14 maja 2009 r. z kosmodromu Kourou w Gujanie Francuskiej najpotężniejsza europejska rakieta Ariane 5 ECA wyniosła w kosmos orbitalne teleskopy Herschel i Planck – unikatowe instrumenty naukowe o łącznej wartości prawie 2 mld euro. Oba przeznaczone do obserwacji w dalekiej podczerwieni i na falach submilimetrowych, gdzie swoje sekrety ujawniają nawet najgęstsze obłoki międzygwiazdowe, a źródłami promieniowania są obiekty o temperaturze tak niskiej, że nie da się ich dostrzec w świetle widzialnym.
Po kilku tygodniach dotarły do miejsca pracy – położonego po przeciwnej niż Słońce stronie Ziemi i oddalonego od niej o 1,5 mln km tzw. drugiego punktu Lagrange’a. Zajmują tam ustalone położenie względem naszej planety i Słońca, co ułatwia osłanianie teleskopów przed promieniowaniem obu tych obiektów i utrzymywanie przyrządów pomiarowych w stałej temperaturze. W przypadku Herschela robocza temperatura detektorów promieniowania to ok. 2–10 K (czyli od ok. –271 do –263 st. C), zaś Plancka to zaledwie 0,1 K. Gdyby ją podwyższyć, detektory zaczęłyby świecić jaśniej niż obserwowane ciała niebieskie.
Świadek kosmicznych narodzin
Herschel, nazwany tak dla upamiętnienia Williama Herschela, jednego z największych astronomów w XVIII w. i odkrywcy promieniowania podczerwonego, służy do badania procesów, które ponad 10 mld lat temu doprowadziły do powstania galaktyk. Umożliwia też asystowanie przy narodzinach gwiazd w naszej Galaktyce (pisanej zwyczajowo dużą literą i często nazywanej Drogą Mleczną), a także badanie atmosfer i powierzchni ciał Układu Słonecznego oraz identyfikację związków chemicznych znajdujących się w obłokach międzygwiazdowych. Za jego pomocą zdobyto m.in. wyraźne wskazówki świadczące, iż najgęstsze obłoki obfitują w skomplikowane związki organiczne, i zrewolucjonizowano wyobrażenia o warunkach, w jakich mogą powstawać fulereny (cząsteczki zbudowane z wielu atomów węgla, z których najszerzej znana wygląda jak mikroskopijna piłka futbolowa).
Zagadnienia te są dość hermetyczne, więc szansa, że przykują uwagę laików, jest niewielka. Może się to jednak zmienić, jeśli w jakimś obłoku (najlepiej położonym niezbyt daleko od Słońca) zostaną wykryte aminokwasy (a jeszcze lepiej DNA lub białka). Warto też wiedzieć, że część aparatury Herschela powstała w Centrum Badań Kosmicznych w Warszawie, a w badaniach międzygwiazdowych fulerenów duży udział mieli astronomowie polscy.
Realną możliwość zdobycia ogromnej popularności ma za to Planck, upamiętniający imię Maxa Plancka – niemieckiego fizyka, który za położenie podwalin pod mechanikę kwantową w 1918 r. otrzymał Nagrodę Nobla. To trzeci już teleskop orbitalny do badań tzw. promieniowania reliktowego, niosącego obraz Wszechświata z epoki, w której upłynęło niespełna 400 tys. lat od Wielkiego Wybuchu. W 1978 r. za odkrycie tego promieniowania otrzymali Nobla Arno Penzias i Robert Wilson, a w 2006 r. uhonorowano w ten sam sposób Johna Mathera i George’a Smoota, którzy pierwsi zmierzyli mikroskopijne, lecz niezwykle ważne wahania jego natężenia. Jeśli Planck spełni pokładane w nim nadzieje, jego twórcy także zasłużą na Nobla. Byłby to chyba pierwszy przypadek trzykrotnego przyznania tej nagrody za badania nad tym samym tematem.
Jak zbadać promieniowanie reliktowe?
