Początek. Jim Baggott
pól elektromagnetycznych. Między płytkami nie działają żadne siły, z wyjątkiem ich wzajemnego, zupełnie nieistotnego przyciągania grawitacyjnego, które na potrzeby naszego eksperymentu można bezpiecznie zignorować.
Chociaż między płytkami nie działają żadne siły, te nieznacznie zbliżają się do siebie. Co się dzieje? Wąska przestrzeń między płytkami ogranicza liczbę fotonów wirtualnych, jakie mogą tam występować. Gęstość fotonów wirtualnych między płytkami jest więc niższa od ich gęstości w innych miejscach. Końcowy rezultat jest taki, że płytki doznają czegoś w rodzaju wirtualnego ciśnienia promieniowania, które jest tym większe i tym bardziej popycha płytki ku sobie, im większa jest gęstość fotonów wirtualnych na zewnątrz płytek. Jest to zjawisko Casimira, po raz pierwszy dostrzeżone w 1948 roku przez holenderskiego fizyka Hendrika Casimira.
Oto odpowiedź na nasze pytanie. To kwantowe fluktuacje pola inflacyjnego, które wypełniało Wszechświat zaledwie 10–35 sekundy po jego narodzinach, w wyniku kosmicznej inflacji odcisnęły się na wielkoskalowych strukturach Wszechświata. Fluktuacje kwantowe odpowiedzialne są za wystąpienie anizotropii na poziomie kilku części na 100 000.
COBE, WMAP I PLANCK
Horyzont Wszechświata w chwili rekombinacji stanowi „powierzchnię ostatniego rozproszenia”. Wyobraźcie sobie tę powierzchnię jako rodzaj trójwymiarowego lustra. Powstający w tym lustrze obraz ukazuje nam Wszechświat taki, jaki był ledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Obraz ten zawiera również ślad fluktuacji kwantowych, które dominowały 10–35 sekundy po Wielkim Wybuchu, powiększonych do olbrzymich proporcji przez kosmiczną inflację, będących niczym gigantyczny odcisk palca, zostawiony na kosmicznym miejscu zbrodni. A ponieważ światło uwolnione przez rekombinację w większości pozostało wyłączone spod wpływu późniejszej ewolucji Wszechświata (pomijamy stygnięcie i przesunięcie w zakresie długości fali), obraz wciąż się utrzymuje, mimo że zwierciadło już od dawna nie istnieje.
Teraz przejdźmy do drugiego pytania. Czy możemy spojrzeć na ten obraz? Czy dostrzegamy wspomniane fluktuacje w kosmicznym promieniowaniu tła?
Musimy zachować ostrożność. Jak się okazuje, jest kilka źródeł anizotropii kosmicznego promieniowania tła i trzeba umieć je rozróżniać. Istnieją trzy tak zwane pierwotne anizotropie. Z naszej perspektywy najważniejsza z nich jest ta, którą ukształtowały pierwotne fluktuacje kwantowe, odzwierciedlone w drobnym zróżnicowaniu rozkładu materii (a co za tym idzie, w zróżnicowaniu temperatury promieniowania).
Drugi rodzaj pierwotnej anizotropii jest skutkiem ścierania się grawitacji i ciśnienia promieniowania w podobnej do cieczy plazmie, co działo się aż do momentu rekombinacji. Grawitacja próbuje skupić jądra atomów w plazmie, podczas gdy ciśnienie promieniowania usiłuje je separować. Taka rywalizacja prowadzi do powstania tak zwanych oscylacji akustycznych: przez ciecz przechodzą, tam i z powrotem, fale dźwiękowe52, które są odpowiedzialne za powstawanie obszarów o nieznacznie podniesionej gęstości materii (poddanych kompresji) i obszarów o pomniejszonej gęstości materii (poddanych rozrzedzaniu). Oscylacje te nakładają się na pierwotne fluktuacje kwantowe. Z kolei różnice w gęstości materii przekładają się na niewielkie różnice temperatury promieniowania.
Trzecim źródłem pierwotnej anizotropii są fluktuacje grawitacyjne, zarówno te z chwili rekombinacji, jak i z późniejszego okresu, które prowadzą do drobnych przesunięć częstotliwości promieniowania. Dodatkowo są jeszcze pierwotne fluktuacje grawitacyjne (tak zwane fale grawitacyjne), powstałe, jak się sądzi, podczas krótkiej, aczkolwiek gwałtownej fazy kosmicznej inflacji. Uważa się, że fluktuacje te skutkują anizotropią w zakresie tak zwanej polaryzacji typu B kosmicznego promieniowania tła53.
