje spontane fluktuacije svake fizičke veličine, to je ono što se zove kvantna mehanika, i da se te fluktuacije obično (mada ne uvek!) usrednjavaju u nulu: maksimum jednog talasa poništava minimum drugog, tako da sve izgleda nepromenljivo i bez efekta. Prionete na račun i nadjete da postoje dve vrste fluktuacija: fluktuacije u vidu talasa gustine energije vašeg fluida koje, kako relativnost zahteva, izazivaju talase fluktuacije u zakrivljenosti prostora i tempu proticanja vremena; i neobični talasi koji ne utiču na gustinu već rastežu prostor levo-desno a sažimaju gore-dole, pa onda sažimaju levo-desno a rastežu gore dole, itd. To su tzv. gravitacioni talasi. Interesantni rezultati ali nimalo neuobičajeni. Medjutim tada vi primetite nešto stvarno dramatično: usled širenja bržeg od svetlosti u ovakvom svemiru vaše fluktuacije su rastegnute van horizonta komunikacije pre nego što kompletiraju svoj ciklus. Minimum jednog talasa više "ne ume" da nadje maksimum nekog drugog, i umesto da se usrednjavaju u nulu ove fluktuacije sada postaju realne i merljive!

Sad ste već ne samo zbunjeni nego i uzbudjeni, pa vam vaš imaginarni profesor kaže da sednete i dišete duboko, i počne da objašnjava da koliko god to čudno izgledalo treba te rezultate ozbiljno uzeti u razmatranje. Jer vi ste samo računali posledice osnovnih zakona kvantne mehanike i teorije relativnosti, dve fundamentalne fizičke teorije koju su potvrdjene u brojnim eksperimentima. Jedino što je hipotetičko u tim računima je postojanje fluida sa gustinom konstantnom u prostoru i vremenu. Medjutim u skoroj svakoj deceniji od postanka teorije relativnosti fizičari, i to velikog kalibra (Ajnštajn, de Siter, Lemetr, Hojl, Zeljdovič, Starobinski, Gut, Linde, Hoking...) iznova su nailazili na nove situacije u kojima se takav fluid prirodno pojavljuje ili čije postojanje može da ima dalekosežne posledice. Na primer, u razmatranju da li se zakoni gravitacije menjaju na malim rastojanjima? Ili u razmatranju da li proces koji dovodi do postojanja Higsove čestice možda operiše ponovo na još većim energijama?

Ta dva pravca istraživanja su u stvari povezana, jer da bi se elementarne čestice približile na manja rastojanja potrebna je veća energija. S druge strane, što je svemir bio manji bio je i topliji, tako da sva ova hipotetička razmatranja možda imaju neke važnosti za razumevanje vrlo ranog, vrlo malog svemira? Jednostavan račun je pokazao koliko malog: za 29 reda veličine manjeg nego sada, ili, kao što rekosmo, kao veličina virusa prema veličini Galaksije. Ta faza eksplozivnog širenja, bržeg od svetlosti, pod uticajem anti-gravitacije hipotetičkog fluida čija se gustina ne menja, dobila je ime inflaciona faza.

Kako sada pretvoriti tu matematiku u fiziku, kako je moguće proveriti ove fantastične, hipotetičke proračune kada najdalje što možemo da vidimo je svemir koji je bio "samo" hiljadu puta manji? Tako se rodila ideja da se razmotre posledice koje kvantne fluktuacije, generisane pa rastegnute u realne u toku inflacione faze, imaju na kasniji svemir. Fizičari su počeli da računaju efekte rane inflacione faze na ono što primamo, na zračenje koje nam dolazi iz hiljadu puta manjeg svemira - takozvano mikrotalasno pozadinsko zračenje.