Co sprawia, że promieniowanie reliktowe jest tak atrakcyjne? Do chwili jego odkrycia w 1965 r. na równych prawach współistniały dwie przeciwstawne teorie kosmologiczne: Wielkiego Wybuchu (zgodnie z którą Wszechświat miał początek) i stanu stacjonarnego (zgodnie z którą dowolnie dawno temu Wszechświat wyglądał tak samo jak dzisiaj). W teorii stanu stacjonarnego na promieniowanie reliktowe praktycznie nie ma miejsca i jego obserwowane własności trzeba mozolnie odtwarzać za pomocą wprowadzanych ad hoc parametrów. Natomiast teoria Wielkiego Wybuchu nie tylko przewiduje jego istnienie, lecz pozwala obliczyć jego charakterystyki.
Po uwzględnieniu różnych błędów i niepewności, wyniki takich obliczeń okazały się zgodne z obserwacjami. Nie ma więc żadnej przesady w stwierdzeniu, że z chwilą odkrycia promieniowania reliktowego kosmologia przestała być domeną czystej spekulacji i przerodziła się w dyscyplinę opartą na solidnej podstawie empirycznej. Wprawdzie Penzias i Wilson zarejestrowali je przez przypadek (ich aparatura została skonstruowana z myślą o łączności satelitarnej), ale pierwszy Nobel był niewątpliwie zasłużony.
W nauce często zdarza się, że po rozwiązaniu jakiegoś problemu pojawiają się nowe znaki zapytania. Tak było i tym razem. Coraz doskonalsze instrumenty ukazywały coraz większą doskonałość promieniowania reliktowego, które zdawało się docierać do nas ze wszystkich kierunków z dokładnie takim samym natężeniem. Oznaczało to, że 400 tys. lat po Wielkim Wybuchu materia była rozmieszczona we Wszechświecie bardziej równomiernie niż cukier w filiżance herbaty po jej energicznym wymieszaniu. Ale jeżeli młody kosmos nie miał żadnej struktury, to skąd wzięły się w nim galaktyki, gwiazdy i planety?
Teoretycy znów zabrali się do roboty i wyliczyli, że wszystkie te obiekty mogły powstać z mikroskopijnych zaburzeń rozkładu materii, które zostały wzmocnione przez grawitację. Te wyliczenia także można było zweryfikować. Hipotetyczne zaburzenia miały być widoczne na naszym niebie jako różnej wielkości „plamy”, wysyłające promieniowanie reliktowe o natężeniu nieco mniejszym lub większym od średniego.
Opisując te plamy astronomowie posługują się najczęściej nie natężeniem, lecz temperaturą promieniowania, którą można utożsamiać z temperaturą jego źródła. Przewidywane fluktuacje temperatury były tak małe, że ich zaobserwowanie i zmierzenie z powierzchni Ziemi okazało się praktycznie niemożliwe. Aparaturę pomiarową umieszczono na pokładzie satelity Cosmic Background Explorer (COBE), który wystartował w listopadzie 1989 r. Dwa lata później zespół kierowany przez Nathera i Smoota wykrył wahania temperatury na poziomie 0,001 proc. Zarodki struktury Wszechświata zostały odnalezione! Sam Smoot oświadczył, że poczuł się, jakby spojrzał w twarz Bogu, a dla środowiska naukowego drugi „reliktowy” Nobel był równie bezdyskusyjny jak pierwszy. Ale era szczegółowej eksploracji młodego Wszechświata dopiero się rozpoczynała. Na rozwiązanie czekała kolejna zagadka – tzw. problem izotropowości.
Porównując fluktuacje temperatury o różnych amplitudach i rozmiarach do czcionek drukarskich można powiedzieć, że dowolnie wybrane skrawki nieba oglądanego w promieniowaniu reliktowym (czyli obrazy dowolnie wybranych fragmentów młodego Wszechświata) wyglądają jak strony zadrukowane czcionką o tym samym kroju. Podobnie jak one zawierają tyle samo poszczególnych „liter”, co oznacza, że zostały ukształtowane przez ten sam proces. Na pierwszy rzut oka nie ma w tym nic dziwnego; trzeba jednak pamiętać, że oddziaływania fizyczne rozprzestrzeniają się z prędkością światła.
