Kiderült, hogy idősebb az Univerzum

2013.03.21. 13:17

A Világegyetem százmillió évvel idősebb, mint eddig gondoltuk, és kicsit több benne a sötét anyag, alapvető kozmológiai elméleteink viszont majdnem helyesnek bizonyultak - ez derült ki a Planck-űrszonda első kozmológiai eredményeit bemutató csütörtöki sajtótájékoztatón.

A Planck-űrszonda mérései alapján minden eddiginél pontosabban tárul a szemünk elé az a pillanatfelvétel, amelyet az űreszközök a Világegyetem 380 ezer éves - szinte újszülött - koráról készítettek. A kép csomócskái a kozmikus háttérsugárzás milliomod fokos egyenetlenségei, amelyek a még régebbi állapot lenyomatát is magukon viselik. A kép nemcsak az ősrobbanás-modell helyességét igazolja, hanem az utána bekövetkezett hirtelen, nagyarányú tágulást, az úgynevezett felfúvódást is. Megállapították, hogy a Világegyetem tágulását jellemző Hubble-állandó értéke 67,3 km/s/Mpc, amiből következően a Világegyetem kora a korábbi legpontosabb mérések szerinti 13,7 milliárd év helyett 13,81 milliárd év.

Forrás: ESA/Planck Collaboration
A Planck-szonda "megtisztított" mérései, a jelenlegi legjobb pillanatkép a Világegyetem ősi állapotáról (a magyarázatot lásd a szövegben)

Teljesen kitisztult a kép

Ezek voltak a legfontosabb eredmények, amelyeket az Európai Űrügynökség (ESA) csütörtöki sajtótájékoztatóján bejelentettek. A Planck-program vezető kutatói először adtak részletes összefoglalót a szonda kozmológiai eredményeiről. A mérési adatok feldolgozása során a tudósoknak sikerült eltávolítani mindazt a képből, ami zavarta a Világegyetem első fényének megfigyelését. Az egyes égitestek sugárzásán kívül a Tejútrendszerben szétoszlott por rádiósugárzásának eltávolítása volt a legnehezebb feladat.

Az így "lecsupaszított" sugárzás a Világegyetem 380 ezer éves állapotát mutatja, amikor az Univerzum még 36 ezerszer fiatalabb volt, mint ma. Az adatok részletes elemzése alapján a kutatók fontos eredményekre jutottak a Világegyetem összetételére, fejlődésére, sőt jövőjére vonatkozóan is, igazolták a standard kozmológiai modell helyességét, de új kérdéseket is felvetettek.

Lehetséges nyomok az Ősrobbanás előtti állapotról

George Efstathiou (Cambridge-i Egyetem) elmondta: a mérések alapján kiderült, hogy a Világegyetemben a látható, közönséges anyag részaránya 4,5% helyett 4,9%, a titokzatos, ismeretlen eredetű sötét energiából viszont kevesebb van, az eddigi 72,8% helyett a Planck mérései szerint "csak" 68,3%. Az ugyancsak ismeretlen természetű sötét anyagból viszont 22,7% helyett 26,8% alkotja a Világegyetemet.

Forrás: ESA/Planck Collaboration
Az Univerzum összetétele a Planck mérései előtt és után (sötét anyag, közönséges anyag és sötét energia)

A kutató elmondta, hogy a kis léptékű, tehát kis szögkiterjedésű hőmérséklet-ingadozások esetében a kozmológiai modellünk és a Planck-szonda mérései között tökéletes az egyezés, a nagy léptékeknél azonban eltérés mutatkozik. Az sem zárta ki, hogy ez a furcsa anomália a Világegyetem korábbi, egyes kozmológusok feltételezése szerint az Ősrobbanás előtti állapotának a tükröződése lehet. Efstathiou elmondta továbbá, hogy a Planck méréseinek még jó része feldolgozásra vár, a polarizációs mérések még jórészt feldolgozatlanok. Az eredmények bizonyára ösztönzőleg fognak hatni az elméleti kozmológiai kutatásokra is.

