Wiedza i Życie 03/2013
W numerze m.in.:
Technika
Krzemowy skarb; Marcin Bieńkowski
Oceanografia
Ryk morskiego niedźwiedzia; Sławomir Swerpel
Chemia

Pierścienie wokół nas; Krzysztof Orliński
Biologia komórki
Komórkowi nanoposłańcy; Jakub Zimoch
Antropologia religii
Homo religiosus – ewolucyjna zagadka; Bogusław Pawłowski
Jedni nimi straszą, innym pilno do ich eksploatacji. Ci drudzy właśnie rozpoczęli próbne nawiercanie złóż zmrożonego metanu spoczywającego w olbrzymich ilościach na dnie oceanów.
Torturowano go rozgrzanymi do czerwoności szczypcami, łamano kołem, ręce i nogi strzaskano kijami i młotkami (by nie wstał z grobu). Na koniec ścięto go toporem, a jego bezgłowe ciało spalono na stosie.
Choć ich istnienie przewidywano już dawno temu, pierwsze obiekty na krańcach Układu Słonecznego odkryto dopiero pod koniec ubiegłego stulecia. Mimo że niełatwo je dostrzec, wiemy, że pochodzące z pogranicza Układu ciała wywarły wielki wpływ ...
Redakcja „Wiedzy i Życia”, prowadząc skrupulatne śledztwo w sprawie „prawdy życia przeciwko prawdom ekranu”, dotarła w końcu do mnie. Muszę być osobą odpowiednią (chociaż z mojego punktu widzenia chyba nie do końca), ponieważ ...
Aktualne numery
07/2017
06/2017
Kalendarium
Czerwiec
23
W 1868 r. Amerykanin Christopher Sholes opatentował pierwszą zdatną do wykorzystania praktycznego maszynę do pisania.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Weronika Śliwa | dodano: 2012-06-13
Echo stworzenia

Od miliardów lat mikrofalowe promieniowanie tła przemierza kosmiczne przestrzenie, niosąc informacje z czasów narodzin obserwowalnego Wszechświata, w tym o tajemniczych ciemnej materii i ciemnej energii. Czy satelita Planck, który jesienią trafi na orbitę, rozszyfruje zagadki składu kosmosu?

Kilkaset miliardów galaktyk i pustki, które światło przemierza przez setki milionów lat. Choć tak gigantyczna, struktura obserwowalnego Wszechświata powstała w ciągu niecałych 14 mld lat. Co dało jej początek, jaki będzie jej koniec? Jednym z najważniejszych zjawisk, badanych przez kosmologów próbujących odpowiedzieć na te pytania, jest mikrofalowe promieniowanie tła, często nazywane reliktowym. Do jego odkrycia doprowadziła odrobina szczęścia i... gołębie odchody.

Historia odkrycia niezwykłego promieniowania zaczyna się wraz z radiowymi obserwacjami, prowadzonymi w latach 1964-1965 przez dwóch młodych pracowników Bell Labs, Arno Penziasa i Roberta Wilsona. Antena, zbudowana w celu utrzymywania łączności z ziemskimi satelitami, pozwalała również na badania astronomiczne. Obserwacje utrudniał jednak radiowy szum, stokrotnie silniejszy od przewidywanego. Nie zależał on ani od kierunku, w którym była zwrócona antena, ani od pory obserwacji. Winą za jego powstanie obarczono więc początkowo aparaturę.

Próby odnalezienia przyczyny zakłóceń doprowadziły nawet do bliższego zainteresowania się badaczy parką gołębi, która założyła gniazdo w rogu anteny tubowej i - jak wspominają uczeni - pokrywała jej powierzchnię białym, dielektrycznym proszkiem. Gołębie zostały złapane i wywiezione, lecz - jak to gołębie - powróciły. Gdy w końcu udało się je usunąć, szum wcale nie zanikł. Dopiero przypadkowa rozmowa telefoniczna z jednym ze znajomych uzmysłowiła Penziasowi, że prześladujący go szum jest już od ponad roku bezskutecznie poszukiwany przez pobliską grupę kosmologów. Za odkrycie promieniowania mikrofalowego badacze otrzymali Nagrodę Nobla, a wszyscy fizycy potężne narzędzie do badań obserwowalnego Wszechświata. Pochodzi wszak z czasów tuż po Wielkim Wybuchu.