Można obliczyć, że w ciągu 400 tys. lat od Wielkiego Wybuchu dowolnie wybrany fragment Wszechświata zdołał się skontaktować tylko z tymi fragmentami, które na naszym niebie są od niego odległe najwyżej o 1,7 stopnia (taki promień kątowy miałaby trzyipółkrotnie powiększona tarcza Księżyca). Fragment widoczny w tle Gwiazdy Polarnej i fragment leżący gdzieś daleko za Krzyżem Południa z pozoru nie miały na to żadnych szans, jednak w jakiś tajemniczy sposób zdołały wymienić informacje.
Zagadka inflacji
Rozwiązanie problemu izotropowości znalazł amerykański fizyk Alan Guth, który – jeśli Planck potwierdzi jego przewidywania – będzie kolejnym kandydatem do Nagrody Nobla. W hipotezie Gutha fragmenty Wszechświata nawiązują kontakt, po czym tracą go i znów nawiązują. Kontakt zostaje zerwany podczas tzw. inflacji – niezwykle szybkiej ekspansji czasoprzestrzeni, do której dochodzi tuż po Wielkim Wybuchu, zaś jego przywracanie trwa do dziś. Pozornie niepowiązane ze sobą obszary reliktowego nieba są więc obrazami wycinków czegoś, co przed inflacją stanowiło dobrze ukształtowaną całość.
Hipoteza inflacji nie tylko rozwiązuje zagadkę izotropowości, lecz pozwala przewidzieć wiele własności fluktuacji temperatury promieniowania reliktowego. Część tych przewidywań została w ostatnich latach potwierdzona przez bezpośredniego poprzednika Plancka – satelitę WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Jest to mocny, ale jeszcze nie ostateczny argument za poprawnością inflacyjnego opisu najwcześniejszych chwil Wszechświata. Przekonujących dowodów ma dostarczyć Planck, który jest zdolny do wykrywania i mierzenia efektów niedostrzegalnych dla WMAP. Astronomowie ukończyli już dokonywany za jego pomocą przegląd reliktowego nieba.
Pierwszy wynik tych obserwacji to opublikowana przez Europejską Agencję Kosmiczną mapa, świetnie ilustrująca trudności, jakie napotykają badacze promieniowania reliktowego. Niezakłóconą emisję można rejestrować tylko na stosunkowo niewielkich obszarach, położonych daleko od Drogi Mlecznej. Większość nieba pokrywają chaotyczne smugi poświaty, pochodzącej z międzygwiazdowych obłoków w naszej Galaktyce. Obecnie trwają prace nad jej odfiltrowywaniem, a jednocześnie prowadzony jest drugi przegląd nieba, który powinien zakończyć się w grudniu bieżącego roku.
Po odfiltrowaniu emisji międzygwiazdowej astronomowie spróbują odnaleźć ślady odciśnięte w promieniowaniu reliktowym przez wyemitowane podczas inflacji fale grawitacyjne (rozprzestrzeniające się z prędkością światła deformacje czasoprzestrzeni). Jeśli je znajdą, uzyskamy informacje o tym, co działo się we Wszechświecie w czasie od 10–35 do 10–33 sekundy po Wielkim Wybuchu (właśnie tyle miałaby trwać inflacja). Warunków, jakie wtedy panowały, nie odtworzy żaden ziemski akcelerator. Nie to jest jednak najważniejsze. Pozytywna weryfikacja hipotezy Gutha wykaże, że przyczyną pojawienia się pierwotnych zaburzeń gęstości były mikroskopijne fluktuacje kwantowe. Nasza geneza zostanie tym samym wywiedziona ze stochastycznych praw fizyki mikroświata.