Az Ősrobbanás égre írott üzenete

A Planck-űrszonda az ESA első űreszköze, amelyet az Ősrobbanásból származó maradványsugárzás, az úgynevezett mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás vizsgálatára készítettek, jelentős NASA közreműködéssel. Felfedezésekor (1965) a háttérsugárzás legmeglepőbb tulajdonsága homogenitása volt, vagyis az, hogy az égbolt minden irányából azonos erősséggel érkezik. Még a múlt században bebizonyították, hogy a 2,7 kelvin hőmérsékletű sugárzás a Világegyetemnek 380 000 évvel az Ősrobbanás utáni állapotát őrzi.

Forrás: NASA
A mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás parányi hőmérséklet-ingadozásait először a COBE műhold mérései mutatták ki - az 1990-es években, meglehetősen gyenge felbontással

Több fizikus, köztük Stephen Hawking az 1970-es és 1980-as években megjósolta, hogy az Ősrobbanás ma is látható fényében parányi hőmérséklet-ingadozásoknak kell lenniük. Ez az Ősrobbanás "égre írott üzenete", amely akkor íródott, amikor a megfigyelhető Világegyetem térfogata még egymilliárdszor kisebb volt a mainál. A fluktuációkat 1992-ben mérte meg először a COBE (Cosmic Background Explorer, kozmikus háttérsugárzást kutató) műhold. (A kutatócsoport vezetője, George Smoot 2006-ban megkapta fizikai Nobel-díjat.)

Létfontosságú hőmérséklet-ingadozások

A kozmikus háttérsugárzás hőmérséklete valóban hihetetlenül homogén. A COBE műhold által felfedezett ingadozások csupán a fok százezred részét teszik ki. Ezek az ingadozások az ősi gázanyag csekély inhomogenitásainak (egyenetlenségeinek) lenyomatai, amelyek azonban később a tömegvonzás hatására galaxisokká, galaxishalmazokká és szuperhalmazokká sűrűsödtek. A COBE méréseinek felbontása - körülbelül 7 fok, azaz a telihold átmérőjének 14-szerese - azonban nem volt elég a finom részletek megfigyeléséhez. Később a földi és a ballonokra szerelt távcsövek számos mérést hajtottak végre az égbolt kisebb területein, de jobb felbontással.

Az első áttörést 2000-ben két héliummal töltött magaslégköri ballon jelentette: a Boomerang (a milliméteres hullámhosszú extragalaktikus sugárzás mérése és geofizikai megfigyelések ballonról) és a Maxima (milliméteres anizotrópia kísérlet képalkotó rendszerrel). Méréseik felbontóképessége körülbelül háromszorosan múlta felül a COBE-t. Ugyanilyen pontos, de az egész égboltra kiterjedő méréseket végez a 2001. június 30-án indított WMAP (Wilkinson mikrohullámú anizotrópia) űrszonda, amely még ma is sugározza a Földre a mérési eredményeket. A WMAP szondát sok kutató mérföldkőnek tekintette, a "precíziós kozmológia" nyitányáról beszéltek.

Forrás: NASA
A WMAP űrszonda kilenc év alatt végzett mérései alapján összeállított kép a háttérsugárzás hőmérséklet-ingadozásairól. A színek a hőmérséklet-különbségeket jelölik. A leghidegebb és a legmelegebb területek közti különbség 0,2 ezred fok. A Világegyetem 13,7 milliárd évvel ezelőtti állapotában látható csomósodások voltak a galaxisok képződésének csírái

Végtelenül nagy Világegyetem

A pontos mérési eredményekre azért van szükség, mert a hőmérsékletingadozások nagyságuktól függő eloszlása számos értékes információt rejt a Világegyetemre vonatkozóan, amelyek az égboltról készült jobb felbontású, azaz élesebb képekből kiolvashatóak. A kellően pontos mérésekből megállapítható az anyag átlagos sűrűsége, a közönséges anyag aránya a sötét anyaghoz képest, amely valamilyen eddig ismeretlen, egzotikus elemi részecskékből áll, a vákuum energiasűrűsége, a Világegyetem tágulásának üteme (a Hubble-állandó).