Od ognia do lodu

Większość kosmologów zgadza się z teorią, według której historia obserwowalnego Wszechświata rozpoczęła się 13,7 mld lat temu w Wielkim Wybuchu. Materia, wypełniająca go tuż po tym zdarzeniu, była tak gorąca, że jej stanu nie potrafimy dziś odtworzyć nie tylko w laboratoriach, ale nawet na kartce papieru. Gdy Wszechświat chłódł, powstawały otaczające nas dziś formy materii: elektrony, neutrony i protony oraz ich antycząstki. Cząstki i antycząstki nieustannie powstawały i łączyły się, anihilując i przekształcając się w promieniowanie. Gdy kilka sekund po Wielkim Wybuchu Wszechświat nieco ostygł, dalsze tworzenie par cząstka-antycząstka przestało być możliwe. Po kilku minutach, podczas których powstawały pierwsze pierwiastki chemiczne, kosmos składał się z supergorącej plazmy wodorowo-helowej, z niewielką domieszką litu. Stygnącym od milionów do tysięcy stopni jądrom tych pierwiastków oraz swobodnym elektronom towarzyszył cały ocean gorących fotonów. Większość z nich powstała sekundy po Wielkim Wybuchu, gdy anihilowała niemal cała pierwotna antymateria. Fotony były nieustannie pochłaniane i emitowane przez elektrony, tak że ewolucja kosmicznej materii i promieniowania przebiegała wspólnie.

Około 379 tys. lat po Wielkim Wybuchu, gdy temperatura gazu obniżyła się do mniej więcej 3000 K, elektrony dołączyły do jąder atomowych, tworząc neutralny wodór (hel przestał być zjonizowany nieco wcześniej). Fotony oddzieliły się od materii, która mogła zacząć tworzyć coraz większe skupiska - z czasem powstały z nich galaktyki i ich gromady. Od chwili rozdzielenia z materią niezatrzymywane fotony podążają przez rozszerzające się kosmiczne przestrzenie, stopniowo obniżając swoją energię. W czasie gdy powstawały pierwsze gwiazdy, temperatura tych fotonów wynosiła około 50 K, dziś wynosi zaledwie 2,7 K. Promieniowanie o tej temperaturze odpowiada mikrofalom, a więc falom o długościach bliskich milimetrowi. Cała przestrzeń wokół nas jest więc dziś wypełniona mikrofalowym promieniowaniem tła - w każdym centymetrze sześciennym świata jest około 300 tworzących go fotonów. Maksimum natężenia tego promieniowania odpowiada obecnie falom o długości 1,9 mm.

W trakcie podróży promieniowania przez otchłanie kosmosu, Wszechświat nieustannie się rozszerzał. Obszary, z których dochodzą do nas mikrofalowe fotony, w chwili ich emisji były odległe od naszego miejsca w kosmosie o 40 mln lat świetlnych. Dziś ich odległość wynosi aż 46 mld lat świetlnych. Jest to maksymalny promień obszaru, jaki możemy oglądać za pomocą fal elektromagnetycznych. Aby zajrzeć dalej - lub głębiej w przeszłość kosmosu - musimy się posłużyć bardziej przenikliwymi neutrinami lub nawet falami grawitacyjnymi.

W czasach, gdy promieniowanie tła oddzieliło się od materii, fotony i gorąca plazma były ze sobą ściśle związane. Tam, gdzie powstawały pierwotne zagęszczenia, które z czasem utworzyły galaktyki, było też więcej fotonów. Obserwacje promieniowania tła mogą nam więc powiedzieć, jak powstawały zalążki dzisiejszych gigantycznych struktur kosmicznych. Niestety, znaczna część promieniowania mikrofalowego jest pochłaniana przez ziemską atmosferę i znajdującą się w niej parę wodną. Choć część z tych trudności można przezwyciężyć, prowadząc obserwacje z wysoko położonych suchych terenów, promieniowanie reliktowe najłatwiej badać z kosmosu.

