Z oběžné dráhy 930 000 mil nad Zemí strávila družice Planck více než čtyři roky detekcí nejstaršího světla ve vesmíru: kosmického mikrovlnného záření na pozadí. Tato fosilie z Velkého třesku vyplňuje každý čtvereční palec oblohy a nabízí pohled na to, jak vesmír vypadal před téměř 14 miliardami let, kdy byl starý pouhých 380 000 let. Planckova pozorování tohoto reliktního záření vrhá světlo na vše od vývoje vesmíru po povahu temné hmoty.
Jen minulý týden Planck zveřejnil nové mapy kosmického mikrovlnného pozadí podporující teorii kosmické inflace, která předpokládá, že vesmír prošel monumentální expanzí v okamžicích po Velkém třesku. Během té doby se prostor rozpínal rychleji než rychlost světla a rostl z menšího než proton na obludnost, která se vzpírá chápání.
Kavli Foundation nedávno hovořila s Dr. Georgem Efstathiou, ředitelem Kavliho institutu pro kosmologii na University of Cambridge a jedním z vedoucích Planckovy mise, aby lépe porozuměli Planckovým nejnovějším výsledkům a jejich důsledkům pro teorii inflace – tento rozhovor následuje níže.
THE KAVLI FOUNDATION: V roce 2013 a nyní letos Planck poskytl velmi silné experimentální důkazy podporující teorii, že vesmír prošel ve svých prvních okamžicích neuvěřitelně rychlou expanzí. Můžete přiblížit nejnovější poznatky a proč jsou důležité?
George Efstathiou: Inflace – teorie, že raný vesmír se ve svých prvních okamžicích neuvěřitelně rychle rozpínal – přináší řadu obecných předpovědí. Například geometrie vesmíru by měla být velmi blízká rovině a to by se mělo odrážet ve fluktuacích, které vidíme ve světle kosmického mikrovlnného pozadí. S prvními Planckovými daty, která jsme zveřejnili v roce 2013, jsme ověřili některé aspekty tohoto modelu s poměrně vysokou přesností sledováním teploty kosmického mikrovlnného pozadí na obloze. S vydáním z roku 2015 jsme zlepšili přesnost těchto měření teploty a také přidali přesná měření vzoru kroucení v kosmickém mikrovlnném pozadí nazývaném polarizace. Tato polarizační měření jsou opravdu důležitá, protože nám říkají, jaká byla struktura vesmíru v raném vesmíru.
Vidíte, existuje několik možností. Například v některých modelech motivovaných teoriemi vyšších dimenzí, jako je teorie strun, mohou být „kosmické struny“vytvořeny v raném vesmíru a ty by generovaly jiný typ fluktuačního vzoru. Nevidíme žádné důkazy pro kosmické struny nebo jiné typy vesmírných defektů. Zjistili jsme, že vše je v souladu – s velmi vysokou přesností – s jednoduchými inflačními modely. Takže například nyní můžeme říci, že vesmír je prostorově plochý s přesností asi půl procenta. To je podstatné zlepšení oproti tomu, co jsme znali před Planckem.
TKF: Nazval jste teorii kosmické inflace karikaturou teorie. Co jsi tím myslel?
G. E.: Ještě nerozumíme základní fyzice, která řídila inflaci, a rozhodně nerozumíme detailům, jak to fungovalo. Nejjednodušší model inflace vyžaduje, aby raný vesmír obsahoval to, čemu se říká skalární pole. Toto pole prostupuje celým prostorem a je zodpovědné za to, že se prostor rozpíná rychleji, než je rychlost světla. A stejně jako všechna kvantová pole obsahuje kvantové fluktuace. Jsou to ty drobné kvantové fluktuace, které, jakmile se během inflace roztáhly, vytvořily strukturu, kterou dnes vidíme v celém vesmíru – všechny galaxie, hvězdy a planety. To je jednoduchý model inflace.
Co je to přesně za pole? nevíme. Existuje mnoho teorií, ale ve skutečnosti jsou to všechny jen dohady. Proto jsem to nazval kreslenou teorií – protože nerozumíme tomu, jak inflace v nějakém zásadním smyslu funguje. Potřebujeme lepší experimentální data, která nám řeknou, jak vypadal raný vesmír, a doufejme, že nás to nasměruje k základní teorii inflace.
TKF: Znamená to, že další kroky jsou experimentální, nikoli teoretické?