Forrás: ESA/ LFI & HFI Consortia
A Planck-űrtávcső egy év alatt (2010 júliusig) végzett mérései alapján készített mikrohullámú kép a teljes égboltról. A kép közepén a Tejútrendszer középpontja látható, a fényes, vízszintes sáv a Tejútrendszer fősíkja. Emellett néhány jellegzetes égi objektum helyét is megjelölték a képen

Az ősi gázanyag sűrűségingadozásaiból a Világegyetem története első másodpercének törtrészére vonatkozó információk nyerhetők. Következtetni lehet a Világegyetem nagyléptékű geometriájára, azaz görbületére, amely Einstein általános relativitáselmélete szerint szferikus, sík vagy hiperbolikus lehet. A WMAP adatai alapján az első jelentős felismerés az volt, hogy a Világegyetem geometriája nagyon jó közelítéssel sík. (Ez természetesen nem azt jelenti, hogy visszatérünk a korong alakú Föld képéhez, hanem azt, hogy a Világegyetem nagy léptékű szerkezetét tekintve a tér nem görbült.) A sík geometria azt jelenti, hogy a Világegyetem végtelenül nagy.

Forrás: ESA/Planck Collaboration
A Planck-szonda mérései (piros pontok) a kis méretek tartományában tökéletesen egyeznek a modellekkel (folytonos vonal). A függőleges tengely a hőmérséklet-ingadozások nagyságát mutatja milliomod fokban, a vízszintes tengely az ingadozások szögméretét (látszó kiterjedését) (szög)fokban

Forrás: ESA/Planck Collaboration
A nagy léptékek tartományában (az előző diagram bal szélén) eltérés mutatkozik a Planck megfigyelései és a modellek között. Ez a Planck-szonda most bejelentett legjelentősebb felfedezése. Az anomália az elkövetkező években még sok fejtörést okozhat a kozmológusoknak

Az európai űripar büszkesége

A precíziós kozmológia legújabb fejezetét az ESA Planck szondája nyitotta meg 2009-ben. Feladata mikrohullámú háttérsugárzás mérése, a korábbiaknál nagyobb érzékenységgel (néhány milliomod fok pontossággal), jobb térbeli felbontással és szélesebb frekvenciatartományban. (A küldetés Max Planck német fizikusról kapta a nevét, aki az elektromágneses sugárzás törvényeinek leírásáért 1918-ban kapott Nobel-díjat.)

A szondát 2009. május 14-én Kourou-ból indították. A küldetés költségvetése mintegy 700 millió euró. A Planck műszerei 30 hónap alatt ötször tapogatták le a teljes égboltot. A nagyobb frekvencián dolgozó távcső 2012 elejéig dolgozott, akkor fogyott el a hűtésére használt hélium (a műszer 40 kelvin, azaz -233 °C hőmérsékleten dolgozott). A szonda tömege közel 2 tonna, magassága és legnagyobb átmérője egyaránt 4,2 méter. A távcső átmérője 1,5 méter. Az űrszonda a Nap-Föld rendszer L2 jelű Lagrange-pontjában működik, a Földtől nagyjából állandó, 1,5 millió km távolságban, a Nappal ellentétes irányban.

Forrás: NASA
Fantáziarajz az ESA és a NASA Planck-űrszondájáról

Az ESA részéről Jean-Jacques Dordain főigazgató hangsúlyozta, hogy az európai űripar a Planck megépítésével bizonyította vezető szerepét a világon. Az ESA tagállamai mertek vállalkozni a csúcstechnológiai műszer megépítésére, aminek meglett az eredménye. A NASA bekapcsolódása mellett kiemelte az Európai Nukleáris Kutatási Szervezettel (CERN) való együttműködés jelentőségét, mert a modern kozmológia elválaszthatatlan a részecskefizikától.