Od nekolicine usamljenih teoretičara osamdesetih godina prošlog veka ovo je brzo postala jedna od aktivnijih oblasti fizike, pa su i tradicionalno skeptični eksperimentalni fizičari i astrofizičari počeli da obraćaju pažnju. Prvi značajan rezultat je dobijen 1992 godine od strane satelita COBE: po prvi put primećene su male varijacije u temperaturi pozadinskog zračenja, na nivou od 0.001%! Dva svojstva tih varijacija su ukazivala da je njihov izvor ranija inflaciona faza. Najpre, njihova amplituda nije pokazivala zavisnost od talasne dužine, kao što bi se očekivalo ako je njihov izvor fluid čija se gustina ne menja. Drugo, fizičke razmere tih fluktuacija su veće nego što je u to doba (kada je svemir bio 1000 puta manji) bio horizont komunikacije brzinom svetlosti; to ukazuje da su te varijacije temperature upravo posledica fluktuacija gustine formirane u ranijoj inflacionoj fazi, kada se svemir širio brže od svetlosti.

Otkrića satelita COBE su medjutim bila samo potreban ali ne i dovoljan uslov da se zaključi da je naš svemir prošao kroz inflacionu fazu u prošlosti: da nismo videli te i tolike varijacije, inflaciona kosmologija bi bila odbačena; ali postojala su tada i druga razmišljanja o tome zašto te varijacije temperature postoje i kako su mogle da nastanu, tako da samo po sebi njihovo postojanje nije značilo nužno da su posledica kosmološke inflacije.

Otuda se nametla misao: a šta je sa gravitacionim talasima? Njihovi efekti nisu do tada bili primećeni i nije bilo nekih naročitih razloga zašto bi oni  uopšte igrali neku ulogu u ranom, hiljadu puta manjem svemiru. Osim ako se inflaciona faza zaista odigrala pre toga! Jer u toj fazi gravitacioni talasi mora da postoje, i štaviše,  koristeći posmatranja COBE-a, moguće je sa sigurnošću sračunati njihovu jačinu i efekte. Toga se prihvatilo nekoliko (tada) mladih fizičara i došli su do ovog interesantnog efekta.

Dobar broj ljudi je imao iskustvo sa tzv. polarizovanim naočarima. Gledano slobodnim okom, površina reke ili nebo bez oblaka su neprijatno blještavi, dok gledano kroz polarizovane naočare njihov sjaj je znatno smanjen. Ako sada uzmemo takve naočare u ruke i polako ih okrećemo dok gledamo kroz njih u nekom pravcu na nebu, svetlina tog dela neba se menja. Zabeležimo na tabli ili na papiru orijentaciju naočara kada je nebo najsvetlije, kao i pravac u kom smo gledali. Ponovimo to u bar desetak različitih pravaca. Kada pogledamo na crtež svih tih orijentacija naših naočara lako odatle možemo da zaključimo gde je na crtežu položaj sunca!

Teoretičari inflacione kosmologije su predložili astrofizičarima da urade nešto slično sa mikrotalasnim zračenjem koje nam dolazi iz hiljadu puta manjeg svemira. Samo što u tom slučaju "crtež" pravaca maksimalnog intenziteta neće ukazivati ni na kakvo sunce, već na to kako je bila oblikovana topla elektronska plazma koja je u toj fazi rasejavala svoju svetlost prema nama. Slika će izgledati haotično, ali kao što u zvuku orkestra može da se izoluje zvuk svakog instrumenta, tako i ovoj raspodeli polarizacija mogu da se uoče sastavne komponente. Jedna od njih će biti prisutna ako i samo ako su kroz svemir tada prolazili gravitacioni talasi: orijentacije maksimalnog intenziteta će imati na izgled "vrtložnu" raspodelu, sličnu linijama magnetnog polja oko magneta. Šta više, ako i fluktuacije gustine i gravitacioni talasi imaju kao svoj izvor ranu inflacionu fazu, teoretičari su bili u stanju da izračunaju i predskažu statističke korelacije izmedju fluktuacija temperature i polarizacije mikrotalasnog pozadinskog zračenja. To je već bila ozbiljna, prava teorijska predikcija.