Możliwe jest stworzenie teoretycznego modelu, który opisywałby wszystkie te źródła anizotropii. Okazuje się, że ów model jest wrażliwy na szereg parametrów, takich jak gęstość materii barionowej, ciemnej materii i ciemnej energii. Wprowadzenie nawet niewielkich zmian w zakresie tych parametrów skutkuje zmianami przewidywanej struktury pierwotnych wahań temperatury kosmicznego promieniowania tła.
Spodziewanych jest również kilka ważnych drugorzędnych źródeł anizotropii w rejestrowanym promieniowaniu. Pierwsze wynika z prostego faktu, że nasza galaktyka Drogi Mlecznej jest w ruchu. Ruch ten wywołuje drobne „odchylenie dipolowe”: promieniowanie tła wydaje się odrobinę cieplejsze, gdy poruszamy się w jego kierunku, a odrobinę chłodniejsze, gdy oddalamy się od niego. Jeśli mamy odkryć kryjące się w głębi pierwotne fluktuacje, odchylenie to musi być zmierzone i odjęte od danych dotyczących temperatury.
Drugie bierze się z rozproszenia fotonów kosmicznego promieniowania tła na elektronach w przestrzeni międzygalaktycznej wewnątrz gromad galaktyk leżących na „linii wzroku” naszych obserwacji. Efekt ten zmienia nie tylko temperaturę (nieznacznie), lecz także kształt widma ciała doskonale czarnego. Na szczęście gęstość elektronów w przestrzeni międzygalaktycznej jest dość niska i anizotropia nie jest wyrazista. Charakterystyczna zależność od częstości fotonów sprawia, że efekt ten jest łatwo odróżnialny od pierwotnej anizotropii.
W 1977 roku grupa z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykryła odchylenie dipolowe i sporządziła jego mapę, używając instrumentów pomiarowych na pokładzie samolotu zwiadowczego Lockheed U-2, lecącego na wysokości około 21 kilometrów54. Rysunek III na wkładce przedstawia bardziej aktualną mapę nieba obrazującą odchylenie dipolowe. Na podstawie jego analizy można wysnuć wniosek, iż Lokalna Grupa galaktyk, do której należy również Droga Mleczna, porusza się w kierunku Gromady w Pannie z prędkością około 600 kilometrów na sekundę.
Grupa naukowców z Berkeley nie była jednak w stanie znaleźć żadnych dowodów istnienia przewidywanej pierwotnej anizotropii. Stało się oczywiste, że żądaną dokładność można osiągnąć tylko dzięki umieszczeniu instrumentów na pokładzie satelity.
Pierwotnie start satelity COBE planowano na rok 1988, jako część misji promu kosmicznego, jednak starty promów zostały zawieszone po katastrofie Challengera 28 stycznia 1986 roku. Ostatecznie COBE znalazł się na orbicie synchronicznej ze Słońcem 18 listopada 1989 roku.
John Mather, naukowiec z Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA i członek zespołu COBE, 13 stycznia 1990 roku na sympozjum Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Crystal City w Wirginii przedstawił krótką, dziesięciominutową prezentację na temat postępów prac satelity COBE. Wyjaśnił, że sprawy układają się dobrze, ale instrument na pokładzie satelity będzie potrzebował roku z okładem, aby dokonać pomiarów kosmicznego promieniowania tła dla całego nieba. Mógł jednak ogłosić jeden wstępny wynik obserwacji. Na podstawie zaledwie dziewięciominutowej sesji pomiarowej można było potwierdzić, że widmo kosmicznego promieniowania podczerwonego i mikrofalowego naprawdę jest widmem ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,736 kelwina, w późniejszym czasie skorygowanej do temperatury 2,728 kelwina (rysunek 16).
RYSUNEK 16. Pomiary natężenia kosmicznego promieniowania tła jako funkcji długości fali opublikowane przez zespół COBE w 1990 roku. Krzywa odpowiada widmu ciała doskonale czarnego w temperaturze 2,728 kelwina. Wyniki pomiarów eksperymentalnych przedstawiono w postaci punktów, linia ciągła opisuje przewidywaną przez teorię krzywą promieniowania ciała doskonale czarnego. Na podstawie publikacji: D.J. Fixsen, E.S. Cheng, J.M. Gales, J.C. Mather, R.A. Shafer i E.L. Wright, astro-ph/9605054, 10 maja 1996 roku.
Zespół COBE zakończył pracę w pierwszych miesiącach 1992 roku. Odchylenie dipolowe (przedstawione na rysunku III na wkładce) zostało zmierzone i odjęte od mapy temperatur całego nieba. Wyniki ogłoszono 23 kwietnia 1992 roku. Mapa lokalnych temperatur