Z meritvami polarizacije sevanja ozadja zaznali gravitacijske valove

Harvard-Smithsonian Center za astrofiziko je objavil prve rezultate (članek na arXivu), ki neposredno potrjujejo teorijo inflacije, po kateri se je vesolje v prvem delčku sekunde po velikem poku (od 10^-36 do 10^-32 sekunde) izjemno napihnilo in svojo prostornino povečalo vsaj za faktor 10⁷⁸. Ekipa na projektu BICEP2 je v mikrovalovnem sevanju ozadja zaznala gravitacijske valove, kar je korak k potrditvi pravilnosti teorije inflacije.

Mikrovalovno sevanje ozadja je najstarejša slika vesolja, ki jo imamo. Gre za ostanke svetlobe iz starosti vesolja 380.000 let, ko se je vesolje dovolj ohladilo, da so nastali atomi in je postalo prozorno. Pred to točko svetloba ni mogla uiti materiji, zato vesolje ni bilo prozorno. Takrat oddana svetloba pri rekombinaciji protonov in elektronov v vodikove atome pa je potovala v času in prostoru vse do danes. Do danes se je sevanje, ki sta ga leta 1964 nehote odkrila Penzias in Wilson ter kasneje za odkritje prejela Nobelovo nagrado, tako ohladilo, da ima svoj vrh v mikrovalovnem delu spektra. To ustreza sevanju črnega telesa s temperaturo 2,73 K. Za mikrovalovno sevanje ozadja se zdi, kakor da enakomerno prihaja iz vseh strani vesolja, a ni povsem izotropno. V njem najdemo manjše nepravilnosti oziroma anizotropijo, kar kaže na nehomogenosti v zgodnjem vesolju.

Sedaj pa so znanstveniki objavili meritve, ki dokazujejo gravitacijske valove. Meritve temperature sevanja ozadja so dobro znane in pričajo o nehomogenosti zgodnjega vesolja. Kolaboracija BICEP2 pa je z detektorjem na Južnem polu merila polarizacijo fotonov tega sevanja. Polarizacijo si lahko predstavljamo kot prostorsko usmerjenost vektorja električnega polja, ki sestavlja elektromagnetno valovanje. Če teorija inflacije drži, bi morali zaradi hitrosti začetnega širjenja v mladem vesolju nastajati gravitacijski valovi, ki jih lahko opazimo z merjenjem polarizacije sevanja ozadja.

Zamisel o inflaciji se je prvikrat pojavila leta 1981, od tedaj pa je doživela nekaj dodelav in predelav, nima pa še neizpodbitnega dokaza. Vsi so zelo posredni. Tudi to pot niso izmerili gravitacijskih valov ali teorije inflacije neposredno, lahko pa o tem sklepajo iz izmerjene polarizacije sevanja ozadja. To namreč teorija inflacije napoveduje kot svojo posledico, a imajo znanstveniki z najnovejšimi meritvami manjše težave - previsoke so. Izmerjena polarizacijska anomalija je za faktor dve do tri višja od napovedane, kar še ni pojasnjeno. Bodisi se napaka skriva v interpretaciji rezultatov, v sami meritvi ali pa v trenutni verziji teorije inflacije.

Inflacija namreč ni enotna teorija, ampak groba ideja, ki jo je mogoče razdelati v več teorij. Katera je najbolj točna, je odvisno od meritev in napovedi. Ena izmed možnosti je merjenje gravitacijskih valov, katerih obstoj je poznan dlje časa, neposredne meritve pa so še zelo oddaljene (ali celo nemogoče). Svetlobo lahko seveda polarizira več različnih učinkov, zato je treba biti pri interpretaciji previden. V tem primeru so izmerili karakteristično vrtinčasto polarizacijo, ki jo imenujejo B-polarizacija (zaradi sorodnosti s spreminjajočim se magnetnim poljem). Druga različica polarizacije brez vrtincev se imenuje E-polarizacija (ker bi jo lahko povzročalo spreminjajoče se električno polje). Gravitacijski valovi sicer povečajo obe, a so edini znani vir tipa B-polarizacije.

Eksperiment BICEP2 na Južnem polu je meril količino r, ki poenostavljeno povedano podaja razmerje med vrstama polarizacije. Doslej smo imeli le podatke o zgornji meji, sedaj pa imamo prvo številsko oceno, in sicer r = 0,2 (+ 0,07, -0,05). Možnost, da bi bil r enak 0, leži zunaj intervala 7 sigma in je neznatna. Sedaj pa čaka astrofizike piljenje modelov in dolgo pojasnjevanje, zakaj so izmerili dvakrat višjo vrednost od pričakovane in predhodno izračunane iz indirektnih metod. Zgodba o inflaciji je torej še daleč od zaključene.

Kot pojasnjuje John Kovac, vodja kolaboracije BICEP2, je bila meritev B-polarizacije sevanja ozadja eden najpomembnejših ciljev v kozmologiji. Južni pol so izbrali, ker je to najboljša točka za opazovanje vesolja z Zemlje, saj je to ena najbolj suhih, najčistejših in razmeroma visoko ležečih lokacij na Zemlji. To je najbliže, kolikor se lahko približamo vesolju, da smo še vedno na trdnih tleh, je slikovito pojasnil. Odzivi znanstvene srenje so zadržani, a pozitivni. Če bo odkritje zdržalo, gre zagotovo za eno največjih odkritij v zadnjem času in bi si lahko zaslužilo Nobelovo nagrado.