Poučeni iskustvom sa satelitom COBE, astrofizičari i eksperimentalni fizičari su opet obratili pažnju. Ali bio je to naporan i skup put. Vodena para apsorbuje mikrotalasno zračenje (zato je mikrotalasna pećnica u stanju da podgreje supu!) Zbog toga su prva posmatranja bila sa mikrotalasnim detektorima na balonima, podignutim iznad najvećeg dela atmosferske vodene pare. To je relativno jeftino, ali je ograničeno i u vremenu i po vidnom polju. Najbolje rešenje je postaviti prijemnik na satelit, ali to je toliko skupo da niti NASA niti ESA mogu sami to da priušte, tako da razvoj takvih satelitskih misija traje i po 15 godina. Srednje rešenje je da se ode na Antarktik, gde zbog niske temperature praktično nema isparenja, pa je vazduh suv i proziran za mikrotalasno zračenje. To je bio izbor BICEP tima. Uz to je bilo potrebno razviti, testirati i proizvesti nove, najbolje na svetu mikrotalasne prijemnike i antene i razumeti ih "kako dišu." Teorijske račune je trebalo sada primeniti na realnu situaciju, koja uzima u obzir geometriju i ograničenja svakog specifičnog detektora, i naći način da se pažljivo i sa sigurnošću obračuna i odstrani uticaj drugih izvora mikrotalasnog zračenja, kao što su medjuzvezdana prašina i daleke "prašnjave" galaksije, koji nisu od interesa za ovaj projekat.

Prvi eksplicitni računi efekata inflacionih gravitacionih talasa na mikrotalasno pozadinsko zračenje su se pojavili 1997. godine. Polarizacija tog zračenja je prvi put izmerena 2002. godine, ali osetljivost nije bila dovoljna da se vidi ima li ili nema indikacija za prisustvo gravitacionih talasa. I evo, 17. marta 2014. godine, posle, kako kažu tri godine pažljivih analiza, BICEP tim je saopštio da imaju evidenciju za signal koji nedvosmisleno pokazuje da su inflacioni gravitacioni talasi bili prisutni u hiljadu puta manjem svemiru: http://www.cfa.harvard.edu/news/2014-05.

Ta slika gotovo da sve sama govori. Prvo treba primetiti grubo vrtložnu orijentaciju ravni polarizacije. Kao i u svakom merenju koje nosi svoje ograničenje, slika nije perfektna, ali je statistički sigurna. Vredi naglasiti da je "ograničenje" merenja temperature mikrotalasnog zračenja o kome se ovde radi deseto milioniti deo stepena (10-7)! Bilo je potrebno 12 godina da se dostigne tolika preciznost.

Drugo što treba primetiti na ovoj slici je da razmera posmatranih "vrtloga" ima raspon od gotovo pet stepeni na nebu.  Ako ispružimo ruku, jedan stepen je pokriven debljinom malog prsta. Na razdaljini od Zemlje do Sunca jedan stepen pokriva dva prečnika Sunca, ili gotovo tri miliona kilometara. A na razdaljini sa koje svetlost putuje do nas čitavih 14 milijardi godina jedan stepen pokriva region od preko 500,000 svetlosnih godina. To znači da "vrtlozi" koje vidimo na ovoj slici odgovaraju regionima od bar million svetlosnih godina, ili drugim rečima, da bi svetlosti trebalo bar milion godina da pređe sa jednog kraja vrtloga do drugog. Procena je medjutim da se faza kada je svemir bio hiljadu puta manji nego sada odigrala samo oko 380,000 godina posle inflacione faze. To znači da kao i slučaju varijacija koje je video COBE, niti svetlost, niti hidrodinamičko mešanje plazme, ni bilo koja druga fizička interakcija nisu imali dovoljno vremena da oblikuju vrtložne strukture koje ovde vidimo. One mora da su posledica ranije inflacione faze kada je širenje brže od brzine svetlosti razvuklo male fluktuacije u formi gravitacionih talasa i "zamrzlo" ih u geometriju svemira. Kasnije, kada se inflacija okončala, novo formirana plazma se rasporedila prema toj geometriji, kao opiljci gvožđa po linijama magnetnih sila, i rasejala svoju sopstvenu svetlost u našem pravcu. (Analogija: ako vam trener naredi da za pet sekundi postavite sve četiri korner zastavice vi znate da to nije moguće. Ako inspekcija pokaže da je ipak svaka zastavica na svom mestu to može da znači samo da su postavljene ranije.)