Już pierwsze takie pomiary, wykonane na początku lat 90. przez satelitę COBE, pokazały, że choć promieniowanie dochodzące z poszczególnych obszarów nieba jest niemal identyczne (odpowiada promieniowaniu ciała o temperaturze 2,725 K), istnieją w nim jednak drobne różnice - w niektórych miejscach niebo jest minimalnie cieplejsze lub chłodniejsze. Najpoważniejsza z takich poprawek wiąże się z naszym ruchem względem układu, w którym zostało wypromieniowane promieniowanie reliktowe. Grupa Lokalna, do której należy nasza galaktyka, porusza się z prędkością około 627 km/s w kierunku punktu leżącego na niebie na granicy gwiazdozbiorów Lwa i Pucharu. W związku z tym ruchem promieniowanie reliktowe docierające do nas z obszaru w pobliżu tych gwiazdozbiorów jest nieco cieplejsze, a z przeciwnego kierunku nieba - nieco chłodniejsze od średniej.

Oprócz tej "zewnętrznej" poprawki, na mapie promieniowania widzimy też obszary nieznacznie cieplejsze i chłodniejsze - różnice temperatury wynoszą tu co najwyżej 30 milionowych części stopnia. Te gorące i chłodne plamy są obrazami pierwotnych zagęszczeń i rozrzedzeń, z których powstały odpowiednio dzisiejsze gromady galaktyk i kosmiczne pustki. Niestety, niezbyt precyzyjne pomiary COBE nie pozwalały na dokładniejsze przyjrzenie się tym strukturom.

Na kolejnego satelitę trzeba było poczekać kilka lat. Przez ten czas udało się jednak zbadać kosmos z balonu. Latające na wysokości ponad 40 km balony umożliwiały obserwacje zbliżone do satelitarnych. Balon Boomerang, o pojemności miliona metrów sześciennych, latał w 1998 roku nad Antarktydą. Jego nazwa nie wzięła się znikąd. Antarktyczna pętla wiatrów co około dwa tygodnie sprowadzała to latające obserwatorium w pobliże miejsca startu. W gondoli balonu zamontowano teleskop do badania promieniowania reliktowego. Powstała dzięki pomiarom Boomeranga mapa obejmowała wprawdzie tylko 3% powierzchni nieba, ale jej dokładność była kilkadziesiąt razy lepsza od map COBE. Wyniki Boomeranga oraz innych teleskopów balonowych umożliwiły pomiar jednego z podstawowych parametrów Wszechświata: krzywizny czasoprzestrzeni.

Czy świat jest okrągły?

Do czasu opracowania dokładniejszych map promieniowania reliktowego kosmologom wydawało się, że losy Wszechświata zależą przed wszystkim od masy wypełniającej go materii, a ściślej - od jej gęstości. Średnia gęstość Wszechświata miała też decydować o jego geometrii - o tym, czy otaczająca nas przestrzeń jest płaska, czyli jest zwykłą, znaną nam z lekcji matematyki przestrzenią euklidesową, czy też jest ona zakrzywiona i przypomina powierzchnię czterowymiarowej kuli lub siodła. Wszechświat o przestrzeni o krzywiźnie dodatniej, przypominającej kulę, i gęstości większej od krytycznej zacząłby się w końcu kurczyć. Rozszerzanie Wszechświata o przestrzeni siodłowej, czyli o ujemnej krzywiźnie, i gęstości mniejszej od krytycznej miało się nigdy nie zakończyć. Bliski naszej intuicji płaski Wszechświat stanowiłby przypadek graniczny między tymi dwoma modelami - gęstość byłaby dokładnie równa krytycznej, rozszerzanie byłoby wówczas coraz wolniejsze, by w nieskończenie długim czasie się zatrzymać.