G. E.: To je velmi zajímavá otázka. Podle mého názoru bude skutečný pokrok vyžadovat experimenty, protože velmi raný vesmír zahrnuje energetické měřítka mnohem vyšší než cokoli, co jsme byli schopni testovat v laboratorních experimentech zde na Zemi. Když uděláte tak velký skok, vlastně nevíte, jak věci vypadají. To nechává otevřených mnoho a mnoho možností. Například další dimenze předpovídané teorií strun jsou před námi skryté – takže je nezažíváme. Musí být velmi malé a nějakým způsobem „zhutněné“– ale jak, to nevíme. Takže z teoretického hlediska je právě teď příliš mnoho možností. Také v kosmologii mluvíme o vysoce dynamických situacích. Všechno se velmi rychle mění a to je také obtížné teoreticky analyzovat. Vždy existuje možnost, že některé ohromné nové teoretické poznatky zúží možnosti.
Ale myslím si, že musíme dělat experimenty – pokud můžeme –, které experimentálně zúží možnosti. Pokud bychom detekovali gravitační vlny – vlnění v zakřivení časoprostoru – toto měření by možnosti hodně zúžilo. Řeklo by nám to energetickou stupnici inflace. A co víc, jakákoli detekovatelná úroveň gravitačních vln by vytvořila empirické spojení s kvantovou gravitací. Kvantová gravitace, která by sladila gravitační sílu s principy kvantové mechaniky, je velmi důležitým experimentálním cílem, kterého je možné dosáhnout pomocí vysoce přesných experimentů. Myslím, že by to byl nejpravděpodobnější experimentální vývoj, který by mohl skutečně navázat kontakt s fyzikou ve velmi vysokých energetických měřítcích raného vesmíru.
TKF: Jedním z nejvíce propagovaných nových odhalení od Plancka je důkaz, že první hvězdy ve vesmíru začaly zářit asi 550 milionů let po Velkém třesku – což znamená, že jsou mladší asi o 100 milionů let, než se dříve myslelo. Jak jsme to mohli udělat tak špatně?
G. E.: Víte, nechci to tvrdit jako velký vědecký úspěch Plancka - ale je to zajímavé. Abych vysvětlil proč, musím vám dát trochu pozadí. Na konci inflace víme, že vesmír se stal velmi, velmi horkým. Od té doby, jak se vesmír rozpínal, se ochladil. A když byl vesmír starý 400 000 let, teplota byla dostatečně nízká, aby se elektrony a protony mohly spojit a vytvořit neutrální vodík. Takže v té době byl vesmír neutrální a pěkně uniformní.
Můžeme vidět kvasary - velmi jasné kompaktní oblasti v centrech vzdálených galaxií - které existovaly v době, kdy byl vesmír starý asi 840 milionů let. To je opravdu velmi mladé ve srovnání s dnešními 13,8 miliardami let. Pokud by byl vesmír tehdy naplněn neutrálním vodíkem, tento vodík by absorboval světlo kvasaru na krátkých vlnových délkách a my bychom ho dnes při našich měřeních nemohli vidět. Takže protože můžeme vidět toto světlo z těchto kvasarů, víme, že když byl vesmír starý 840 milionů let, už nebyl neutrální. Někdy mezi stářím vesmíru 400 000 let a 840 miliony let musela být do plynu vstříknuta energie, aby se to změnilo. Otázkou tedy je, kde se ta energie vzala?
Musí to být tím, že se vytvořily hvězdy a začaly uvolňovat energii. Nyní, při pohledu na nejhlubší snímky z Hubbleova vesmírného dalekohledu, můžeme vidět některé z těchto velmi raných hvězd. Ale z hvězd, které vidíme, by nebylo možné uvolnit dostatek energie k ionizaci vodíku v době, kdy byl vesmír starý 420 milionů let – jak naznačovala předchozí měření kosmického mikrovlnného pozadí provedená pomocí Wilkinsonovy mikrovlnné Anisotrophy Probe. - nebo WMAP - satelit. Nyní, s Planckovými měřeními, říkáme, že se to stalo o něco později, po 560 milionech let. Tento rozdíl asi 140 milionů let nemusí znít jako mnoho, ale nyní uvádí všechna naše pozorování do souladu.
Toto je velmi, velmi obtížné měření - je to velmi malý signál skrytý za velkým množstvím kontaminace z naší vlastní Mléčné dráhy. Ze všeho toho šumu musíte vydolovat skutečný signál. S Planckem jsme byli poprvé schopni provést toto měření pomocí Planckových dat dvěma různými způsoby. Proč nejsem tak nadšený jako skutečný vrchol od Plancka, je to, že na předchozích měřeních není absolutně nic špatného. Pozorování WMAP jsou naprosto v pořádku, ale pokud vezmete jejich mapy a opravíte kontaminaci Mléčnou dráhou, dostanete stejné odpovědi jako výsledky Planck. Vše je tedy nakonec konzistentní.