U očima eksperata ove dve činjenice jasno ukazuju da je naš svemir prošao kroz ranu inflacionu fazu koja se odigrala u dalekoj prošlosti, kada je svemir bio za 29 reda veličine manji. Tada ne samo da nije bilo ni zvezda ni galaksija, ne samo da nije bilo ni atoma, nije čak bilo ni nikakvih elementarnih čestica, ni poznatih ni nepoznatih, već samo misteriozni antigravitacioni fluid koji je diktirao eksplozivno širenje takvog svemira. Pa i ako tu fazu ne vidimo direktno, zahvaljujući ovom preciznom merenju i strogom fizičkom  rezonovanju, mi imamo dokaz za njeno postojanje i neku sliku kako je izgledala. U tome je značaj otkrića BICEP projekta.

Na kraju nekoliko komentara.

Ni ovo, ni bilo koje drugo posmatračko otkriće u kosmologiji do sada nema nikakve veze sa samim Velikim praskom: niti dokazuje njegovo postojanje, niti zavisi od toga da li je Veliki prasak postojao. Štaviše teorijski gledano, Veliki prasak kao jedinstven i neponovljiv dogadjaj iz koga je nastao "ceo" svemir nije jedini kosmološki scenario, a matematički i fizički gledano nije ni najprivlačniji. Kosmolozi medjutim i dalje obično koriste taj pojam kao referentnu tačku, kao nulu na koordinatnoj osi. Otuda se u ovom slučaju čuje fraza da je posmatran "eho Velikog praska." A radi se u stvari o posledici procesa koji se odigrao merljivo kasnije.

Drugo, ko prati dogadjaje u savremenoj kosmologiji zna da su ranija posmatranja pokazala da je naš sadašnji svemir u stanju ubrzanog širenja i da je uzrok toga dominacija nevidljivog anti-gravitacionog fluida, tzv. "tamne energije." Ako ovaj opis zvuči isto kao i opis fluida koji je dominirao inflacionom fazom, to nije varka. Radi se izgleda o fluidima identične fizičke prirode. Razlika je medjutim u njihovoj gustini. Ako upotrebimo za poređenje gustinu obične materije, anti-gravitacioni fluid koji dominira našim sadašnjim svemirom ima ekvivalentnu gustinu kao jedna kašičica vode u zapremini hiljadu puta većoj od zapremine čitave Zemlje, dok je u slučaju inflacije jedan kubni centimetar imao masu veću od mase zvih zvezda i galaksija u vidljivom svemiru. To je ogromna razlika. Da li se tu radi o dva razna fluida ili o jednom istom koji je na neki način evoluirao, da li uopšte postoji neka veza izmedju njih, sve je to sada predmet brojnih teorijskih špekulacija.

Ono što je možda najvažnije da se ne zaboravi je nešto očigledno. Inflaciona kosmologija nije izmišljena da bi pokazala efekat gravitacionih talasa ili da bi objasnila polarizaciju mikrotalasnog pozadinskog zračenja. Inflaciona paradigma je nastala logikom drugih ideja u savremenoj fizici, razvila se dalje analizom baziranoj na zakonima teorije relativnosti i kvantne mehanike, i silom te analize došla do predskazanja do tada nepoznatih efekata kao što su varijacije koje su videli COBE i BICEP. Kada se pogleda taj razvoj teško je oteti se utisku da ovde zaista radi o realnom, dubokom otkriću prirode našeg svemira.

Ogromna sredstva, visoka tehnologija, i bukvalno stotine fizičara su doprineli tom otkriću. Evo imena onih najzaslužnijih. BICEP tim vode, abecednim redom, Džejms Bok, Džon KovačČao Lin Kuo, i Klement Prajk. A prve proračune efekata inflacionih gravitacionih talasa na polarizaciju pozadinskog zračenja su obavili, opet abecednim redom, Mark Kamionkovski, Artur Kosovski, Uroš Seljak (rodom iz N. Gorice, diplomirao i magistrirao fiziku u Ljubljani), Albert Stebins, i Matijas Zaldariaga.

Za nekoliko meseci se očekuje saopštenje još većeg, multinacionalnog tima koji je za slična merenja koristio satelit "Plank" . Obrada tog materijala je u toku i znaćemo uskoro da li će potvrditi, opovrgnuti, ili pojasniti otkriće BICEP projekta.


Otkriveno kako funkcioniše gravitacija



Komentari  
Mr. M
0 #1 Mr. M 23-03-2014 11:35
Odlican i vrlo informativan clanak.
Hvala.
Dodaj komentar