Anyagvilág - Háttérinformáció:

Gravitációs hullámok nyomai

Tartalomjegyzékhez Világképem     

Szenzációs felfedezésről számoltak be amerikai kutatók, amely — ha ismételt vizsgálatok megerősítik — igazi áttörést hozhat a mai fizikai és kozmológiai alapkutatások több területén is. A Harvard Smithsonian Asztrofizikai Központ sajtótájékoztatóján tett bejelentés szerint a déli sarki BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarisation) távcső mellett dolgozó kollaboráció ősi gravitációs hullámok lenyomatait fedezte fel a Nagy Bumm utáni maradványsugárzás (a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás: CMB) polarizációjában.

Az eredmény több szempontból is felbecsülhetetlen jelentőségű. Egyfelől közvetve bizonyítja a gravitációs hullámok létezését, amely az Einstein-féle általános relativitáselmélet utolsó, közvetlen megfigyelések által még nem igazolt jóslata. Ennél is fontosabbnak tűnik azonban a Világegyetem születését és fejlődését leíró kozmológiai modellekre gyakorolt hatása, illetve a kvantumfizika és az általános relativitáselmélet közt feltárt szoros kapcsolat, amelynek elmélete — a kvantumgravitáció — máig kidolgozatlan.

A mostani bejelentést megelőzően a tényleges megfigyelésekből a kutatók csak a Nagy Bumm után nagyjából 1 perccel végbement folyamatokat — nevezetesen az első könnyű elemek, a hidrogén, a hélium és a lítium atommagjainak képződését, illetve ezek részarányait — tudták összevetni a modellszámításoknak a nukleoszintézisre vonatkozó jóslataival. Az ezt megelőző történésekre számtalan egymással versengő modell létezett, de róluk nem voltak valóságos megfigyelések.

A most bejelentett eredmény a Nagy Burnmot követő elképzelhetetlenül rövid időszakig, a billiomod másodperc billiomodának billiomodáig tolja vissza ezt a határt, amikor a Világegyetem eddig csupán elméletileg feltételezett, elképesztően gyors, exponenciális ütemű tágulása (felfúvódása, más néven: inflációja) végbement. Eközben az Univerzum mérete Planck-hossz-nyi átmérőből (ez centiméterben kifejezve 10-35: a tizedesvessző után az első nem zérus jegyig 35 nulla áll) a ma belátható Világegyetem sugarának (10-28 centiméter: az 1 után 28 nulla áll) sokszorosára tágult.

A kozmológia standard modellje szerint a ma az egész Világegyetemet kitöltő, 2,72548 kelvines (mínusz 270,42452 Celsius-fokos) mikrohullámú háttérsugárzás mintegy 380 ezer évvel a Nagy Bumm után keletkezett, amikor az Univerzum tágulása miatti lehűlés lehetővé tette a semleges atomok létrejöttét, és a Világegyetem átlátszóvá vált a fény, azaz a fotonok számára, amelyek ezután szabadon terjedhettek.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (CMB) hőmérséklet-eloszlása: kék színnel az

átlagnál hűvösebb, vörössel az átlagnál melegebb régiókat jelölték

(KÉP: NASA/WMAP SCIENCE TEAM)

A CMB hőmérséklete a megfigyelések szerint csaknem teljesen homogén és izotróp eloszlású, csupán parányi (százezred résznyi, azaz μK nagyságrendű) ingadozások figyelhetők meg benne. A WMAP-műhold mikrohullámú égbolttérképén ezeket piciny vörös, illetve kék pöttyök jelzik, attól függően, hogy az átlagnál melegebbek vagy hűvösebbek. Ezek a hőmérsékletingadozások a felfúvódás előtti kvantumos sűrűségfluktuációknak felelnek meg: idővel ezekből fejlődtek ki azok az anyagcsomók, amelyekből a csillagok és a galaxisok létrejöttek.

Az inflációs modellel azonban nem csupán a mikrohullámú háttérsugárzás már korábban megfigyelt jellegzetességei (nagyfokú homogenitás és izotrópia, illetve benne a parányi hőmérséklet-ingadozások) magyarázhatók meg: olyan jelenségeket is megjósol, amelyeket a mostani bejelentésig nem figyeltek meg. Ilyenek az infláció során keletkező erőteljes gravitációs hullámok lenyomatai, amelyek a számítások szerint a CMB polarizációjában, illetve annak egyik komponensében jelennek meg.

A Világegyetem inflációja közben keletkezett gravitációs hullámok halvány,  de jellegzetesen csavarodó

mintázatot (B-módust) hoznak létre a CMB polarizációjában. Az ábrán a BICEP2-távcső által megfigyelt

eloszlás látható, amely megfelel az inflációs modell jóslatának. A fekete szakaszok a polarizáció erősségét

és irányát, míg a vörös és kék árnyalás az óramutató járásával ellentétes, illetve azzal megegyező

csavarodás fokát jelzik az égbolt egyes pontjaiban. (KÉP: BICEP2 COLLABORATION)

 

Naplemente az antarktiszi BICEP2- (az előtérben)

és a Déli-Sarki-távcső (a háttérben) mögött
(KÉP: STEFFEN RICHTER/HARVARD UNIVERSITY)

A BICEP-távcső a CMB polarizációját két összetevőre: az E- és B-módusra bontja. Az E-módust egyszerűen a fotonoknak az atomos anyagcsomókon (a sűrűségingadozásokon) való szóródása hozza létre, ahhoz hasonlóan, ahogy a földi légkör atomjai és molekulái szórják a napfényt (az E-módus eloszlása a CMB-ben már 2002 óta ismert).

A gravitációs hullámok (a fényhez hasonlóan) „kezességgel" rendelkeznek: ennek eredményeként jellegzetes, „jobb- és balkezes" csavarodása polarizációt keltenek. Ez a B-módus, amely az E-nél jóval gyengébb, és a gravitációhoz kapcsolódó jelenségek, így gravitációs fényelhajlás (közbeeső galaxisok lencsehatása), illetve gravitációs hullámok hozhatják létre. Utóbbiak hatása ahhoz hasonlítható, ahogy az erőteljes hullámverés fodrozódásokat kelt a part menti homokban. A gravitációs lencsehatás létrehozta B-módust már tavaly sikerült kimutatni a CMB polarizációjában, a korai, éppen felfúvódó Világegyetemben keletkezett ősi gravitációs hullámok halványabb nyomait azonban csak most sikerült észlelni.

Gravitációs hullámok keletkezését az Univerzum történetének ebben a korai időszakában csak az inflációs Univerzum-modellek jósolják. Ezért a B-módus kimutatása a CMB polarizációjában nem csupán maguknak a gravitációs hullámoknak a létezését bizonyítja (közvetve), hanem egyúttal az őket előre jelző kozmológiai modelleket is megerősíti.

Amennyiben tehát a BICEP2 most bejelentett eredményét további ellenőrző megfigyelések is igazolják, akkor ez egyfelől több, az inflációs modell alternatívájaként kidolgozott (s annak többé-kevésbé ellentmondó) elméletet cáfol. Másfelől új elemmel bővíti a csillagászati megfigyelések eszköztárát, amelyben ezután az elektromágneses hullámok mellett a gravitációs hullámok is helyet kaphatnak: ez várhatóan új lendületet ad majd a nagy gravitációshullám-detektorok építésének és fejlesztésének is.

Tartalomjegyzékhez Világképem     

-----------

Forrás: http://www.cfa.harvard.edu/news/2014-05

Élet és Tudomány 2014/14 - 420-421.o.