TKF: Planckovy výsledky nám také pomáhají porozumět temné hmotě - tajemné látce, která tvoří 20 procent vesmíru, ale dosud nebyla dobře pochopena. Co přesně jsme se dozvěděli o temné hmotě od Plancka?
G. E.: co víme Opravdu, k pochopení temné hmoty jsme ještě hodně daleko. Vedoucím kandidátem je typ částice předpovídaný supersymetrií. Tato teorie předpovídá partnerskou částici pro každou částici, kterou již známe. Ale pokud je tato teorie pravdivá, supersymetrické částice by se měly objevit při srážkách ve Velkém hadronovém urychlovači. Zatím ne. Temná hmota je tedy stále neznámá.
Planck nezjistil žádný signál temné hmoty. Supersymetrie předpovídá, že částice temné hmoty by měly občas interagovat s jinými částicemi temné hmoty a produkovat záblesk energie – proces zvaný anihilace. Ale my to nevidíme. To opravdu není až tak překvapivé. Je snadné se schovat. Takže to je něco, co by mohly vidět budoucí experimenty na kosmickém mikrovlnném pozadí. Ale neviděli jsme žádné známky ničení temné hmoty z Plancka.
Velmi pečlivě jsme se také podívali na neutrina – drobné, všudypřítomné částice, o kterých víme, že se vyskytují ve třech typech. Pokud lze říci, neexistují žádné jiné typy neutrin, které by mohly pomoci vysvětlit některé části temné hmoty. Lidé se také stále snaží určit hmotnost těchto tří neutrin. Z jiných experimentů víme nejmenší hmotnost, kterou tyto tři částice mohly mít. Planck nyní stanovil limit na největší hmotu, kterou mohou mít. Zužujeme možnosti a snad se brzy dozvíme jejich přesnou hmotnost. Neutrina jsou jedny z nejzáhadnějších částic ve vesmíru, takže by to byl důležitý krok k jejich pochopení.
Někteří teoretici také navrhli, že temná hmota a temná energie by mohly nějakým způsobem interagovat. Pokud můžeme říci, temná energie je zcela konstantní - takže neexistuje žádný důkaz, že by interagovala s temnou hmotou.
TKF: Byli bychom lhostejní, kdybychom nemluvili trochu více o gravitačních vlnách. Loni v březnu jiný experimentální tým nazvaný BICEP2 oznámil, že při svých pozorováních velmi raného vesmíru viděl důkazy gravitačních vln. Pak, jen před několika týdny, společná analýza těchto dat, kterou provedli členové Planck a BICEP2, odhalila, že data kontaminoval neidentifikovaný plyn a prach a že gravitační vlny zůstávají neobjevené. Co to znamená pro budoucí naděje na objevení gravitačních vln?
G. E.: Když tým BICEP2 oznámil svůj výsledek, byl jsem opravdu šokován. Signál, který detekovali, byl opravdu velký. Již jsme provedli analýzu založenou na datech Planck 2013 a nastavili jsme limit na to, jak velký může být signál. A měření BICEP2 byla asi dvakrát tak velká. Pokud by tedy BICEP2 skutečně detekoval gravitační vlny, musela by pro nás fungovat nějaká opravdu zvláštní a neočekávaná fyzika, abychom získali tak odlišné výsledky.
Skupina BICEP2 ví, co dělá – tihle kluci jsou stejně dobří jako kterákoli skupina na světě. A na různých verzích tohoto experimentu pracovali 7 nebo 8 let. Takže z experimentální stránky jsou data krásná. Něco jasně odhalili.
Tím něčím mohly být gravitační vlny, nebo to mohl být zasahující prach, který zmátl jejich data. Experiment BICEP2 se dívá na velmi malé zorné pole a Planckův signál k šumu není příliš velký. Domluvili jsme se tedy na spolupráci. V podstatě jsme zlepšili signál k šumu na prachu vzájemnou korelací jejich map s našimi. To ukázalo, že dosud nemáme žádné statisticky významné důkazy o gravitačních vlnách. To řeší konflikt s původními výsledky Planck. A celkově je to dobrá věc. Ke sladění těchto dvou experimentů není potřeba žádná opravdu zvláštní fyzika.
Nyní jsme tedy v situaci, kdy máme limit velikosti signálu gravitační vlny a toto číslo je v souladu s Planckovými výsledky. V žádném případě nevylučuje gravitační vlny. Když se podíváte na společnou analýzu, uvidíte, že tam je spousta místa pro gravitační vlny, které se tam skrývají, těsně pod úrovní, kterou jsme nastavili kombinací dat BICEP2 a Planck. Pokud je to pravda, nemělo by to trvat dlouho, než to vydolujeme. Mohlo by tedy dojít k velmi důležitému vývoji.
